计算机导论

概述

计算机简史

1935年代，英国数学家图灵(Alan Turing)提出“图灵机”，奠定了计算机的理论基础。

1952年，冯·诺依曼确定了计算机由运算器、控制器、存储器、输入、输出等5部分组成（Von Neumann 体系结构）。

60年代后期，出现高级语言的发展、出现了进程的概念和分时操作系统。

80年代起，网络计算机系统的出现，支持了分布式信息处理。在计算机网络上进行信息处理的计算活动被称作分布式计算。

目前，支持高性能计算的计算机体系结构技术、并行与分布式算法、计算机网络与通信等成为发展方向。

计算机科学

计算科学：研究描述和变换信息的算法过程，包括理论分析、设计，效率分析、实现和应用系统的研究。

基本问题：什么能(有效地)自动进行，什么不能(有效地)自动进行。

计算机在各行各业的具体应用，叫计算机具体应用；
研究计算机应用与具体领域的共性理论、方法和技术的研究，称为计算机应用或计算机基本应用技术。

计算机学科的主要内容分为14个主领域：离散结构，程序设计基础，算法与复杂性，体系结构，操作系统，网络计算，程序设计语言，人—机交互，图形学和可视化计算，智能系统，信息管理，软件工程，社会和职业的问题，科学计算

计算机应用领域

计算机的分类：巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站。

计算机应用：科学计算（解决大量数学计算问题）、数据处理（计算机管理和操纵数据）、实时控制（生产过程参数控制）、计算机辅助设计和制造（发展为计算机集成制造系统）、人工智能（新兴边缘学科）、通信和文字处理（实现多种新技术）、多媒体技术（多种媒体形式）、网络技术与信息高速公路（实现数据通信和资源共享）、教育（辅助教学等）、军事（军队指挥、作战模拟等）。

计算机发展趋势：
巨型化，微型化，网络化，智能化。

信息表示与运算

数制、编码及运算

二进制数据单位

位（bit）：计算机最小单位，用 0 或 1 表示二进制数值。
字节（Byte）：基本存储单位，由 8 个二进制位构成，能表示 256 种状态。
字（Word）：由一个或多个字节构成，不同计算机字长不同。

算术运算和逻辑运算

算术运算：涉及原码、反码、补码等，包括 “加”“减”“乘”“除” 运算。

逻辑运算：逻辑变量有 “假”“真” 两个值（计算机内表示为 0 和 1），基本逻辑运算有 “与”“或”“非” 3 种。

西文信息的编码与表示

字符编码(Character Code)：用二进制编码来表示字母、数字以及专门的符号。

目前普遍采用ASCII(American Standard Code for Information Interchange)码，即美国信息交换标准代码。

中文信息的编码与表示

汉字字符集与编码：1980年我国颁布了《信息交换用汉字编码字符集——基本集》(GB2312-80， GB13000-1993，GB18030-2000) 。

汉字的输入：包括(1)数字编码、(2)拼音编码、(3)字形编码

汉字的机内码：是指计算机系统内部为存储、处理和传输汉字而使用的代码（双字节），简称内码，是汉字在设备或信息处理系统内部最基本的表达形式。

汉字的输出：如要显示或打印出来，必须把汉字的机内码转换成人们可以阅读的方块字形式（点阵字型库）。

复杂信息表示——数据结构

数据的逻辑结构：指数据元素之间的逻辑关系，与如何存储无关。

数据的存储结构：是指逻辑结构在计算机存储器中的实现。

数据的运算：是指在数据的逻辑结构上定义的操作算法。如：检索，插入，删除，更新和排序等。

线性结构 ：有且仅有一个终端结点和一个开始结点，并且所有结点都最多只有一个前驱结点和一个后续结点。如：线性表就是一个典型的线性结构。

非线性结构 ：可能有多个终端结点和多个开始结点，并且每个结点可能有多个前驱结点和多个后续结点。如：树形结构，树形结构就是典型的非线性结构。

计算科学与计算机基本工作原理

计算的概念

狭义（直观）的计算：
数的加减乘除；函数的微分、积分；微分方程的求解；定理的证明推导；等等。
计算的实质：从一个符号序列 A（输入）得出另一个符号序列 B（输出）。

广义的计算：
解决“一个问题有没有方法来解决”的问题。即什么能有效地自动进行？什么不能有效地自动进行？这就是“能行性”的问题。
因此要求：能够从符号序列 A 出发，在有限步内真正具体地求出符号序列 B。

