電腦科學基礎
Bits (位), Bytes (位元組), 電晶體 , 邏輯閘 , 作業系統 , 虛擬現實 , 機器人
通過一層層的抽象，來做出複雜操作。
最底層的 1 和 0 , 到 邏輯閘 , CPU , 作業系統 , 網際網路 。
目的：
瞭解計算機在你的人生，以及社會中扮演什麼角色。
計算機是人類發展史上最偉大的發明，是怎麼開始的; 它對未來還會有更大印象。
Babbage 工作室外面的街頭音樂家很吵，很影響他幹活。
Babbage 於1871年去世，當時分析機還沒完成。
Carrie Anne 是追星族！
Lovelace 寫的分析機筆記是第一個演算法。
Ada Lovelace 是第一位計算機程式設計師。
Charles "計算機之父" Babbage 設計了第一個可程式設計計算機。
Tommy Flowers 和他的團隊在11個月內做出"巨像1號"。
"巨像"計算機是第一個可程式設計電子數碼計算機，建造出來是為了破解德國"洛倫茨"加密機。
圖靈的 Bomba 是電子機械密碼破解機，但不算第一臺計算機。
樹莓派是便宜的單板計算機，旨在推進計算機基礎學習。
Arduions 用於快速製作嵌入式裝置原型。
2016年7月， 7-11用 Flitey 無人機進行了美國第一次合法的無人機送貨。
計算機早期歷史
提到的裝置：算盤 -> 步進計算器 -> 差分機 -> 分析機 -> 打孔卡片製表機
Computer
Charles Babbage（計算機之父）說：“隨著知識的增長和新工具的誕生，人工勞力會越來越少”
打孔片製表機
- 用傳統機械來計數，結構類似萊布尼茨的乘法器，但用電動結構連線其它元件。
- 一種紙卡，上面有網格，用打孔來表示資料。
- 當卡插入Hollerith的機器時，小金屬針會到卡片上，如果有個地方打孔了，針會穿過孔，泡入一小瓶汞，聯通電路，電路會驅動電機。
計算機的價值：
可以提升勞動力以及資料密集型任務，來提升利潤。
滿足會計，保險評估和庫存管理等行業，Hollerith成立了製表機器公司，在1924年與其他機械製造商合併，成為了“國際商業機器公司”（簡稱IBM）
電子計算機
提到的裝置：繼電器 -> 真空管 -> 電晶體
- 20世紀的發展要求更強的計算能力。櫃子大小的計算機發展到房間大小。
- 哈佛 Mark1號，IBM 1944年做的。
- 繼電器一秒最多50次開關。
- 繼電器出bug（bug一詞的來源）。
- 1904年，熱電子管出現。第一個真空管，改進後變成和繼電器的功能一樣。
- “巨人1號”計算機在英國 布萊切利園 首次大規模使用真空管，但程式設計麻煩，還要配置。
- 1946年，賓夕法尼亞大學的ENIAC是第一個通用可程式設計計算機。
- 1947年，貝爾實驗室做出了，電晶體，電晶體有諸多好處，IBM 很快全面轉向電晶體。
- 矽谷的典故：很多電晶體和半導體的開發都是這裡做的。而生產半導體最常見的材料是矽。
- 肖克利半導體 -> 快捷半導體 -> 英特爾。
一戰，二戰（運輸能力），登陸其它星球計劃，產生的複雜度的增高導致資料量暴增，需要更多自動化，更強的計算能力。 櫃子大小的計算機變成房間大小。（缺點：維護費用高，而且容易出錯）
Mark1號
- 最大機電計算機之一。
- 它有76萬5千個元件，300萬個連線點和500英里（804.65公里）長的導線。
- 為了保持內部機械裝置同步，它有一個50英尺的傳動軸，由一個5馬力的電機驅動。
- Mark1號大腦是繼電器（用電控制的機械開關）
- 1秒能夠做3次加法或減法運算。一次乘法要花6秒，除法要花15秒。比較複雜的操作，比如，三角函式，冪運算，可能要一分鐘以上或者更久。
- 齒輪磨損，任何會動的機械都會隨時間磨損。有些部件會完全損壞，有些則是變粘，變慢，變得不可靠，並且隨著繼電器數量的增加,故障概率也會增加。
- Mark1號大概有3500個繼電器。需要頻繁更換繼電器，有些運算需要好幾天。
- 黑色的，溫暖的機器也會吸引昆蟲。
Bug 一詞來源：
