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Bits(位), Bytes(字节), 晶体管, 逻辑门, 操作系统, 虚拟现实, 机器人
通过一层层的抽象，来做出复杂操作。
最底层的 1 和 0, 到逻辑门, CPU, 操作系统, 互联网。
目的：了解计算机在你的人生，以及社会中扮演什么角色。计算机是人类发展史上最伟大的发明，是怎么开始的; 它对未来还会有更大印象。
Babbage 工作室外面的街头音乐家很吵，很影响他干活。Babbage 于 1871 年去世，当时分析机还没完成。Carrie Anne 是追星族！Lovelace 写的分析机笔记是第一个算法。Ada Lovelace 是第一位计算机程序员。Charles” 计算机之父 ”Babbage 设计了第一个可编程计算机。
Tommy Flowers 和他的团队在 11 个月内做出 ” 巨像 1 号 ”。” 巨像 ” 计算机是第一个可编程电子数码计算机，建造出来是为了破解德国 ” 洛伦茨 ” 加密机。图灵的 Bomba 是电子机械密码破解机，但不算第一台计算机。
树莓派是便宜的单板计算机，旨在推进计算机基础学习。Arduions 用于快速制作嵌入式设备原型。2016 年 7 月，7-11 用 Flitey 无人机进行了美国第一次合法的无人机送货。
计算机早期历史
提到的设备：算盘 -> 步进计算器 -> 差分机 -> 分析机 -> 打孔卡片制表机
最早的计算设备是算盘。
Computer 从指代职业变成指代机器。
机器里有名的是：步进计算器 (类似汽车里程表，不断累加里程数)，第一个可以做加减乘除的机器。
炮弹为了精准，要计算弹道，二战时查表来做。但每次改设计了就需要做一张新表。（表是前人已经做好的）
Charles Babbage 提出了 ” 差分机 ”（更复杂的机器，能近似多项式，多项式描述了几个变量之间的关系），在构造差分机期间（项目以失败告终），想出了分析机，分析机是通用计算机（不止是一种特定运算，甚至可以给它数据，然后按照顺序执行一系列操作，它有内存。因为先进，没有造成功）。
Lovelace 给分析机写了假想程序，因此成为了第一位程序员（“未来会诞生一门全新的，强大的，专为分析所用的语言”）。
人口普查 10 年一次，Herman Hollerith 的打孔片制表机大大提升了效率（目的是分配联邦资金，国会代表，等等。）。1890 年，人口普查要预计十三年时间来手工编制，等做完都过时。
Charles Babbage（计算机之父）说：“随着知识的增长和新工具的诞生，人工劳力会越来越少”
打孔片制表机
用传统机械来计数，结构类似莱布尼茨的乘法器，但用电动结构连接其它组件。
一种纸卡，上面有网格，用打孔来表示数据。
当卡插入 Hollerith 的机器时，小金属针会到卡片上，如果有个地方打孔了，针会穿过孔，泡入一小瓶汞，联通电路，电路会驱动电机。
计算机的价值：可以提升劳动力以及数据密集型任务，来提升利润。
满足会计，保险评估和库存管理等行业，Hollerith 成立了制表机器公司，在 1924 年与其他机械制造商合并，成为了“国际商业机器公司”（简称 IBM）
电子计算机
提到的设备：继电器 -> 真空管 -> 晶体管
20 世纪的发展要求更强的计算能力。柜子大小的计算机发展到房间大小。
哈佛 Mark1 号，IBM 1944 年做的。
继电器一秒最多 50 次开关。
继电器出 bug（bug 一词的来源）。
1904 年，热电子管出现。第一个真空管，改进后变成和继电器的功能一样。
“巨人 1 号”计算机在英国 布莱切利园 首次大规模使用真空管，但编程麻烦，还要配置。
1946 年，宾夕法尼亚大学的 ENIAC 是第一个通用可编程计算机。
1947 年，贝尔实验室做出了，晶体管，晶体管有诸多好处，IBM 很快全面转向晶体管。
硅谷的典故：很多晶体管和半导体的开发都是这里做的。而生产半导体最常见的材料是硅。
肖克利半导体 -> 仙童半导体 -> 英特尔。
一战，二战（运输能力），登陆其它星球计划，产生的复杂度的增高导致数据量暴增，需要更多自动化，更强的计算能力。柜子大小的计算机变成房间大小。（缺点：维护费用高，而且容易出错）
Mark1 号
最大机电计算机之一。
它有 76 万 5 千个组件，300 万个连接点和 500 英里（804.65 公里）长的导线。
为了保持内部机械装置同步，它有一个 50 英尺的传动轴，由一个 5 马力的电机驱动。
Mark1 号大脑是继电器（用电控制的机械开关）