可计算：在可以预先确定的时间和步骤之内能够具体进行的计算。
可计算的任务：“什么样的任务才是可计算的任务？”是计算机科学必须回答的最基本的问题。
这是关系到计算机能做什么、不能做什么。

计算模型：描述计算这一概念的一种抽象形式系统或数学系统。
可计算的任务：凡是抽象计算模型能够完成的任务，就是可计算的任务。

图灵机计算模型

图灵机：图灵提出的形式化的理想计算模型，为可计算理论奠定了基础。
给定符号序列 A，如果用图灵机能够得出对应的符号序列 B，那么从 A 到 B 就是图灵可计算的。
Church已经证明：图灵机、递归函数、λ演算和 Post系统这四种计算模型是等价的。可选择最合适的计算模型来确定一个任务是否可计算。

一条无限长的存储带：带上划上格子，每个格子中可以写一个符号；所有允许出现的符号属于一个预先规定好的字母表。
一个读写头：每次可以从带上读出一个符号；可以擦去或改写这个符号；读写头可以左移一格、右移一格或者保持不动。
一个控制器：控制器里存有一个程序（指令的序列）；控制器在每个时刻处于一定的状态，叫做机器状态；当读写头从带上读出一个符号后，控制器就根据这个符号和当时的机器状态，参照程序指挥读写头进行书写或者移动，并决定是否改变机器状态。

指令各部分的合作：
（1）在当前机器状态下
（2）判断读入的符号
（3）写一个符号
（4）控制读写头动作（ R右移；L左移；H不动 ）
（5）设置下一机器状态

操作基本、简单、机械、确定，可用机器实现。
运算结果由初始状态、输入、程序决定。
程序并非必须顺序执行。虽然可用线性顺序来表示程序指令序列，但程序的执行顺序可与表示顺序不同。（计算机语言的三种基本结构：顺序、选择(或分支)、循环）
Church已经证明：图灵机、递归函数、λ演算和 Post系统这四种计算模型是等价的。

冯•诺依曼(Von Neumann)结构

“存储程序”原理

程序 ：
计算机程序是指预先设定、能够在计算机系统中运行的指令集合。程序技术包括：设计、描述、构造、分析、测试和验证等方面。
“存储程序”原理
在计算机存储器存放数据和程序指令。按存储程序的首地址执行程序的第一条指令。以后就按照程序规定的顺序执行其它指令，直至程序结束执行。

冯·诺依曼结构

主要组成部分：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。

冯·诺依曼结构基本特点

1. 采用存储程序方式，程序和数据放在同一个存储器中，两者没有区别。指令同数据一样可以送到运算器进行运算，即由指令组成的程序是可以修改的。
2. 存储器是按地址访问的线性编址的唯一结构，每个单元的位数是固定的。
3. 指令由操作码和地址码组成。
4. 通过执行指令直接发出控制信号，控制计算机的操作。
5. 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都经过运算器。
6. 数据以二进制表示。

计算机系统组成

计算机系统：硬件系统和软件系统。
硬件系统：组成计算机的物理设备，即由电子器件、机械部件构成的具有输入、输出、存储、运算等功能的实体部件。
软件系统：计算机系统中的程序以及开发、使用和维护程序所形成的文档。

超越冯•诺依曼结构

并行计算

并行性：在同一时刻或在同一时间段内完成两种或两种以上的工作，并行性是指时间上的重叠。

同时性：两个或多个事件在同一时刻发生，如书法家左右手同时书写。
并发性：两个或多个事件在同一时间段内发生。

并行处理：提高计算机处理的并行性是提高计算机性能的措施之一。

1. “时间重叠”：多个处理过程在时间上互相错开，轮流使用一套硬件设备的各个部分，以加快硬件使用率，如流水线处理系统。
2. “资源重叠”：采用重复设置硬件设备的方法，使用多个资源最紧张的设备。如多处理器系统。

并行计算：利用并行计算机系统进行信息的并行处理。

内容主要包括并行计算方法、并行计算模型、并行算法、并行程序设计、并行测试程序、测试结构分析等等。其中，并行算法是研究重点。

生物计算机

研究发现，一些有机化合物的分子具备“开”和“关”两种电态功能，可以当成一个开关。进一步研究发现，蛋白质分子中的氢也具备“开”和“关”两种电态功能，因而可以把一个蛋白质分子当成一个开关。

从理论上说，只要用具有“开”和“关”功能的有机化合物分子或蛋白质分子作元件，就能制造 “蛋白质型”的计算机。有机物分子总是存在于生物体内，所以人们把这种有机物计算机称作“生物计算机”，或称作“分子计算机”。

