第一节 计算的由来

计算机器的起源

大概在公元前550年左右，中国人发明了算盘，这是世界上最早用于计算的机器。通过一系列的口诀（规则）的组合，从而实现比较复杂的计算。比如词语“三下五除二”就来自于珠算口诀。

由手动到电动的飞跃

机器及计算方式里程碑：

• 约公元1世纪，中国古代数学家著《九章算术》
• 在1752年美国科学家富兰克林的风筝实验发现了电的存在
• 1831年英国科学家法拉第发现了电磁感应现象
• 1904年英国科学家弗莱明发明真空二极管
  • 能实现与门、或门计算
• 1906年美国发明家李·德福雷斯特发明真空三极管
  • 能实现非门计算
• 1946年美国研制出世界上第一台通用计算机埃尼阿克（ENIAC）
  • 二十七吨，占地170平方米
  • 它不是最早的电磁计算机
• 1947年美国贝尔实验室发明了晶体管
  • 相比二极管能极大节省体积
  • 为集成电路的发明打下基础
• 1958年德州仪器科学家研制出世界上第一块集成电路（芯片）
  • 沿用至今

与门、或门、非门

这三种门电路是计算机实现算术运算的基础。它们的特性为：

• 与门：两个输入端，均为高电平时，输出为高电平，否则为低电平
  • 表示：A&B -> Output
• 或门：两个输入端，任一为高电平时，输出为高电平，否则为低电平
  • 表示：A|B -> Output
• 非门：一个输入端，高电平输出低电平，低电平输出高电平
  • 表示：~A -> Output

我们将低电平用0表示，高电平用1表示，上面三者可以得出的结果：

• 与门：1&1->1　　1&0->0　　0&1->0　　0&0->0
• 或门：1&1->1　　1&0->1　　0&1->1　　0&0->0
• 非门：~1->0　　~0->1

这就是二进制计算的由来。

接下来对这三种门进行组合，组成更加复杂的们电路，参考 一文弄懂与门/或门/非门和组合逻辑电路 (opens new window)

截至目前，我们了解到了一位二进制数字的算术运算，更加复杂多位算术运算（比如32位、64位等）均由与或非门，通过各种复杂的组合，从而形成。

专用集成电路与通用集成电路

只能完成某个特定功能的集成电路叫专用集成电路；能录入不同程序处理不同种类任务的电路叫通用集成电路。个人电脑电路就是一种典型的通用集成电路，因为在电脑上能跑各种不同种类的软件。

CPU指令集

CPU指令集主要分两类，CISC（复杂指令集）与RISC（精简指令集）两大类。

Intel 系列CPU主要使用x86（IA32）指令集隶属CISC类别，同时也是目前PC使用最多的指令集。手机等移动设备主要使用ARM指令集。目前呼声最高但还没大规模使用的是RISC-V指令集。

其他计算体系

除了CPU外，还有GPU、TPU、NPU等等。不同计算体系具有不同的偏向性，分别适用于执行不同的计算任务。

这儿主要说说GPU。GPU意为图像处理单元。举个例子，1920*1080显示器显示3D景象时，假如使用4核8线程的CPU去执行，那么每个线程需要遍历259,200个像素，每个像素均通过3D世界模型中的数据计算据虚拟摄像机最近的像素点，将其显示。可以看到计算这样的任务非常复杂，它将导致FPS（每秒刷新帧数）降低。这时候，换成GPU，比如GTX 1080具有2560线程。假如用GPU执行，那么平均每个线程需要遍历810像素，可以看到每帧执行时间迅速缩短，将极大提高FPS。