1947年9月，哈佛Mark 2號的操作員從故障的繼電器中，拔出一隻死蟲。Grace Hopper曾說：“從那時起，每當電腦出現了問題，我們就說它出了bug（蟲子）”
繼電器
+1
缺點：速度慢，齒輪磨損，難以維護。
真空管
在1904年，英國物理學家“約翰 安布羅斯 弗萊明”開發了一種新的電子元件，叫“熱電子管”。把二個電極裝在一個氣密的玻璃燈泡裡，這是世界上第一個真空管。
- 其中一個電極可以加熱，從而發射電子，叫做“熱電子發射”
- 另外一個電極會吸引電子，形成“電龍頭”的電流。但只有帶正電才行，如果帶負電荷或中性電荷，電子就沒辦法被吸引，越過真空區域。因此沒有電流。
- 二極體：電流只能單向流動的電子部件叫做“二極體”。
需求是：一個能開關電流的東西。而二極體只能做到開。
在不久之後的1906年，美國“李 德福雷斯特”，在“弗萊明”設計的兩個電極之間，加入了第三個“控制”電極。
- 向“控制”電極施加正電荷，它會允許電子流動，但如果施加負電荷，它會阻止電子流動。
- 因此通過控制線路，可以斷開或閉合電路和繼電器的功能一樣。但重要的是，真空管內沒有會動的元件。
- 意味著損耗大大減低和每秒可以開閉數千次。
- 因此“三極真空管”成為無線電，電話，以及其它電子裝置的基礎。
- 計算機可能要上百個甚至上千個電氣開關，造價非常昂貴。
缺點：它們很脆弱，會燒壞。
意義：從 機電 轉向 電子
第一次大規模使用真空管的計算機是“巨人1號”，由工程師Tommy Flowers設計, 完工與1943年12月。“巨人1號”在英國的“布萊切利園”，用於破解通訊。“巨人1號”有1600個真空管，總共造了10臺巨人計算機，來幫助破解密碼。 “巨人1號”被認為是第一個 可程式設計的電子計算機 。
程式設計方法是：把幾百根電線插入插板（類似老電話交換機），雖然“可程式設計”，但還是要配置它。
ENIAC ：
電子數值積分計算機“ENIAC”，幾年後在1946年，在“賓夕法尼亞大學”完成建造。這是世上第一個真正的通用，可程式設計，電子計算機。
- 每秒可執行5000次十位數加減法。
- 真空管很多，所以故障很常見，執行半天左右就會出現一次故障
為了降低成本和大小，同時提高可靠性和速度，需要一種新的電子開關。
電晶體
1947年，貝爾實驗室科學家發明了電晶體，一個全新的計算機時代誕生。
電晶體的物理學相當複雜，涉及到量子力學。
電晶體圖片：
- 它是一個開關，可以用控制電路來控制開或關。
- 電晶體有兩個電極，電極之間有一種材料隔開它們，這種材料有時候導電，有時候不導電，叫做：半導體。
- 控制線連到一個“門”電極，通過改變“門”的電荷，可以控制半導體材料的導電性，來允許或不允許電流流動。
- 貝爾實驗室的展示電晶體，每秒可以開關10000次。而且比玻璃製作，小心易碎的真空管。
- 電晶體是固態的
- 電晶體可以遠遠小於繼電器或真空管。
- 生產半導體最常見的材料是矽。
如今，計算機裡的電晶體小於50奈米，而一張紙的厚度大概是10萬奈米，電晶體不僅小，還超級快，每秒可以切換上百次，並且能工作十幾年。
布林邏輯和邏輯閘
- 什麼是二進位制,為什麼使用二進位制，布林邏輯。
- 3個基本操作： NOT， AND， OR。
- 解釋3個基本操作。
- XOR異或
開始抽象，不用管底層細節，把精力用來構建更復雜的系統。
二進位制
計算機最早是機電裝置，一般用十進位制計數。比如：用齒輪數來代表十進位制，再到電晶體計算機。
只用 開/關 兩種狀態也可以代表資訊，叫做二進位制。
為什麼使用二進位制：
- 只需要表示
true和false,兩個值就夠了。電路閉合，電流流過，代表"真"。二進位制也可以寫成1和0,而不是true和false,只是不同的表達方式。 - 電晶體的確可以確定不只是開/關，還可以讓不同大小的電流通過。
- 只用“開”和“關”兩種狀態，減少難區分狀態的情況。早期的三進位制，三種狀態，五進位制，五種狀態。問題是， 狀態越多，越難區分訊號 。干擾元素的存在，比如：手機快沒電了或者附近有點噪音，因為有人在用微波爐，訊號可能混在一起。而每秒百萬次變化的電晶體會讓這個問題變的更糟糕。所以把兩種訊號儘可能分開。