1. 密集度高：可以达到现有半导体超大规模集成电路的10万倍 。
2. 速度快：分子逻辑元件的开关速度比目前的硅半导体逻辑元件开关速度高出1000倍以上。
3. “自我修复” 的机能：可靠性非常之高，经久耐用，具有“半永久性”。
4. 耗能小：有机分子的生物化学元件利用化学反应来进行工作，所需能量少，不存在元件发热的问题。

量子计算机

利用量子动力学规律（特别是量子干涉）实现信息处理。

1. 昆比特
   一个昆比特说明一个单粒子能存在于0或1的状态，或者同时存在于0和1的状态，这说明昆比特比比特可以表示的状态多。
   昆比特最简单的一个例子就是光子可沿两条路径传播。一条路径可以代表0，另一条路径可以代表1。当光束射向分光机时，光子能存在于两条路径的重叠态。
   量子平行：量子重叠态允许同时进行许种运算，可以大大减少计算时间。

2. 量子平行
   传统计算机存储器的共同特点和局限就是，在一个特定的时刻只能储存一个数字(如二进制数10)。
   相对而言，一个量子重叠态运行一个昆比特位同时储存0和1。两个昆比特位能同时储存所有的4个二进制数。三个昆比特位能储存8个二进制数000，001，010，011，100，101，110和111。
   量子计算机的威力：只用300个光子(或者300个离子等等)就能储存比这个宇宙中的原子数还多的数字，而且对这些数字的计算可以同时进行。

计算机硬件系统

现代计算机硬件系统包括：中央处理单元、存储系统和输入输出(I/O)系统3个主要组成部分，用系统总线把它们连接在一起，如图4.1所示。

中 央 处 理 单 元

组成
(1) 运算器
(2) 控制器

主要功能
(1) 指令控制
(2) 操作控制
(3) 时间控制
(4) 数据加工

运算器

运算器：数据加工处理部件，实现数据的算术运算和逻辑运算。

主要功能如下：
(1) 执行所有的算术运算。
(2) 执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。

基本逻辑构件：算术逻辑运算单元ALU、通用寄存器、累加器、多路转换器、数据总线等。

控制器

控制器：指挥和控制计算机各部件按一定时序协调操作。

主要功能如下：
(1) 取指令：根据指令在存储器中的存放地址，从存储器中取出指令。
(2) 执行指令：对指令进行译码分析，并按一定的时序发出执行该指令所需的一系列操作控制信号，控制运算器、存储器及输入/输出设备等部件进行动作。
(3) 取下条指令：执行完一条指令后，自动从存储器中取出下一条要执行的指令。

基本组成：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器、操作控制器等。

存储系统

通常采用三级存储器结构：
高速缓冲存储器(Cache)，主存储器(主存、内存)，辅助存储器(辅存、外存)

主存储器

主存储器：由半导体存储器构成，存储直接与CPU交换的信息。速度较高，但容量较小，价格高。

功能：实现存储单元的按“地址”读出或写入数据。

组成：存储体+外围电路（地址寄存器、地址译码驱动电路、数据寄存器、读/写放大电路和时序控制线路等）。

主要性能指标：存储容量、存取速度、每位价格和可靠性等。

随机存取存储器(RAM)
只读存储器(ROM)
掩模式ROM（出厂前一次光刻写入）
可编程只读存储器PROM（可写入一次）
可擦除可编程只读存储器EPROM （可多次檫写）

高速缓冲存储器(Cache)

高速缓冲存储器Cache：位于CPU与主存储器之间，弥补主存速度的不足。

辅助存储器

辅助存储器：用以存放系统软件、大型文件、数据库等大量程序与数据信息，它们位于主机范畴之外，常称为外存储器。

常用的存储体：磁带存储器、磁盘存储器和光盘存储器。

特点：
(1)存储容量大、可靠性高、每位价格低；
(2)记录信息可长期保存而不丢失；
(3)非破坏性读出，读写时不需要再生；
(4)缺点：存取速度较慢，机械结构复杂。

输入输出(I/O)系统

主机：CPU和主存储器构成了计算机的硬件主体。

输入输出(I/O)：实现主机机与外界之间进行联系的桥梁。

输入：程序、原始数据等信息要送入计算机；
输出：计算机的计算结果和各种控制信息要送出计算机，以便显示、打印或实现各种控制动作。

计算机输入输出设备

计算机输入输出设备：文字设备、图形设备、图像设备、语音设备等。
常用设备：显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描仪、绘图仪等。

