计算机知识杂谈

御物语

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于 2023-09-25 22:39:27 首次发布

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文章目录

前言
一、起源
二、元件
- 基础元件的发展
- 硬件性能的爆炸性增长
三、进制
- 数制转换
四、ALU
五、存储
- 存储元件的发展
- 存储介质的发展
六、CPU
七、程序
- 数据结构的基本内容
八、系统
- 操作系统OS 的发展
- 文件系统的发展
- 压缩
九、界面
- 命令行界面
- 图形界面2D
- 3D图形
十、网络
- 物理层
- 数据链路层
- 网络层
- 运输层
- 万维网
总结
- **抽象**二字是重点，从人的脑力到计算机，从机器码到高级语言，从简单程序到人工智能，这都是一层层抽象包装的成果。 [计算机科学速成课](https://b23.tv/6UBRTZZ)

前言

本文章是关于计算机知识的一些杂谈。

一、起源

发展历程：

早期”computer“指负责计算的人。
算盘：手动计算器，加减数字，十进制（“逢十进一，借一当十”）。
步进计算器：机械结构齿轮，前转加-后转减-有进位退位，可以实现乘除（乘除，实际上是多次加减法)。
预先算好的计算表，例如二战中广泛使用的射程表。
差分机：计算多项式（多项式，几个变量之间的关系），只是假想。
分析机：通用计算机，概念提出。
打孔卡片制表机：记录信息的打孔卡片（如答题卡），打孔代表有否则无，输入有则加一，其后出现IBM。
电子计算机。

二、元件

基础元件的发展

继电器：用电控制的机械开关，使用电磁感应控制线路，通电机械臂闭合即开关闭合。
——速度慢，易磨损，数量增加则故障概率增加，巨大、黑色、温暖的机器会吸引虫子（虫子，bug）。
三级真空管即电子管：通过控制线路控制电子流动，没有会动的组件。
——速度快，脆弱易碎，易烧毁，主要军用。
晶体管：使用半导体控制线路。
——速度更快，固态，体积远远小于真空管，便宜，开始民用。

硬件性能的爆炸性增长

一开始分立元件（计算机由独立部件组成），存在数字暴政（加强性能需要更多部件，导致更多线路，更复杂难做）。
集成电路（IC，电路的所有组件都集成在一起），印刷电路板 PCB（相当于集成的电线）。
其后光刻技术（用光把复杂图案印到材料上如半导体）产生，有摩尔定律：每两年左右，得益于材料和制造技术的发展，同样大小的空间，能塞进两倍数量的晶体管。

摩尔定律的终结，进一步小型化碰到的问题：

光的波长不足以制作更精细的设计。
量子隧穿效应，晶体管漏电。

三、进制

二进制与布尔逻辑：
开/关——1/0——true/false。
布尔代数：NOT、AND、OR、XOR（异或）。

数制转换

机器码：
正数：原码 = 反码 = 补码
负数：

运算：

方法	-
加法	直接
减法	[N₁ - N₂] _补 = [N₁] _补 + [N₂]_补

浮点数：

科学计数法存储（IEEE 754标准）。
32位浮点数 = 1位符号 S + 8位指数 e + 23位有效数字 M。
例如：
4136 0000 H = 0100 0001 0011 0110 0000 0000 0000 0000 B =
0|100 0001 0|011 0110 0000 0000 0000 0000。
解：
S = 0，
e = 阶码 - 127 =1000 0010 - 0111 1111 = 0000 0011 = 3 D，
M = 011 0110 0000 0000 0000 0000。
答：4136 0000 H = （-1）^S * 1.M * 2^e = + (1.011011) * 2³ = 11.375 D。

ASCII 字符编码标准，可以编码字母、数字、特殊符号等。
Unicode 统一编码方案，解决不同国家不同标准的问题，例如UTF-8。

拓展：最优的进制e进制，与其更接近的三进制昙花一现。

补充：

2¹⁰ = 1024。
1 TB 太字节 = 1024 GB 千兆字节 = 1024 * 1024 MB 兆字节。
1 MB = 1024 KB 千字节= 1024 * 1024 B 字节。
1 B 字节 Byte = 8 b 位 bit。

