计算机科学原理

参考资料:点我

顾名思义，计算机是一种用于计算的机器。一切都是数据(包括图像、视频、程序、文档等)。

在底层，计算机以二进制运行，其原理是逻辑（应属于哲学） - 布尔代数 和开关理论相互作用的而成的。

简单地说，将电路的开关状态映射到数字 0 和 1 或者说是 逻辑上的 真(True) 和 假(False)。当然，物理、化学、数学等领域的突破共同推动了计算机的诞生。

计算设备的历史

• 公认最早的计算设备是在大约公元前发明的算盘 2500 美索不达米亚年(Mesopotamia)。
• 最早使用计算机一词的文献来自 1613 年的一本书，作者 Richard Braithwait, 他指的不是机器，而是职业(负责计算的人)。
• 德国戈特弗里德的步进计算器 · 莱布尼茨尼茨 1694 年。它是第一台可以加减乘除的机器，沿用 3 个世纪。
• Charles Babbage(计算之父) 于 1822 年写了一篇名为的论文 机械在天文和计算表中的应用。他提出了一种叫做差分机的新型机械装置。 1823 差分机年初建成，项目终于放弃了。
• 根据1991年的历史学家 Charles 草稿制作了差分机。在建造差分机时，Charles 构思了一台更复杂的机器，即分析机。
• 分析机是一种通用计算机，它可以做很多事情，不仅仅是一个特定的计算，它有内存，甚至是一个非常原始的打印机。虽然当时还没有完成，但自动计算机的跨时代概念预示着计算机程序的诞生。
• 英国数学家 Ada Lovelace 给分析机写了一个假想的程序，她说: 未来将诞生一种新的、强大的、专门用于分析的语言 Ada 被认为是世界上第一个程序员。
• 美国人口普查局发现了人口分析的需要 Herman Hollerith, 他发明了打孔卡制表机。他的机器是电动机械，用传统机械计数，结构类似莱布尼茨的乘法器，但与其他部件相连
• 为满足计算需要，Hollerith 制表机公司成立后 1924 每年与其他机械制造商合并 IBM (国际商业机械公司)。
• IBM 于 1944 最大的机电计算机之一 为二战联盟国建造哈佛马克一号。这台机器最早的用途之一是给曼哈顿计划跑模拟，这台机器的大脑是机械继电器(Mechanical Relay),继电器是由电控制的机械开关(电磁即电磁铁)。但是继电器中的机械臂质量高，不能快速开关，1940 一年一度的好继电器 1 秒可翻转 50 次。另一个问题是齿轮磨损。
• 1904 年，英国物理学家 约翰·安布罗斯·弗莱明发明了电子元件叫热电子管(thermionic valve)。在密集的玻璃灯泡中安装两个电极是世界上第一个真空管(vacuum tube)。其中一个电极可以加热，从而发射电子，即热电子发射，另一个电极吸引电子，形成电龙头的电流。电流只能单向流动的电子部件称为二次管(diode)。
• 1906 李，美国发明家·德富雷斯特在两个电极之间增加了第三个控制电极。向控制电极施加正电荷允许电子流动，而负电压阻止电子流动。即三极真空管(Triode Vacuum Tube)。持续半个世纪。真空管会烧坏。20世纪40年代，它的成本和可靠性有所提高，可用于计算机，标志着计算机从机电到电子。
• 第一台大规模使用真空管的计算机是巨人1号，由 Tommy Flowers 竣工于 1943 年。用于破解纳粹通信。
• 1941 年，Alan Turing 做台机电装置叫 Bombe,用于破解纳粹英格码通信加密设备。但严格来说，它不是计算机。
• 巨人被认为是第一台可编程电子计算机。
• 电子数值积分计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator)1946年，宾夕法尼亚大学建成。设计师是 John Mauchly 和 J. Presper Eckert。
• ENIAC 它是世界上第一个真正通用和可编程的电子计算机。
• 1950 真空管计算器真空管计算器达到了极限。美国空军 AN/FSQ-7 计算机于 1955年完成。是 SAGE 防空计算机系统的一部分。
• 1947 贝尔实验室科学家 John Bardeen, Walter Brattain, William Shockley晶体管的发明(transistor)。晶体管的物理学相当复杂，涉及量子力学。晶体管是固态的，远小于继电器或真空管。
• 1957 年发布的 IBM 608完全使用晶体管的电脑，消费者也可以购买。
• William Shockley 创立了肖克利半导体，里面的员工后来成立仙童半导体。
• 硅谷的员工成立后Intel：世界上最大的计算机芯片制造商。

存储单位:

中文单位	中文简称	英文单位	英文简称	进率
位	比特	bit	b	0.125
字节	字节	Byte	B	1
千字节	千字节	KiloByte	KB	2^10
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太字节	太	TeraByte	TB	2^40
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泽字节	泽	ZettaByte	ZB	2^70
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千亿字节	千亿字节	BrontByte	BB	2^90
亿字节	亿字节	NonaByte	NB	2^100
十亿字节	十亿字节	DoggaByte	DB	2^110
亿亿字节	亿亿字节	CorydonByte	CB	2^120

计算机负数用补码表示:每个取反后加一。

逻辑门：

1. 与门(and gate):

2. 或门(or gate):

3. 非门(not gate):

4. 异或门(Exclusive Or gate, XOR gate, EOR gate, ExOR gate):

5. 同或门(XNOR gate 或 equivalence gate, 也作异或非门)：

6. 与非门(NAND gate):

7. 或非门(NOR gate):

异或门，同或门，与非门，或非门由三个基本逻辑门组合而成。

用与或非实现异或门: