計算機基礎知識
主要是介紹計算機的基礎知識，這是第一部分–計算機組成原理
計算機組成原理
計算機歷史
重要的計算機器的歷史人物和發明；
電子計算機
概念：繼電器—類比成水龍頭
繼電器—>熱電子管–>三級真空管
熱電子真空管：熱電級發射—一極加熱發射電子，另一個電極吸引電子，形成電流； 單向流動的稱爲二極管；之後另一個發明家在這兩個電極之間，加入第三個電極：控制電極；
三極真空管：向控制電極施加正電荷，允許電流流動；施加負電荷。阻止電子流動；這樣就可以代替繼電器，稱爲起到開關的作用，相比較來說不會產生磨損；但會燒壞；
晶體管發明
代替真空管控制開關的作用，一個全新的計算機時代誕生了；即半導體技術—通過控制門電極來達到控制導電或不導電；
現在一個晶體管達到小於50nm；並且不僅小，而且切換快；切換上百萬次每秒；
晶體管和半導體的概念：
半導體制成晶體管，晶體管集成芯片
三極管的使用特性
布爾邏輯和邏輯門
兩種值：true false ; 三種基本操作：not and 和or; 恰好用晶體管可以輕易實現上述邏輯；
晶體管之前只是用電來控制開關的方式； 三根線：兩個電極和一個控制；就像水龍頭；
使用晶體管來實現：門電路 分清誰是輸入和輸出
NOR門：
AND邏輯門：兩個晶體管，串聯在一起
NOR邏輯門：兩個晶體管，並聯在一起；
符號表示：三種門，是其他所有操作的基礎
其他常見操作：XOR：用上面三種門來構造異或門，非常有用，雖然連接構造較複雜，但是我們可以把它放進工具箱裏面了；向上抽象：不關心底層原理怎麼實現的，只關注它的功能和使用方法；
二進制
電腦如何存儲和表示數字；二進制，八進制，十六進制，是最常見的；
1字節=8位；
32位/64位計算機：意思是：每處理一塊數據，每塊是32位或者是64位，一塊能表示最大的數；
正負數表示：第一位表示符號位；
Address:計算機給內存中的每一個位置，做一個“標記”；目的：是爲了方便存取數據，現在內存增長到GB/TB，也要求着尋址數據大小，64位代表着尋址能力更大，同時一次讀取更多的數據；
浮點數（好幾種方法）： IEEE 754標準 ；
文字表示：給字母編號，還是間接利用數字來表示；ASCII標準；–只用來表示英語母語國家；拓展到別的國家–UTF-8；
就像ASCII-標準用來表示文字的編碼方式一樣，MP3和GIF 用二進制編碼 聲音/顏色，表示照片，電影和音樂；
歸根到底，就是一連長串位
二進制解決了計算機存儲和表示數字的問題；
ALU-算術邏輯單元
歷史最著名的ALU器件–Intel 74181
ALU有兩個單元-1個計算單元和一個邏輯單元；使用到 AND OR NOT XOR邏輯門
一層層的向上抽象：當理解並承認基本原理知識後，就不再關心具體怎麼運行的，想成一個工廠/盒子，關注輸入和輸出；
XOR+AND—>半加器+半加器+OR---->全加器-獨立組件
爲了使運算更快，不需要等待前一位運算結果，發明–超前進位加法器；
實時性要求不高的機器（恆溫器等）：把乘法換算成 加法，多執行幾次；沒有專門的乘法運算單元；
乘法單元：比加法單元只是稍微複雜一點，需要用到更多的邏輯門資源而已；
向上抽象：ALU被表示成一個大寫的V字：代表着兩個輸入數，並操作代碼告訴ALU執行什麼操作。（1000=add,1100=減法），ALU還會引出很多標誌：最基礎的：溢出標誌，0標誌，負數標誌；
寄存器和內存
內存：RAM，ROM
外存 ：硬盤
之前的電路都是單向流，現在增加了迴向：把輸出再連回輸入；
爲什麼增加回向流：有記憶功能了，保持邏輯有記憶性；Eg:AND門：永遠保持0；OR門：永遠保持1;—但這是永久的；
AND-OR鎖存器：有設置位和復位 這兩個輸入：可以控制輸出是0還是1；實現了鎖存的效果，這就是 memory（存儲）
邏輯門連線圖
**我們不想不用關心單獨的邏輯門，即向上一層抽象，把門鎖放進一個“box（盒子）”即抽象成一個可以存取1個bit的盒子；盒子的功能就是–門鎖–：可以存取1個bit,保持不變；
抽象成 "盒子-門鎖"圖
有：輸入線、允許讀/寫線 、輸出線
什麼是寄存器？Register