四、ALU

ALU即Arithmetic ＆ Logic Unit 算数逻辑单元，由算数单元和逻辑单元组成，抽象成一个大“V”符号。

AU：算数单元，进行数字操作，使用逻辑门。

半加器 HALF ADDER：两个1位输入，两个1位输出“总和和进位”。

全加器 FULL ADDER：三个1位输入，两个1位输出“总和和进位”，由两个半加器和一个OR门构成。

8位行波进位加法器 8-BIT RIPPLE CARRY ADDER：两个8位输入，两个输出（其中一个为8位SUM，一个为1位CARRY，注意有进位则溢出)，由一个半加器和七个全加器构成。
超前进位加法器 CRAAY-LOOK-AHEAD ADDER：现代计算机使用的。
不由加法器模拟乘法器，独立的乘法器等。

LU：执行逻辑操作，例如NOT、AND、OR。

五、存储

使用技术及衍生：内存RAM，外存ROM。

空间	存储
CPU内	寄存器、cache
主板内	memory：内存、cache
主板外	storage：外存、硬盘（机械硬盘、固态硬盘）
在线	网络存储
离线	U盘、光盘、软盘、磁带

存储元件的发展

锁存器 latch：“锁存”了1个值即1bit。两个输入，“设置 set”输入1，输出为1；“复位 reset”输入1，输出为0。
寄存器 register：位宽为可存储的位数，由锁存器并排放置组成。
锁存器矩阵：16 * 16门锁矩阵，多路复用器解码8位地址（4位行，4位列，2⁴ = 16）定位到每个锁存器，扩大打包出RAM。
RAM random access memory：随机存取存储器，是计算机内部存储器中的一种，在通电的情况下存储信息，断电会丢失数据，计算机和手机中一般把其叫做（运行）内存。

SRAM static…：存储元为一个触发器，具有两个稳定的状态，存取速度快，容量小。
DRAM dynamic…：存储元为一个MOS晶体管和电容器组成的记忆电路，需要刷新，容量极大，通常作为计算机的主存储器。

cache：高速缓冲存储器，简称缓存，由高速的SRAM组成，作用于CPU和主存之间。基于时间局部性和空间局部性原理，用一块更小更快的存储设备来作为更大更慢的存储设备的缓冲区，从而提高数据访问速度。
ROM Read-Only Memory：只读存储器，也是计算机内部存储器中的一种，可以存储数据而且断电不会丢失，早期的ROM因为技术不成熟所以无法擦写，出厂后就只能读数据，所以叫只读存储器。后来随着技术的发展，在ROM的基础上出现了新的半导体存储介质EPROM和EEPROM这两种可擦写，其后发展出了NAND FLASH闪存，就是我们现在用的U盘中用到的技术。
硬盘：硬盘分为两种，一种是机械硬盘（即磁盘HDD）,一种是固态硬盘（SSD），磁盘和ROM没什么关系，但是固态硬盘就不一样了，固态硬盘用到的颗粒也是基于NAND FLASH技术，和u盘以及手机存储有点相似，所以硬盘和ROM还是有关系的，固态硬盘的存储颗粒是ROM技术发展的产物，但不能说ROM就是硬盘。

存储介质的发展

打孔纸卡、打孔纸带：读取慢，只能写一次。
延长线存储器：存储的位在介质中循环，但每一个时刻只能读一位数据，要读特定位只能等循环到位置时，因此又叫顺序存储器、循环存储器。
磁芯存储器：通过电流磁化磁芯改变其磁性即0/1，一个磁芯代表一位，能随时访问任何一位。
磁带：一长条的磁性带子卷在轴上，通过磁带驱动器前后移动，要读特定位置只能倒带或快进。类似技术磁鼓，推动了磁盘的发展。
磁盘：表面有磁性，可以叠在一起，通过磁臂移动读/写磁头处理其上的0和1，要考虑寻道时间。
软盘：机械硬盘 HHD的亲戚，除了磁盘是软的，其他基本一样，便携。
光盘 CD：光学存储器，表面的小坑造成光的不同折射，光学传感器捕捉解码为0/1。
固态硬盘 SSD：没有机械活动部件，使用ROM发展来的技术。