输入输出设备接口

特点：
(1) I/O设备的工作速度远比主机慢，相差几个数量级。
(2) I/O设备采用的信息格式与主机内部的信息格式不同。
(3) I/O设备与主机各有自身的时钟和定时控制逻辑，无法取得同步。
基本功能：
(1) 识别地址码，即地址译码功能。
(2) 实现主机与I/O设备之间的通信联络控制，包括同步控制、设备选择、中断控制等。
(3) 实现数据缓冲。
(4) 能够将I/O设备的工作状态“记录”下来，并“通知”主机，为主机管理I/O设备提供必要的信息。
(5) 能够接受主机发来的各种控制命令，以实现对I/O设备的控制操作。
(6) 进行数据类型、格式等方面的转换。

输入输出控制方式

程序查询方式(Program Inquiry)
中断控制方式(Interrupt Control)
DMA方式(Direct Memory Access)
主要特点：
(1)在I/O设备与主存之间直接开辟了数据传送通道，因此当I/O设备与主存交换数据时，不需要经过CPU；
(2)数据交换以成批方式进行，一次交换一个数据块或一批数据；
(3)数据的交换由DMA控制器控制实现，而不是通过程序控制实现的。
输入输出处理机方式

计算机体系结构

计算机系统结构的概念

计算机系统的多级层次结构
在不同层次，计算机系统有不同定义。

研究内容：
指令系统 ，数据表示， 操作数的寻址方式 ，寄存器的构成定义 ，中断结构和例外条件 ，存储体系和管理，I/O结构，信息保护

精简指令集计算机系统

指令系统：程序设计者看到的机器的主要属性，是软硬件的主要界面，决定了计算机具有的基本功能。

复杂指令集和精简指令集:
（ 1）复杂指令集计算机 (CISC：Complex Instruction Set Computer)：为了增强指令的功能，在指令系统中引入了各种各样的复杂指令。通过增加硬件的复杂性提高计算机的性能。
（ 2）精简指令集计算机 (RISC：Reduced Instruction Set Computer)：尽量简化指令功能，重点实现使用频率高的指令（节省出空间给新增的寄存器和缓存），提高计算机的性能。

并行处理技术

并行性：在数值计算、数据处理、信息处理过程中可能存在某些可同时进行运算或操作的部分。开发并行性的目的是为了进行并行处理，以提高计算机系统求解问题的能力。

时间重叠、资源重复和资源共享是提高计算机系统并行性的3种常用方法。

并行性有两种含义：同时性、并发性。

水线处理工作原理：
(1)将计算机中各个功能部件所要完成的操作分解成若干个子过程，每个子过程可以和其他子过程同时进行。
(2)SISD：单指令流，单数据流 。

阵列处理工作原理：
(1)利用资源重复而非时间重叠，即在系统中设置多个相同的处理单元来开发并行性。
(2)利用同时性而非并发性，所有处理单元必须同时进行相同的操作。
(3)提高运算速度主要靠增加处理单元的个数。

数据流与指令流

总结：计算机硬件系统

一个完整的计算机系统由硬件和软件两部分组成。

硬件包括中央处理单元、存储器和I/O子系统3个主要组成部分，用系统总线把它们连接在一起 。

中央处理单元由运算器和控制器两部分组成。

存储器是计算机的记忆部件，用来存放人们编写的程序以及程序中所用到的数据、信息和中间结果。

I/O系统一般包括输入和输出两类设备。

系统总线将CPU、存储器和I/O设备连接起来，用来在各部分之间传送信息。

计算机系统结构反映了计算机系统的层次结构。

计算机软件系统

软件与软件工程

软件的概念及分类

裸机：没有装入任何软件的计算机。
软件：文档+程序。

软件分类：

1. 系统软件：参与构成计算机系统，提供给计算机用户使用，用于扩展计算机硬件功能，维护整个计算机硬件和软件系统，沟通用户思维方式、操作习惯与计算机硬件设备之间关系的软件。
2. 应用软件：为满足用户不同领域、不同问题的应用需求而设计和生产的软件。

软件危机与软件工程

软件危机：表现在软件的质量难以保证；软件成本的增长难以控制；软件开发的周期难以确定；软件的维护非常困难。

软件工程：研究大规模程序设计的方法、工具和管理的科学；运用系统的、规范的和可定量的方法来开发、运行和维护软件的系统工程。

软件≠程序

软件工程的特点：
(1) 软件是产品；
(2) 软件生产是按一定的规范进行的，其中包括组织机构、质量评审及科学方法等；
(3) 软件产品的维护与其他形式的程序有本质的不同。