1 秒能够做 3 次加法或减法运算。一次乘法要花 6 秒，除法要花 15 秒。比较复杂的操作，比如，三角函数，幂运算，可能要一分钟以上或者更久。
齿轮磨损，任何会动的机械都会随时间磨损。有些部件会完全损坏，有些则是变粘，变慢，变得不可靠，并且随着继电器数量的增加, 故障概率也会增加。
Mark1 号大概有 3500 个继电器。需要频繁更换继电器，有些运算需要好几天。
黑色的，温暖的机器也会吸引昆虫。
Bug 一词来源：1947 年 9 月，哈佛 Mark 2 号的操作员从故障的继电器中，拔出一只死虫。Grace Hopper 曾说：“从那时起，每当电脑出现了问题，我们就说它出了 bug（虫子）”
继电器
继电器里，有根“控制线路”，控制电路是开还是关，“控制线路”连着一个线圈，当电流流过线圈，线圈产生电磁场，吸引金属臂，从而闭合电路。继电器控制的电子。和开关水的水龙头相似。
这个控制电路可以连接到其它电路，比如：马达（作用：让计数齿轮 +1）。
缺点：继电器内的机械臂“有质量”，因此无法快速开关。
在 1940 年代一个好的继电器 1 秒能翻转 50 次。但是不足以解决复杂的大问题。
缺点：速度慢，齿轮磨损，难以维护。
真空管
在 1904 年，英国物理学家“约翰 安布罗斯 弗莱明”开发了一种新的电子组件，叫“热电子管”。把二个电极装在一个气密的玻璃灯泡里，这是世界上第一个真空管。
其中一个电极可以加热，从而发射电子，叫做“热电子发射”
另外一个电极会吸引电子，形成“电龙头”的电流。但只有带正电才行，如果带负电荷或中性电荷，电子就没办法被吸引，越过真空区域。因此没有电流。
二极管：电流只能单向流动的电子部件叫做“二极管”。
需求是：一个能开关电流的东西。而二极管只能做到开。
在不久之后的 1906 年，美国“李 德福雷斯特”，在“弗莱明”设计的两个电极之间，加入了第三个“控制”电极。
向“控制”电极施加正电荷，它会允许电子流动，但如果施加负电荷，它会阻止电子流动。
因此通过控制线路，可以断开或闭合电路和继电器的功能一样。但重要的是，真空管内没有会动的组件。
意味着损耗大大减低和每秒可以开闭数千次。
因此“三极真空管”成为无线电，电话，以及其它电子设备的基础。
计算机可能要上百个甚至上千个电气开关，造价非常昂贵。
缺点：它们很脆弱，会烧坏。意义：从机电转向电子
第一次大规模使用真空管的计算机是“巨人 1 号”，由工程师 Tommy Flowers 设计, 完工与 1943 年 12 月。“巨人 1 号”在英国的“布莱切利园”，用于破解通信。“巨人 1 号”有 1600 个真空管，总共造了 10 台巨人计算机，来帮助破解密码。“巨人 1 号”被认为是第一个可编程的电子计算机。编程方法是：把几百根电线插入插板（类似老电话交换机），虽然“可编程”，但还是要配置它。
ENIAC：
电子数值积分计算机“ENIAC”，几年后在 1946 年，在“宾夕法尼亚大学”完成建造。这是世上第一个真正的通用，可编程，电子计算机。
每秒可执行 5000 次十位数加减法。
真空管很多，所以故障很常见，运行半天左右就会出现一次故障
为了降低成本和大小，同时提高可靠性和速度，需要一种新的电子开关。
晶体管
1947 年，贝尔实验室科学家发明了晶体管，一个全新的计算机时代诞生。
晶体管的物理学相当复杂，涉及到量子力学。
晶体管图片：
它是一个开关，可以用控制电路来控制开或关。
晶体管有两个电极，电极之间有一种材料隔开它们，这种材料有时候导电，有时候不导电，叫做：半导体。
控制线连到一个“门”电极，通过改变“门”的电荷，可以控制半导体材料的导电性，来允许或不允许电流流动。
贝尔实验室的展示晶体管，每秒可以开关 10000 次。而且比玻璃制作，小心易碎的真空管。
晶体管是固态的
晶体管可以远远小于继电器或真空管。
生产半导体最常见的材料是硅。
如今，计算机里的晶体管小于 50 纳米，而一张纸的厚度大概是 10 万纳米，晶体管不仅小，还超级快，每秒可以切换上百次，并且能工作十几年。
布尔逻辑和逻辑门
什么是二进制, 为什么使用二进制，布尔逻辑。
3 个基本操作：NOT，AND，OR。
解释 3 个基本操作。
XOR 异或
开始抽象，不用管底层细节，把精力用来构建更复杂的系统。
二进制
计算机最早是机电设备，一般用十进制计数。比如：用齿轮数来代表十进制，再到晶体管计算机。
只用开 / 关两种状态也可以代表信息，叫做二进制。
为什么使用二进制：
只需要表示 true 和 false, 两个值就够了。电路闭合，电流流过，代表 ” 真 ”。二进制也可以写成 1 和 0, 而不是 true 和 false, 只是不同的表达方式。