六、CPU

CPU = CHIP芯片（ALU + CU + 时钟 + 通用寄存器） + RAM

CPU Central Processing Unit：中央处理器，负责执行程序。
CU control unit：控制单元 = 控制线路 + 指令地址寄存器 + 指令寄存器。
时钟：管理cpu节奏，以精准的间隔触发电信号。cpu“取指令–>解码–>执行”的速度叫“时钟速度”。超频提升性能，降频省电。
RAM ：cpu外的独立组件，存储指令集，用“地址线”“数据线”和“允许读/写线”即总线与cpu通信。

高级cpu设计：

单核：

早期加快晶体管切换速度，来提升cpu速度。
使用专用化的电路，除法电路等，考虑复杂度 vs 速度。
cache缓存（连通RAM检查脏位），提高数据存取速度。
流水线设计，并行处理，吞吐量上升，先要弄清数据依赖性，再动态排序乱序执行（电路非常复杂）。
JUMP后推测执行，进一步发展出来分支预测。
多个ALU。
超标量处理器，一个时钟周期完成多个指令。

多核：

多个core，共享一些资源。
多个独立的cpu。
超级计算机。

七、程序

程序 = 数据结构 + 算法

程序：一组计算机能识别和执行的指令。
指令：一般由操作码字段OP和地址码字段A组成。

早期编程方式（在硬件上）：

打孔纸带：只汇总数据，操作固定。
插线板：控制面板，运行不同程序需要重新插线，一个插线板一个程序。
存储程序计算机：程序存在内存中，内存足够甚至可以存储数据以及运行产生的新数据。穿孔纸卡读取机输入程序和数据。
面板编程：面板拨开关。

补充：

冯诺依曼结构：程序和数据存在一个地方。
冯诺依曼计算机标志：一个处理器（有算数逻辑单元） + 数据寄存器 + 指令寄存器 + 指令地址寄存器 + 内存（负责存数据和指令）。

编程语言发展（在软件上，小部分运行速度换大部分编程速度）：

二进制：机器语言，伪代码–>“操作码表”–>二进制机器码，cpu可以直接执行机器码。
助记符：汇编语言，使用汇编器，一般一条汇编指令对应一条机器指令，需要考虑底层细节。
高级编程语言：使用编译器，专门把高级语言转成低级语言，脱离底层细节大众化。

编程基础（语句和函数）的基本：

变量，赋值语句。
条件语句：if判断分支，while条件循环，for特定次数循环。
函数 function：代码打包成方法，隐藏复杂度，也叫“方法”、“子程序”，函数集合——库。

数据结构的基本内容

不同的数据结构适用于不同的场景。

固定大小：

数组 array（一维列表、向量）：同类型值连续存储，a={1，2，3}，a[index]调用下标为index的值，下标从0开始。
字符串 string：字母、数字、符号等组成的数组，a=“abstraction”，字符串结尾二进制"\0"表示字符"null"。
矩阵 matrix：数组的数组，任何维度。
结构体 struct：多个不同类型变量打包在一起。
指针 pointer：特殊变量，指向一个地址
节点 node：存变量和至少一个指针。

可变大小（节点组成）：

链表 list：每个节点指向下一个节点。
队列 queue：先进先出（FIFO），入队（enqueue）出队（dequeue）。
栈 stack：后进先出（LIFO），入栈（push）出栈（pop）。
树 tree：节点包含多个指针，最高的节点叫“根节点”（root），以下节点叫“子节点”（children），没有子节点的叫“叶节点”（leaf），根到叶是单向的。
二叉树 binary tree：节点最多有两个子节点。
图 graph：节点随意连接。
红黑树、堆……

算法（解决问题的步骤，考虑时间复杂度和空间复杂度）入门：

选择排序：一个for套另一个for，时间复杂度O(n²)。
归并排序:先二分到1再合并，O(n*log₂n)，n比较+合并的次数，log₂(n)合并步骤的次数。
Dijkstra最短路径算法：图搜索，选最小边，O(nlogn+I)，n为结点数，I为线数。……

软件工程的基本内容：

public、private：设置权限对象。
object：相关代码打包，可以嵌套。
面向对象编程 OOP：把变量和函数打包成对象，核心是隐藏复杂度，选择性的公布功能。
程序编程接口 API：控制哪些函数和数据让外部访问，哪些仅供内部。
集成开发环境 IDE：集成当中功能的工具。
调试 debug。
文档和注释 readme、comment。
版本控制 version control：源代码管理。
质量控制 QA quality assurance testing：测试。
软件的beta版即公测版本、alpha版即内部版本。