软件工程的基本原则 ：
(1) 划分软件生命周期
(2) 进行阶段评审
(3) 编制软件文档
(4) 采用现代化程序设计技术

软件工程的基本目标 ：
在给定的时间和费用下开发出一个满足用户功能要求的、性能可靠的软件系统。

软件生命周期

1. 问题的定义及规划：软件开发方与需求方共同讨论，确定软件的开发目标及其可行性。
2. 需求分析：详细分析并确定软件需要实现的功能。
3. 软件设计：根据需求分析，对整个软件系统进行设计，如系统框架设计，数据库设计等。软件设计一般分为总体设计和详细设计。
4. 程序编码：将软件设计的结果转换成计算机可运行的程序代码。要求代码编写规范统一标准、代码结构良好、可读性高，易维护、运行效率高。
5. 软件测试：测试过程分单元测试、组装测试以及系统测试三个阶段。测试的方法主要有白盒法和黑盒法。
6. 运行维护：软件投入使用后，对软件进行维护。软件的维护包括纠错性维护（改正错误）和改进性维护（进一步适应用户的要求）两个方面。

程序设计及其语言

程序设计语言的分类

低级语言：包括机器语言(指令代码)和汇编语言(指令助记符)，它们都是面向机器的语言，用这种语言编制的程序只适用于某种特定类型的计算机。

高级语言：不倚赖某种特定的机器或环境，面向过程或面向问题。告诉机器“做什么”和 “怎么做” 。

算法与数据结构

1. 程序 = 算法 + 数据结构
2. 程序的要素
   程序由操作与控制结构两要素组成。
   (1) 操作：逻辑运算 ，算术运算 ，数据比较 ，数据传送
   (2) 程序的控制结构：顺序结构 ，选择结构 ，循环结构
   (3) 程序的特征：有穷性 ，确定性 ，可行性 ，输入 ，输出 。

常用算法：
枚举法（穷举法）：先确定答案的大致范围，然后在此范围内对所有可能的情况逐一验证，直到全部情况验证完毕。
迭代法：重复执行一组指令(或一定步骤)，在每次执行这组指令时，都从变量的原值推出它的一个新值。

数据结构：
数据结构：指数据之间的关系，包括逻辑结构、存储结构和数据运算。
逻辑结构：描述数据之间关系，分为线性和非线性结构。

程序语言与程序设计

高级语言的基本元素：
由基本符号所组成，可分为数、逻辑值、名字、标号和字符串等五大类。

高级语言中的表达式：
由基本符号和基本元素组成。
按表达式的运算结果可分为算术、逻辑和字符串表达式。

高级语言中的语句：
说明语言：说明或定义变量及函数等
可执行语句：

1. 赋值运算语句：实现计算或存储。
2. 结构控制语句：实现顺序、选择、循环流程控制，包括条件、转移、循环、函数调用和返回语句等。
3. 输入/输出语句：执行输入/输出。

语言处理程序

编译程序和解释程序的概念：
解释程序：对程序语言语句逐条解释执行。
编译程序：把一种语言(源语言)书写的程序翻译成另一种语言(目标语言)的等价的程序。

编译程序的功能：

编译过程：
词法分析阶段->语法及语义分析阶段->中间代码生成->代码优化->目标代码生成。

操作系统

操作系统的形成和发展

操作系统(OS：Operating System)是一个大型的系统程序。

设计操作系统主要目的：

1. 为使用计算机提供一个良好、方便的环境；
2. 保证计算机系统顺利执行，对各个计算活动进行调度。
3. 为程序的开发和执行提供一个良好、方便的环境；

可以从不同的角度，如操作系统的功能、操作系统可以支持的用户数和进程数、计算机的配置来对操作系统进行划分。

从系统功能的角度，一般把操作系统分为：
批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、个人计算机操作系统等。

从资源管理的观点来看，操作系统的功能可以分为五大部分：
处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理。

常用的几种操作系统

DOS (1.0——6.0——7.1 )
Windows (31/32/95/98/2k/xp/CE)
Unix、Linux (开源)
Elastos (中国863自主产权、构件化网络OS)
手机操作系统（Symbian、iOS、Android）
嵌入式操作系统（TinyOS）
其它