一組鎖存器叫寄存器，多少個鎖存器就叫多少位寄存器。發展有8位寄存器，16位寄存器和32位寄存器，現在基本都是64位寄存器。
64位寄存器：需要64根數據線（輸入線），64根輸出線，1條線控制讀/寫線，總共129線
但是如果要存256位就要高達513線，所以通過使用矩陣。16X16個鎖存器按矩陣放置。
行陣排列法：用一根“允許寫入線/允許讀取線”連所有鎖存器。共只要35條線：1根數據線，1條允許寫入線，1條允許讀取線，還有16行和16列的線用於選擇鎖存器。
多路複用器：Multiplexer；向上抽象就是一個256位的內存；擴大存儲規模，就是並排列在一起。向上抽象就是一大塊整體連續的可尋址內存。地址不需要自己操心，操作系統自動給分配好。
內存地址：8位代表256個內存地址，也即256個字節。一個地址等於8位一個字節。
所以要想需要更大的內存位置就要需要更多的內存地址
內存的一個重要特性：可以隨時訪問任何位置。
RAM分類：SRAM DRAM Flash memory NVRAM.功能都是與SRAM相似的，區別只是使用不同的電路存儲 “位”。例如，使用邏輯門 電容器，電荷捕獲 或 憶阻器。但是所有的都是矩陣層層嵌套，來存儲大量信息。
小結概念
AND-OR鎖存器 盒子 寄存器 RAM（隨機讀寫存儲器）
中央處理器 CPU
重點：1、組裝CPU 2、CPU怎麼執行命令
計算邏輯單元ALU：輸入二進制，會執行計算；
兩種內存：register寄存器，每次只能存一個值。
RAM是利用矩陣擴大的內存，能在不同地址存儲大量數字。
CPU運行
第一個階段：取指令階段 : fetch
第二個階段：譯碼階段 :deode
第三個階段：執行階段:execute
CPU包含: 控制單元 + ALU計算邏輯單元+ 若干寄存器 +時鐘（時鐘頻率）
RAM：是在CPU外面的獨立組件，CPU和RAM 之間用“地址線”+“數據線”+“允許讀/寫線”進行通信。
指令和程序
重點：1、給CPU指令，一步步帶你運行一遍程序
CPU之所以強大是因爲他是可編程的，寫入不同指令，就會執行不同任務。即是一塊硬件，很容易被硬件控制。
兩位數相加例子
四個指令下的兩個數相加：load_A load_B STORE_A ADD
馮諾依曼體系下的計算機結構：程序和數據都存儲在同一個內存裏面的，本質上沒有區別，都是二進制數。
指令
這裏指令是8位：前4位是操作碼—>指令（最多16條），後四位是地址------>數據值（最多十六個值）
解決方法：
1、更多位來代表更多指令：32位或64位，這個叫指令長度。
2、可變指令長度：
指令集越來越多，是因爲給CPU設計了越來越多的功能。
高級CPU設計
如何快速傳遞數據給CPU？
超高的時鐘速率帶來一個問題：如何快速傳遞數據給CPU，即CPU和外部RAM之間的通信速度匹配問題？ 類似空有強大的蒸汽機，卻無法快速加煤？
法一：添加cache
給CPU裏面加一點RAM–called cache。和外部RAM硬件上沒有什麼不同但是因爲更靠近CPU，所有傳輸速度更快。因爲cache集成在CPU中，內存很小：但是卻可以CPU從RAM拿數據時，RAM不用傳一個，而是可以傳一批。但是數據可以先存在cache裏，CPU不用空等。可能數顯問題: cache hit /cache miss
法二：PiPline—流水線技術
fetch–decode–execute: 不同任務重疊進行，這樣會用上CPU裏面的所有部分，流水線技術，每個時鐘週期執行一個指令，但是吞吐量X3。
可能出現的問題：
問題一:指令之間的依賴關係。解決方法1：亂序執行
問題二：條件跳轉問題，解決方法1：空等，等到條件確定值下來。解法2：推測執行接下來的執行指令。這些方法本質都是提高吞吐量。
解法三：多核處理器（雙核或四核處理器）
意思是一個CPU芯片裏面有多個獨立處理單元，運行時像是由多個獨立的CPU，但是共享一些資源：cache，可以多核之間合作運算。多個CPU使用，一般這個是用在服務器上面搭載運行，或者是更強大的計算速度。
我們的任務就是充分利用好現在已有的運算處理能力，去做cool and useful 事情，即重心在編程上