晶体管的确可以确定不只是开 / 关，还可以让不同大小的电流通过。
只用“开”和“关”两种状态，减少难区分状态的情况。早期的三进制，三种状态，五进制，五种状态。问题是，状态越多，越难区分信号。干扰元素的存在，比如：手机快没电了或者附近有点噪音，因为有人在用微波炉，信号可能混在一起。而每秒百万次变化的晶体管会让这个问题变的更糟糕。所以把两种信号尽可能分开。
有一个整个数学分支存在，专门处理“真”和“假”，它已经解决了所有法则和运算，叫做布尔代数。
布尔，他有兴趣用数学式子，扩展亚里士多德基于哲学的逻辑方法，布尔用 逻辑方程 系统而正式的证明真理（truth）。在“常规”代数里，变量的值是数字，可以进行加法或乘法之类的操作，但在布尔代数中，变量的值是 true 和 false 能进行逻辑操作。
布尔代数中有三个基本操作：NOT，AND 和 OR
布尔逻辑
NOT：NOT 操作把布尔值反转，把 true 进行 NOT 就会变成 false, 反之亦然。
晶体管可以很容易实现 NOT 操作，晶体管只是电控制的开关。有 3 根线：2 根电极和 1 根控制线。控制线通电时，电流就可以从一个电极流到另一个电极。
1 根控制线作为 INPUT, 2 根电极作为 OUTPUT
可以把控制线，当作输入 (INPUT), 底部的电极，当作输出 (OUTPUT)。所以 1 个晶体管，有一个输入和一个输出。
如果打开输入（INPUT ON）输出也会打开（OUTPUT ON）因为电流可以流过。
如果关闭输入（INPUT OFF）输出也会关闭（OUTPUT OFF）因为电流无法通过。
改造成 NOT GATE：与其把下面那根线当作输出，可以把输出放到上面。如果打开输入，电流可以流过然后“接地”；输出就没有电流，所以输出是 OFF。用水来举例，就像家里的水都从一个大管子留走了，打开淋浴头一点水也没有。所以是输入是 on，输出是 off。
如果当输入是 off，电流没法接地，就流过了输出, 所以输入是 off, 输出是 on。
之所以叫做门，是因为它能控制电流的路径。
NOT GATE 画法：
三角形前面加一个圆点
AND：
AND 操作有 2 个输入，1 个输出。如果 2 个输入都是 true, 输出才是 true
为了实现 AND GATE, 需要 2 个晶体管连在一起。这样有 2 个输入和 1 个输出。
如果只打开 A，不打开 B，电流无法流到 OUTPUT, 所以输出是 false。如果只打开 B，不打开 A，也一样，电流无法流到 OUTPUT。只有 A 和 B 都打开了，OUTPUT 才有电流。
AND GATE 画法：用 D 表示
OR: 只要 2 个输入里，其中 1 个是 true, 输出就是 true。只有 2 个输入都是 false，OR 的结果才是 false。
实现 OR GATE 除了晶体管还要额外的线。不是串联起来，而是并联。然后左边这条线有电流输入，用“小拱门”代表 2 条线没有连接在一起，只是跨过而已。
如果 A 和 B 都是 off, 电流无法流过，所以输出是 off。如果打开 A，电流可以流过，输出是 on；如果只打开 B 也一样。如果 A，B 都 on，结果是 on。
A 和 B 都是 off 的情况：
只打开 A 或者，只打开 B 的情况：
OR GATE 画法：用太空船表示
XOR 异或
XOR 就像普通的 OR，但有一个区别：如果 2 个输入都是 true，XOR 输出 false。想要 XOR 输出 true，一个输出必须是 true，另外一个必须是 false。
用晶体管实现 XOR 门：使用 OR GATE, AND GATE, NOT GATE3 种门来做 XOR。
有 2 个输入，A 和 B，还有 1 个输出。
先放一个 OR 门，因为 OR 和 XOR 的逻辑表很像。
只有 1 个问题，当 A 和 B 都是 true 时，OR 的输出和想要的 XOR 输出不一样，需要的是 false，所以要加多个门。
如果加一个 AND 门，输入是 true 和 false, 输出会是 true，也不是所需要的，但如果在 AND 的输出加个 NOT 就可以把 true 翻转成 false 了。
最后加一个 AND 门，然后 AND 门的 2 个输入
分别来自 NOT 和最原始 OR,AND 会收到 false 和 true，因为 AND 需要两个输入都为 true, 都结果才是 true 所以输出是 false。
XOR 画法：
一个 OR 门 + 一个笑脸