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1.至親密友

1.1 編碼是什么?

• 一種用來在機器和人之間傳遞信息的方式
• 編碼就是交流

1.2 生活中的編碼方式:

• 聲音
  對任何能聽見我們的聲音并理解我們所說的語言的人來說,我們發(fā)出的聲音所形成的詞語是一種可識別的編碼.
• 書面語
• 手語
  聾啞人

1.3 為什么需要各種不同的編碼?

我們使用各種不同的編碼來為我們自己的交流服務,因為有些編碼有時比其他編碼更便捷.
如果一種編碼可以用在其他編程無法取代的地方,那么它就是一種有用的編碼.

1.4 那么人類如何與計算機溝通?

不同類型的信息需要它們各自的編碼.

1.5 如何增加溝通效率?

縮減編碼的數(shù)字為2.

為了使編碼發(fā)送的速度最快,你可以把

• 莫爾斯編碼口語版把講話內(nèi)容縮減到只剩下2個聲音.
• 文字簡化成點和劃

事實上,兩個不同的事物,只要經(jīng)過適當?shù)慕M合,就可以表示所有類型的信息.

2.編碼與組合

2.1 發(fā)展史：

莫爾斯編碼其實是伴隨著電報機的問世而被發(fā)明的。
正如通過研究莫爾斯碼我們可以很方便地理解編碼的本質(zhì)一樣，通過電報機來了解計算機硬件也是個不錯的途徑。

2.2 莫爾斯碼可以表示的字數(shù)：

點和劃的組合可以表示任何你想要的任意數(shù)目的碼字。

2.3 二進制碼：

莫爾斯碼也被稱作二進制碼（Binary Code），因為這種編碼的組成元素只有兩個————“點”和“劃”。
類似硬幣，只有正反面。
二元對象（like硬幣）和二進制碼（like莫爾斯碼）常常使用2的乘方來進行描述

2.4 組合分析

關(guān)于二進制編碼的分析工作，其實是數(shù)學的一個分支，稱作“組合學”或“組合分析”。
傳統(tǒng)意義上來說，因為組合分析涉及類似像扔硬幣，擲骰子等需要對其組合數(shù)目進行推算的問題，所以它經(jīng)常被應用到概率和統(tǒng)計學中。

3.布萊葉盲文與二進制碼

3.1 布萊葉盲文是什么？

3.2 布萊葉盲文特點？

數(shù)字標示符和取消“數(shù)字標示狀態(tài)”的字母標示符，改變了后面編碼的意義（字母->數(shù)字，數(shù)字->字母）。

這些編碼通常被稱為“優(yōu)先碼”（precedence codes）或者”換擋碼“（shift codes）。它們改變作用域內(nèi)編碼的含義，直到作用域結(jié)束

代碼大全2 里面有提到作用域，作用域就像變量在程序中的知名度

逃逸碼（escape codes） ：讓你“逃離”對編碼串單調(diào)的，一成不變的解析，而轉(zhuǎn)入一種新的解析方式中。

3.3 盲文與Binary Code有啥聯(lián)系？

盲文中的點碼都是二進制的。一個單獨的點不是平的就是凸起的。

4.手電筒的剖析

4.1 一些原理：

• 研究電流工作原理的、最主流的科學理論叫做“電子理論”，這套理論認為電流是由電子的運動而產(chǎn)生的。
• 電流產(chǎn)生的原因：一個原子中電子的數(shù)目一般情況下與質(zhì)子數(shù)目相同。但在某些情況下，電子可能從原子中脫離。
• 電路中，某原子所含有的一個電子逃逸到它相鄰的下一個原子中，與此同時，這個原子又從相鄰的上一個原子中獲取一個電子，而失去電子的原子又會從與其相鄰的一個原子獲得電子，如此循環(huán)，電路中的電子不斷地從一個原子移動到下一個原子，就形成了電流。

4.2 手電筒與二進制的聯(lián)系？

• 開關(guān)：閉合&斷開
• 電流：有&無
• 燈泡：亮&不亮
  就像二進制碼一樣，沒有介于兩者之間的狀態(tài)。
  二進制碼與電氣電路之間有很大的相似性。

5.繞過拐角的通信

5.1 與鄰居的微型發(fā)報系統(tǒng)：

5.2 現(xiàn)實難題：如何做出很長的導線？

在150年前，人們在鋪設(shè)第一個跨越美洲和歐洲的電報系統(tǒng)時，這些都是面臨的問題。如果忽視了線路直徑和高電壓的因素，電報線路將完全無法持續(xù)工作。
根據(jù)設(shè)計方案，系統(tǒng)距離跨度的極限是200英里。這個長度與紐約和加利福尼亞數(shù)千里的距離相比，還是有很大差距的。

茨威格《人類群星閃耀時》里面鋪海底電纜那個？

這個難題的解決方案——不是給手電筒，而是給“滴滴答答”的近代電報系統(tǒng)的————盡管它只不過是個很簡陋的裝置，但是正是基于這個裝置，整個計算機系統(tǒng)才被構(gòu)建出來。

6.電報器與繼電器

6.1 通訊的歷史背景：

19世紀早期，人們可以進行即時通訊或遠距離通信，但是不能同時做到這兩點。即時通訊受聲音傳播距離的限制，或者受視野的限制。使用信件可以進行更遠距離的通信，但是寄信耗費的時間太多，并且需要馬匹、火車或輪船。

6.2 怎么提高遠距離通訊的速度？

使用電報（telegraph，遠距離書寫）

6.2.1 電報機的原理：

在線路的這一端采取一些措施，使線路的另一端發(fā)送某種變化。

理論基礎(chǔ)：

• 利用電磁現(xiàn)象。
• 電磁鐵是電報機的基礎(chǔ)。
  在線路的一段閉合或斷開開關(guān)，可以使線路另一端的電磁鐵有所動作。

6.2.2 傳統(tǒng)電報機中發(fā)送信息的電鍵：

6.2.3 傳統(tǒng)電報機中的接收器：

6.2.4 電報機模型：

電報機的發(fā)明標志著現(xiàn)代通信的開始。
人們第一次能夠在視線或者聽力之外的距離范圍進行實時交流，而且信息傳遞速度很快。
更耐人尋味的是，這個發(fā)明使用了二進制碼。
但是在后來的電子和無線通信（包括電話、無線電、電視）所使用的通信模式中，二進制碼被廢棄了，
直到后來它又被應用在了電腦、光盤、數(shù)字影碟、數(shù)字衛(wèi)星電視廣播和高清電視上。

6.3 怎么解決長導線帶來的大電阻的問題？

設(shè)置一個中繼系統(tǒng)。

6.3.1 中繼系統(tǒng)原始模型：

6.3.2 繼電器：

繼電器是一個意義非凡的設(shè)備。
它是一個可由電流控制的開關(guān)。
實際上，使用它，甚至可以裝配好一臺近乎完整的計算機來~

6.3.3 中繼系統(tǒng)最終模型：

在使用繼電器之前還要學會如何計數(shù)。

7.我們的十個數(shù)字

語言只不過是一種編碼。
數(shù)字似乎并不是那么容易隨文化的不同而改變。
數(shù)字是我們平常所能接觸到的一種最抽象的編碼。

十進制系統(tǒng)：

大多數(shù)文明都是建立在以10為基數(shù)的數(shù)字系統(tǒng)上的（有時候是以5為基數(shù)）

在這個意義上，以10為基數(shù)或使用十進制數(shù)字系統(tǒng)完全是隨意的。

如今我們所用的數(shù)字系統(tǒng)通常被稱為阿拉伯數(shù)字，也可以稱為印度-阿拉伯數(shù)字系統(tǒng)。

阿拉伯數(shù)字系統(tǒng)的特點

• 數(shù)字和位置有關(guān)：一個數(shù)字的位置不同，其代表數(shù)量也不同。
• 沒有代表10的專門符號
• 多了新符號“0”

十進制計數(shù)系統(tǒng)易于計數(shù)，但是不適用于每種情況，比如對卡通人物沒有任何意義。

8.十的替代品

8.1 八進制系統(tǒng)：

8.2 四進制系統(tǒng)：

8.3 二進制系統(tǒng)：

• 二進制最大的問題就是數(shù)字用完得很快。
• 二進制數(shù)的長度增長得很快而非數(shù)值增大得快。

通過將數(shù)字系統(tǒng)減少至只有0和1兩個數(shù)字的二進制數(shù)字系統(tǒng)，已經(jīng)是最簡單的數(shù)字系統(tǒng)了。

二進制數(shù)字系統(tǒng)在算術(shù)與電子技術(shù)之間搭起了一座橋梁。

• 電線：有電則1，無電則0

二進制數(shù)與計算機之間有著緊密的聯(lián)系。

9.二進制數(shù)：

你可以選擇很多方法來表示“是”或者“不是”。
不需要用一句話、一個單詞甚至一個字母來表達。
你需要的是一個比特，也就是只需要一個0或1即可。

就如前面提到的，十進制與其他數(shù)字系統(tǒng)相比并沒有什么不同，只是我們通過使用它來計數(shù)。

但是，二進制系統(tǒng)有特殊性：

• 它是人們所能得到的最簡單的數(shù)字系統(tǒng)

9.1 bit的意義：

本義：

• bit(比特)代表binary digit(二元數(shù)字)

一般的意義：

• “一小部分，程度很低或者數(shù)量很少”

1bit ———— 一個二進制數(shù)字位 ———— 確實是一個非常小的量。

在計算機時代里的意義：

• bit被看做是組成信息塊的基本單位

9.2 為什么要用二進制數(shù)來傳達信息？

二進制數(shù)不是傳達信息的唯一方法。字母、單詞、莫爾斯碼、布萊葉盲文和十進制數(shù)均可以。

關(guān)鍵：

• bit所傳遞的信息量極少
• 1bit 是可能存在的最小的信息量，任何低于1bit內(nèi)容都根本算不上是信息。

信息是指多個可能性中的一種。
所有可以被轉(zhuǎn)換成對兩種或多種可能性的選擇的信息，都可以用比特來表示。

利用二進制表示信息的一個額外的好處：

• 我們可以清楚地知道我們是否已經(jīng)想到了所有的可能性

9.3 bit在日常的體現(xiàn)：

通用產(chǎn)品代碼（UPC，Universal Product Code）：

整個UPC只不過是一串95位二進制數(shù)。

9.4 bit的總結(jié)：

bit可以表示文字、圖片、聲音、音樂、電影，產(chǎn)品編碼、膠片速度、影評結(jié)果、英國軍隊的入侵，以及心愛之人的意圖。
但是，從根本來說，bit是數(shù)字。

在用Bit表示其他信息的時候，我們所要做的就是計算有多少種可能性。
這決定了我們需要的比特位數(shù)，以便每種可能性都可以分配到一個編號。

bit在邏輯學中也很重要。
邏輯學是哲學和數(shù)學的奇特融合，其主要目的就是確定某個陳述是真（1）還是假（0）。

10.邏輯與開關(guān)

10.1 布爾代數(shù):

對于古希臘人而言,邏輯是追求真理的過程中使用的一種分析方法,是一種哲學形式.

而布爾認為可以找到一種數(shù)學形式來描述邏輯,因此發(fā)明了布爾代數(shù).

布爾把代數(shù)從數(shù)的概念中抽離出來使其更加抽象
在布爾代數(shù)中,操作數(shù)不是數(shù)字而是類(class)
一個類就是一個事物的群體,后來也被稱為集合(set)

10.1.1 布爾代數(shù)的符號:

+: 表示兩個集合的并集
x : 表示兩個集合的交集
1 : 全集
0 : 空集

10.1.2 布爾代數(shù)與傳統(tǒng)代數(shù)的最大區(qū)別:

F x F = F

• 布爾代數(shù):
  母貓和母貓的交集依然是母貓
• 傳統(tǒng)代數(shù):
  該式子不成立

10.2 布爾代數(shù)與電路的聯(lián)系:

布爾代數(shù)可以用開關(guān),導線和燈泡組成的電路來實現(xiàn).

10.2.1.AND運算---串聯(lián)電路

10.2.2.OR運算---并聯(lián)電路:

10.3 歷史背景:

在19世紀,沒有人將布爾代數(shù)中的AND和OR同線路中的開關(guān)串聯(lián)及并聯(lián)關(guān)聯(lián)到一起.
甚至連計算機革命的偶像式人物查爾斯-巴貝奇也沒有,他與布爾處在同一時代并且了解布爾的工作.巴貝奇先設(shè)計了差分機和分析引擎,這些在一個世紀之后都被看做是現(xiàn)代計算機的前身.
其實可以根據(jù)一臺電報器來創(chuàng)建計算機,而非使用齒輪和杠桿來實現(xiàn)計算.

11.門

繼電器像開關(guān)一樣,可以串聯(lián)或并聯(lián)在電路中執(zhí)行簡單的邏輯任務.
這種繼電器的組合叫做邏輯門(logic gate).

邏輯門:

邏輯門的工作方式是什么?

讓電流通過或者阻止電流通過.

布爾代數(shù)與電路的關(guān)系:

香農(nóng)清晰闡述了: 電子工程師可以運用布爾代數(shù)的所有工具去設(shè)計開關(guān)電路.如果你簡化了一個描述電路的布爾表達式,那么你也可以簡化相應的電路.

每個開關(guān)都是一個二進制數(shù).

繼電器:

• 繼電器是什么?
  繼電器像開關(guān)一樣,可以串聯(lián)或并聯(lián)在電路中執(zhí)行簡單的邏輯任務.這種繼電器的組合叫做邏輯門(logic gate)

• 繼電器的優(yōu)點:
  繼電器可以被其他繼電器所控制,而不必由人工控制.

連接繼電器是建立邏輯門的關(guān)鍵.

四種基本邏輯門

1.與門 AND:

兩個繼電器的串聯(lián)被稱為一個'與門'.

• 電路:

  
  
  

• 符號:

三輸入端與門:

3個繼電器的串聯(lián)---三輸入端與門

• 電路:

• 符號:

2.或門 OR :

2個繼電器的并聯(lián)---或門
任何一個繼電器有電壓都可以點亮燈泡.

• 電路:

  
  
  

• 符號:

  
  
  

3. 或非門　NOR:

結(jié)果與或門相反

• 符號:

  
  
  

• 輸出表:

全0為1,其余為0

4. 與非門 NAND:

和與門相反

• 符號:

• 輸出表:

反向器(inverter):

開關(guān)閉合,燈泡就熄滅.

• 電路:

• 符號:

• 作用:
  能將0(低電平)轉(zhuǎn)換成為 1 (高電平)

2-4譯碼器:

由4個與門和2個反向器連接成的電路叫做2-4譯碼器

• 輸入:
  2個二進制位,各種組合共表示4個不同的值

• 輸出:
  4個信號,任何時刻只能有一個是1 ,至于哪個是1取決于兩個輸入.

• 電路:

緩沖器(buffer) :

將4個邏輯門和1個反向器組合在一起,就是原始的繼電器.
也稱為緩沖器.

• 符號:

• 輸入輸出:

• 作用:
• 輸入信號很微弱的時候,可以加強信號
• 延遲信號(繼電器需要幾分之一秒才會被觸發(fā) )

摩根定律:

1. 摩根定律是什么?

關(guān)于命題邏輯規(guī)律的一對法則

2. 摩根定律的表達式?

3. 兩組等價關(guān)系:

這兩組等價關(guān)系就是摩根定律在電路中的實現(xiàn)

4. 摩根定律與布爾代數(shù)的關(guān)系:

摩根定律是**簡化布爾表達式的一種重要手段,因此也可以用來簡化電路

12. 二進制加法器

加法是算術(shù)運算中最基本的運算,如果想搭建一臺計算機,首先就要造出可以計算兩個數(shù)的和的器件.

12.1 二進制的加法法則:

帶有前導零的形式.每個結(jié)果都是2位的值.

• 加法位(sum bit):

• 進位位(carry bit):
  1+1=0,進位為1

12.2. 8位加法器真實模型:

范圍:0000-0000到1111-1111 即十進制的0到255

12.3 加法器中的電路設(shè)計:

12.3.1 半加器(half adder):

• 為什么叫半加器:
  半加器可以將2個二進制數(shù)相加,得出一個加法位和一個進位位.但是絕大多數(shù)二進制數(shù)是多與1位的.
  半加器沒有做的是: 將之前一次的加法可能產(chǎn)生的進位位納入下一次運算.

• 對照:

  
  
  
  
  
  

• 電路:

  
  
  

• 符號:

  
  
  

12.3.2 全加器(Full Adder):

• 電路:

• 符號:

12.3.3 8位加法器:

• 模型:

12.3.4 16位加法器:

模型:

12.3.5 優(yōu)化:

• 更快的加法器運用了被稱為'前置進位'的電路來提高運算速度.
• 晶體管取代繼電器.

13. 如何實現(xiàn)減法

14. 反饋與觸發(fā)器

15. 字節(jié)與十六進制

16. 存儲器組織

17. 自動操作

18. 從算盤到芯片

19. 兩種典型的微處理器

20. ASCII碼和字符轉(zhuǎn)換

21. 總線

22. 操作系統(tǒng)

23. 定點數(shù)和浮點數(shù)

24. 高級語言與低級語言

25. 圖形化革命