①PC相关速成

计算机相关速成，涉及硬件结构、软件开发、高新技术介绍

PC相关速成

• 压缩
  • 以图为例，①减少重复信息（如7黄代替连续7个黄）②DFTBA（字典编码，利用哈夫曼编码），以上均无损压缩。还可用有损压缩，如超声波部分舍弃，压缩太严重会出错，如视频的莫名画面
• 命令行界面
  • 早期以电传打字机上的纸作为显示，现屏幕视为无限长的纸，这些虚拟电传打字机叫终端（处理输入/出）
• 屏幕&2D图形显示
  • 阴极射线管：把电子（磁场控制）发射到有磷光体涂层的屏幕，可发光一会儿。可矢量扫描（可绘制任意）/光栅扫描（有字符生成器） 液晶（LCD）：也可用光栅扫描，像素信息放在内存的帧缓冲区，程序可操纵它实现交互式
• 冷战和消费主义
• 个人计算机革命
  • IBM研制PC，用了intel芯片，微软DOS（win前身）。而apple封闭架构，自己设计一切
• 图形用户界面
  • GUI程序：用窗口、图标、菜单、指针来做（还有按钮…）。事件驱动编程，非从上向下执行，代码与事件相连，每次点按钮会触发代码
• 3D图形
  • 似三维软件中用网格表示3D图形 GPU：图形处理单元，在显卡（显示器适配器，在CPU控制下，将主机送来的显示数据转为视频和同步信号送给显示器）上
• 计算机网络
  • 近距离构成的小型网络叫局域网，简称LAN。最出名为以太网，最简单是用以太网线连PC，若一台传信号给另一台，以电信号传入电缆，通过每台PC唯一的媒体访问控制地址（MAC地址）（为数据前缀）辨认谁来接收（MAC用于以太网和无线网络wifi，以太网载体为铜线，wifi为传播无线电波的空气）
  • 多PC同时侦听载体，叫侦听和多路访问（传输数据的速度称带宽）。但用共享载体有弊端，当网络流量大，多台想传会冲突 解决：当PC检测到冲突，重发前等会儿，每台等不同时间。若再冲突，等2/4/8s...直至成功
  • 为减少冲突+提高效率，要减少同一载体中设备的数量，载体和其中设备总称“冲突域”，利用交换机（位于更小的网络间，必要时在两网络间传数据）（互联网也是多个连在一起的小网络，大型网络从一处去另一处有多线路，引出路由）
  • 连接两台远的PC：①分配专用线路②报文交换：经多站点，可由不同路由（用来共享网络，让多电脑用一账户接入网络）。若信息太大，可能拥堵，故把大数据分成小块（数据包），都有目标地址，故路由器知道发去哪，may经过不同路由，到达顺序不同，TCP/IP解决乱序问题（message格式由（互联网协议）IP协议决定）
• 互联网
  • PC与巨大的分布式网络连一起，即互联网（由无数互联设备组成）
  • 计算机为获取此视频，先连上LAN（连上wifi的所有设备组成局域网），LAN连上WAN（广域网），一般属于互联网服务供应商（如电信…）（WAN先连到一区域性路由器，再连更大范围的，直至互联网主干）（例：数据包由PC去服务器may跳10次，4次至主干，2次跳过主干，主干出来may4次到服务器。如PC在LAN中IP地址起至wifi路由器，穿过一个个地区路由器至主干…）
  • 数据包想在互联网传输要符合IP协议（互联网协议）（底层协议）（数据包：IP Header,Data Payload，但到达对应PC后不知给哪个程序，故得有更高级协议，如UDP/TCP） UPD（用户数据报协议）：UDP Header（含端口号，每一想访问网络的程序都得向OS申请一端口号（相当于进房的窗，有些已对应确定服务），还含校验和，但不提供数据修复/重发，也无法得知数据是否到达）+data TCP（传输控制协议）：确保所有数据到达，IP Header+TCP Header（有端口号、校验和，还有序号来排序，并要求接收方接收无误后返回ACK确认码，故可解决乱序和数据包丢失问题，但由于数据量变大，不适合对时间要求高的程序）+data
  • PC访问一网站需要IP地址+端口号（互联网有项服务把域名和IP地址一一对应，为域名系统DNS，在浏览器输入xxx.com，会问DNS服务器（互联网供应商提供）IP地址，然后浏览器会给这个IP地址发TCP请求。DNS存成树状结构，顶级域名在顶部，如.com、.edu，二级域名如google.com，子域名如images.google.com。这些分散在很多DNS服务器上，不同服务器负责不同部分）
• 万维网
  • 在互联网之上运行（互联网用于传输，传输最多数据的程序是万维网，可用浏览器访问），最基本单位是单个页面，有内容、超链接（形成巨大呼叫网络），为了网页能相互连接，需要每一网页要唯一地址，叫“统一资源定位器”（URL）（如thecrashcourse.com/courses）
  • 当访问一网站，PC先DNS查找，输入域名，找到IP地址，浏览器再TCP连上IP地址（对应一个服务器），向其请求某页面（用http超文本传输协议）（如给服务器发送对应指令，返回地址对应网页，浏览器渲染到屏幕，不存在404）
  • 超文本标记语言html用于做网页，写入记事本，取名为test.html，拖入浏览器打开。域名要绑在服务器空间，若没有服务器，可去万维网买空间和域名，上传去空间，备案即可
  • 万维网有开放标准，大家可开发新服务器和新浏览器。互联网实现传输，但连接对象未必都有网页
  • 网络中立性：应平等对待所有数据包，速度/优先级应同
• 计算机安全
  • 看成保护系统和数据的保密性、完整性、可用性 主要安全问题：你是谁、你能访问什么
• 黑客&攻击
  • ①欺骗他人使之泄密/让配置电脑为更易攻击 ②nand mirror（缓冲区溢出，可修改内存） ③代码注入：常攻击用数据库的网站（登陆时服务器进行SQL查询） 若有足够多电脑被黑（蠕虫），可组僵尸网络，大量发垃圾邮件等，攻击/堵塞服务器
• 加密
  • 可用加密算法把明文转为密文，分为：对称加密和非对称加密 对称加密（双方用一样的密钥加解密）：替代加密、移位加密、Diffie-Hellman密钥交换建共享密钥 非对称加密：一公开，一私有，人们用公钥加密，只有私钥能解密
• 机器学习&人工智能
  • 机器学习（ML）（让PC可用从数据中学习，然后自行做出预测和决定）属于人工智能（AI）一部分 ML负责找出最好的线、最准的决策边界，其中含神经网络算法（仿大脑神经元），分输入层、隐藏层（可多层）、输出层，深度神经网络可较为准备地识别人脸
• 计算机视觉
  • 让PC理解图像和视频，最简单的是跟踪一颜色物体，如今最热门的是卷积神经网络
• 自然语言处理（NLP）
  • 怎么让PC理解语言（结合计算机科学和语言学）：把语言拆分，方便计算机处理（早期利用规则，对话固定，现多用机器学习，用真人聊天数据训练，发音用语音合成，把音素拼一起输出，语音识别即音素识别，现多用深度神经网络）
• 机器人
  • 由PC控制，可以自动执行一系列动作的机器 PID控制：比例值（实际值和理想值差值，越大就越用力，即比例控制，但may滞后），积分值（一段时间内误差总和，帮助弥补误差，很大说明比例控制不够），导数值（期望值和实际值之间的变化率，叫预测控制）。三者有不同权重，来控制系统
• 计算机心理学
  • 理解人类认知系统能帮助创建更好的界面
• 教育科技
• 奇点、天网、计算机的未来
  • 奇点：智能科技失控性发展
  • 生物体可能变为数字体，肉体die，思维alive
• 文件与文件系统
  • 文本文件（txt）：同其他所有文件，仅一长串二进制数（如可由ASCII码解读）
  • 音频文件（wav）：声压越大，数字越大，文件中存数字（播放时扬声器会产生相同波形），文件开头元数据（如道码率、单声道/立体声…）
  • 图形文件（bmp）：每个像素是红绿蓝混合，开头亦元数据（颜色深度（如三种颜色各8位）、图片宽高…）
  • 目录文件：含其下文件信息，也有文件元数据（如创建时间）。增/减文件（记录删了，东西还在）/改名，必须更新目录文件
  • 目录文件及对其的管理是文件系统的简单例子，称平面文件系统（记录文件在哪些块，只要分配块，文件可轻松增大变小），改进为分层文件系统 文件系统使得不必关心文件具体位置，整理和访问文件更轻松
• 内存&储存介质
  • 从快到慢：processor register-processor cache-random access memory-flash/usb memory-hard drives-tape backups 现慢慢转为固态（SSD）（不像机械硬盘，里面没有移动部件，访问时间短），如硬盘/U盘，里面是IC CD（光盘）/DVD：似硬/软盘，存数据，但不用磁性，CD表面的坑造成光的不同反射，被传感器捕捉后解码
• 操作系统
  • 有操作硬件的特殊权限，可运行和管理其他程序，一般为开机第一个程序，其他由它启动。充当软硬件介质，即OS提供API抽象硬件（驱动）
  • 能力：多任务处理、虚拟内存（一程序可能分配去内存的数十个地方，为隐藏复杂度，假定内存从0开始，但不同程序的0不同）、内存保护
  • 计算机不仅可多任务，还可多用户同时访问（用终端（屏幕+键盘）访问）
  • unix=kernel+有用工具（如库）
• 集成电路&摩尔定律
  • 最初晶体管间电线连接，之后电路所有组件集成在一起（IC），IC仍需连上创造更大电路，故出现PCB板，用蚀刻金属线方式把零件连在一起，二者结合可大幅减少独立组件和电线 为实现更复杂的设计，出现光刻制作工艺，用光把复杂图案印在材料上（如半导体），从晶圆（一片Si）开始，可以做很多IC，之后切割包入微型芯片