八、系统

操作系统OS 的发展

Operating system：让机器自行运作，有操作硬件的特殊权限（软件和硬件之间的媒介，提供API来抽象硬件，写程序可以忽略底层细节），可以运行和管理其他程序。开机第一个启动的程序，其他程序由操作系统启动。

批处理：之前只能一次给一个程序，现在可以一次加载多个程序，当计算机运行完一个程序，会自动运行下一个程序。
多任务处理：cpu快I/O慢，程序阻塞在I/O上导致cpu空闲，于是使用调度算法在cpu上同时运行多个程序。
多用户分时操作系统：多用户用终端访问计算机，终端本身没有计算能力，每个用户只能占据一部分资源（cpu、内存等）。
实时操作系统：最大的特色就是“实时性”，如果有一个任务需要执行，实时操作系统会马上（在较短时间内）执行该任务，不会有较长的延时。这种特性保证了各个任务的及时执行。
虚拟内存：假定内存总是从地址0开始，实际的物理位置被操作系统隐藏和抽象，存在一个虚拟内存和物理位置的映射表。这种机制使程序的内存大小可以灵活的增减即动态内存分配。内存保护：给程序分配专用的内存范围。
使用设备驱动程序来调用外部设备。

文件系统的发展

文件格式：可以随便存文件，但按格式存会更方便。

TXT 文本文件：使用ASCII字符编码标准。
WAV 音频文件：存储的数据是每秒上千次的音频采样数字，格式为：元数据（关于数据的说明，文件头） + 音频数据。
BMP 图片文件：图片由像素组成，所以存储像素的红蓝绿（加色三原色） RGB 值，开头也是元数据。

早期文件系统：整个存储器就是一个文件，数据从头存到尾，直到占满。后来计算能力和存储容量的提高，多文件很有必要。

目录文件：特殊文件，用来解决划分多文件的问题，存其他文件的信息，比如名字、位置等。更新文件时也必须更新目录文件。删除文件，就是删除文件的记录，没有实际擦除数据，恢复数据就是恢复这些。

平面文件系统：文件都在一个层次内，只有十几个文件。

文件不会一个个紧密地前后排序在一起，因为文件系统会：把空间划分成几个块，文件拆分到块里，有一些预留空间方便改动。

文件的增删改查会不可避免地造成文件散落到各个块里，所以做碎片整理，就是把数据来回移动，排列成正确顺序。

分层文件系统：有不同的文件夹，文件夹可以层层嵌套。需要额外的元数据，来区分文件和目录。目录文件不仅指向文件，还要指向目录。剪切文件，就是更改目录里的记录。

压缩

压缩的好处是能存更多文件，传输也更快。

无损压缩：没有丢失任何数据。
1.游程编码：适合经常出现相同值的文件，有时数据反而会变多。格式：“长度” + “重复值”。
2.字典编码：使用哈夫曼编码树，按频率排序成树，频率低的在下面。左0右1，按树编码成字典。格式：“字典” + “编码序列”。
“消除冗余”和“用更紧凑的表示方法”，这两种方法通常会组合使用。
有损压缩：丢掉那些人类看不出区别的数据。
感知编码：删除掉人类无法感知的数据，依赖于人类的感知模型。
时间冗余：视频里不用每一帧存所有像素，可以只存变了的部分，利用了帧与帧之间的相似性。MPEG-4 视频编码：用补丁的移动和旋转来更新画面。

九、界面

命令行界面

早期，计算机昂贵，不能等人慢慢输入，所以用纸卡/纸带一次性把程序和数据输入，输出打印到纸上，中间没有人类操作。尽可能迁就机器，对人类好不好用是其次。
后来，计算机足够便宜+快，人机交互变得可行，通过键盘输入。电传打字机是专门用来发电报，使用电报线发送和接收文本，可以用于用户和计算机“对话”，输入命令，计算机会输出回来，即命令行界面。
最后，屏幕成本足够低，代替电传打字机，仍使用“电传打字机协议”，纸和屏幕对计算机一样。