- 有一個整個數學分支存在，專門處理“真”和“假”，它已經解決了所有法則和運算，叫做布林代數。
布林，他有興趣用數學式子，擴充套件亞里士多德基於哲學的邏輯方法，布林用 邏輯方程 系統而正式的證明真理（ truth ）。在“常規”代數裡，變數的值是數字，可以進行加法或乘法之類的操作，但在布林代數中，變數的值是 true 和 false 能進行邏輯操作。
布林代數中有三個基本操作： NOT ， AND 和 OR
布林邏輯
NOT：
NOT 操作把布林值反轉，把 true 進行 NOT 就會變成 false ,反之亦然。
電晶體可以很容易實現 NOT 操作，電晶體只是電控制的開關。
有3根線：2根電極和1根控制線。
控制線通電時，電流就可以從一個電極流到另一個電極。
1根控制線作為 INPUT , 2根電極作為 OUTPUT
可以把控制線，當作輸入( INPUT ),底部的電極，當作輸出( OUTPUT )。所以1個電晶體，有一個輸入和一個輸出。
如果開啟輸入（ INPUT ON ）輸出也會開啟（ OUTPUT ON ）因為電流可以流過。
如果關閉輸入（ INPUT OFF ）輸出也會關閉（ OUTPUT OFF ）因為電流無法通過。
改造成 NOT GATE ：
與其把下面那根線當作輸出，可以把輸出放到上面。
如果開啟輸入，電流可以流過然後“接地”；輸出就沒有電流，所以輸出是 OFF 。用水來舉例，就像家裡的水都從一個大管子留走了，開啟淋浴頭一點水也沒有。所以是輸入是 on ，輸出是 off 。
如果當輸入是 off ，電流沒法接地，就流過了輸出, 所以輸入是 off ,輸出是 on 。
之所以叫做 門 ，是因為它能控制電流的路徑。
NOT GATE 畫法：
三角形前面加一個圓點
AND：
AND 操作有2個輸入，1個輸出。
如果2個輸入都是 true ,輸出才是 true
為了實現 AND GATE ,需要2個電晶體連在一起。這樣有2個輸入和1個輸出。
如果只打開A，不開啟B，電流無法流到 OUTPUT ,所以輸出是 false 。
如果只打開B，不開啟A，也一樣，電流無法流到 OUTPUT 。
只有A和B都打開了， OUTPUT 才有電流。
AND GATE 畫法：
用D表示
OR:
只要2個輸入裡，其中1個是 true ,輸出就是 true 。
只有2個輸入都是 false ， OR 的結果才是 false 。
實現 OR GATE 除了電晶體還要額外的線。不是串聯起來，而是並聯。
然後左邊這條線有電流輸入，用“小拱門”代表2條線沒有連線在一起，只是跨過而已。
如果A和B都是 off ,電流無法流過，所以輸出是 off 。
如果開啟A，電流可以流過，輸出是 on ；如果只打開B也一樣。
如果A，B都 on ，結果是 on 。
A和B都是 off 的情況：
只打開A或者，只打開B的情況：
OR GATE 畫法：
用太空船表示
XOR異或
XOR 就像普通的 OR ，但有一個區別：
如果2個輸入都是 true ， XOR 輸出 false 。
想要 XOR 輸出 true ，一個輸出必須是 true ，另外一個必須是 false 。
用電晶體實現 XOR 門：
使用 OR GATE , AND GATE , NOT GATE 3種門來做 XOR 。
- 有2個輸入，A和B，還有1個輸出。
- 先放一個
OR門，因為OR和XOR的邏輯表很像。 - 只有1個問題，當A和B都是
true時，OR的輸出和想要的XOR輸出不一樣，需要的是false，所以要加多個門。 - 如果加一個
AND門，輸入是true和false,輸出會是true，也不是所需要的，但如果在AND的輸出加個NOT就可以把true翻轉成false了。 - 最後加一個
AND門，然後AND門的2個輸入
分別來自 NOT 和最原始 OR , AND 會收到 false 和 true ，因為 AND 需要兩個輸入都為 true ,都結果才是 true 所以輸出是 false 。
XOR 畫法：
一個 OR 門 + 一個笑臉