  • 摩尔定律：每两年，相同空间可放入两倍的晶体管。CPU可集成于一芯片，如iphone7的CPU有33亿晶体管
• 软件工程
  • 强调软件开发的工程性，预防错误
  • 汽车中与定速巡航有关函数可包装为定速巡航对象，相关函数下还有函数和变量。把函数打包成对象的思想叫面向对象编程（核心是隐藏复杂度，选择性公布功能）（对象中的函数可设置权限，public/private）
  • 用专门工具（IDE）集成开发环境写代码，集成整理、编译、测试等功能。很重要的是写文档 源代码管理（可追踪所有变化）：大公司把代码放一中心服务器，称代码仓库，想改就借，没问题就提交
• 阿兰.图灵（计算机之父）
  • turing machine（理论计算设备） PC能够欺骗人类它是人，才算智能 图灵奖：CS最高奖
• 数据结构
  • 选定后算法亦确定。为存储、组织数据的方式，又分为逻辑结构（用于设计算法）（集合结构、线性结构、树形结构、图形结构）、存储结构（用于算法编码实现）（顺序、链接、索引、散列）、数据运算
  • 多数编程语言自带预先训好的数据结构，如C++标准模板库、java的java类库
• 算法入门
  • 解决问题的具体步骤，最多的为排序 算法的输入规模和运行时长间关系为算法复杂度 Dijkstra算法用于图搜索最佳路径，用广度优先搜索，记下固定点到每个点的最小路径长度
• 编程原理--语句和函数
  • 函数即模块化变成，官方的为库
• 编程语言发展史
  • 机器码-汇编（程序员仍需要思考用什么寄存器和内存地址，但不用固定跳转地址，给跳转标签即可）-高级语言（变量对应地址）
• 早期的编码方式
  • （1975前）用穿孔纸卡将程序导入内存，也可导出（冯诺依曼把二者放一起，哈佛把指令放ROM，数据放RAM）
• 高级CPU设计
  • 晶体管组成了逻辑门、ALU及其他组件。现ALUmay加入除法功能，指令变多
  • CPU加速：①减少RAM与CPU交互时间（用cache）②指令流水线（并行处理）（①一次性处理多条指令：优化一个指令吞吐量/运行多个指令流（可用多核处理器（1CPU中多处理核心））②加多几个相同电路：CPU中有多个ALU，可执行出行频次高的指令）
• 指令和程序
  • 指令和数存在同一内存，无差别，用HALT指令区别它们
  • 改进：更多位表示指令、可变指令长度
• 中央处理器（CPU）
  • 组成：运算器（ALU、累加器…）、控制器（译码、发出控制信号）、寄存器
  • 可给CPU支持的所有指令分配一ID，前4位存操作码，后4位表数据来自哪
  • 启动PC时所有register为0。CPU：①取指令阶段②解码阶段（这两步由控制单元来）③执行阶段
  • CPU与内存间交流通过register
  • FPGA（现场可编程门阵列）为空芯片，可定制为特定专用芯片，CPU有计算/控制功能
• 寄存器&内存
  • 最初用门电路实现存0/1（锁存器set为1，output为1，reset为0，output为0。都0则为最后放入的东西） 一组锁存器叫寄存器，可存一位数，位数称位宽 内存原理略
• 算术逻辑单元（ALU）：负责运算的组件
  • 1个算术单元（负责所有数学操作）+1个逻辑单元 算术单元：用门电路实现半加器，再全加器，最后8-bit adder 逻辑单元：and、or...
• 二进制
  • 首位1为负数，否则正数 浮点数表示：有效位数（小于1）×指数（正负1bit，指数8bit，有效位数23bit） ASCII码（8位）：美国信息交换标准代码（128-255给各国使用）。unicode（16位）解决不同国家不同标准
• 布尔逻辑和逻辑门
  • 可由晶体管实现布尔逻辑。有：not、and、or、xor（异或）
• 电子计算机：继电器-真空管-晶体管
  • 继电器（用电控制的机械开关，通电有吸力，连通）、真空管（电子开关，加热发射电子，形成电流）（三级真空管：多个控制电极，加正电后允许电子流动）、晶体管（电极间用半导体隔开，通电后可导通）
  • 半导体芯片：在其上浸蚀、布线，制成的实现某种功能的半导体器件
  • IBM：全球最大计算机公司（PC业务给联想） 微软：提供电脑软件服务业务（第二：oracle甲骨文） intel：半导体芯片 HP：打印机、云产品、服务器、平板、电脑… NVDIA（英伟达）：显式芯片、主板芯片 AMD：CPU、GPU、APU、主板芯片 （GPU而言NVDIA好，CPU而言intel好） （显卡：GPU、显存、供电、散热…）
• 计算机早期历史