数据库系统

数据库系统发展阶段

1. 人工管理阶段
2. 文件系统阶段
3. 数据库系统阶段
4. 高级数据库系统阶段

数据库系统组成

一个完整的数据库系统包括：

1. 数据库及其管理系统、
2. 软硬件支持、
3. 数据库管理员

数据库管理系统（DBMS）

数据模型：数据模型是数据库技术的关键，至少包括数据结构、数据操作和完整性约束三个要素。
数据模型分类：根据数据结构类型，分为层次模型、网状模型、关系模型和面向对象模型等。
数据库系统类型：根据数据模型类型，分为层次数据库、网状数据库、关系数据库和面向对象数据库等。

常用关系数据库管理系统

在微型机上运行的数据库管理系统几乎全是关系型的，在我国运行较多的关系型数据库管理系统有INGRES、INFORMIX、UNIFY、DBASE、FOXPRO、DB2、ORACLE等。

数据库系统的应用模式

目前，数据库系统的应用主要有两种类型：
单用户数据库应用系统，多用户数据库应用系统。

1. 单用户DBMS应用模式：
   数据库管理系统DBMS运行在个人计算机上，又称为桌面(Desktop)DBMS。
   属于单用户的DBMS的主要产品有：Microsoft Access、Paradox、Fox系列和DBase系列。
   单用户的DBMS系统的功能，特别是在数据的一致性维护、完整性检查及安全性管理上是不严格的。

2. 集中式数据库应用模式：
   主机／终端结构是大型主机系统使用的结构，这种结构是以一台主机为核心，将操作系统、应用程序、DBMS、数据库等数据和资源均放在该主机上，所有的应用处理均由主机承担。每个与主机相连接的终端都是作为主机的一种I/O设备。
   由于是集中式的管理，主机的任何错误都有可能导致整个系统的瘫痪，因此对系统的主机的性能要求比较高，维护费用也较高。

3. 户机/服务器数据库应用模式：
   

4. 多层数据库应用模式：

   浏览器／WWW服务器／数据库服务器结构示意图

计算机网络系统

计算机通信与网络

通信

通信过程
通信控制器：负责数据终端(DTE)设备和通信线路的连接，完成数据缓冲、速度匹配、串并转换等。
信道：传输信号的通道，可以是有线或无线的传输媒体。
信号变换器：把通信控制器发出的信号转换成适合于在信道上传输的信号，反之，把从信道上接收的信号转换成通信控制器所能接受的信号。
信息交互方式：单工、半双工、全双工

计算机网络

计算机网络的发展:
1969年12月，因特网的前身——美国的ARPA网投入运行。
进入90年代，计算机技术、通信技术以及建立在计算机和网络技术基础上的计算机网络技术得到了迅猛的发展。
计算机网络在我国的发展也非常迅速。

计算机网络的用途:
数据通信、资源共享、分布处理。

计算机网络的分类:

1. 根据交换功能进行分类：电路交换 ，报文交换 ，分组交换，混合交换 。
2. 从网络的拓扑结构进行分类：集中式网络 ，分散式网络 ，分布式网络 。
3. 根据作用范围进行分类：广域网 ，局域网 ，城域网 。
4. 根据使用范围进行分类 ：公用网 ，专用网 。

网络的组成

网络的组成

计算机网络的组成 :
通信子网：把信息从一台主机传输到另一台主机，包括实现网络通信功能的设备及其软件的集合（ OSI体系中的位置是下三层， Internet体系结构以TCP/IP协议为核心，通信设备、网络通信协议、通信控制软件等属于通信子网)，为用户提供数据的传输，转接，加工，变换等 。
资源子网：负责全网的信息处理，为网络用户提供网络服务和资源共享功能，是各种网络资源（硬件、软件、数据信息）的集合。包括网络中所有的主机算计、I/O设备、终端，数据访问协议、网络软件和数据库等
各种协议：通信双方需遵守的规则和约定本文。

网络设备:
服务器(Server)：为运行在其它的计算机上的客户端程序提供某种特定服务的计算机。
工作站(Workstation，也称客户机) ：由服务器进行管理和提供服务的、连入网络的计算机，其性能一般低于服务器。
网络适配器（网卡）。
调制解调器(Modem)：提供通过电话拨号接入因特网的硬件设备。
集线器：局域网的星型连接点，是管理网络的最小单元。
网桥(Bridge)：工作于数据链路层，用于扩展网络的距离范围，并提高网络的性能、可靠性和安全性。

拓扑结构

网络拓扑结构：指用传输媒体互联各种设备的物理布局，包括设备的分布位置和连接方式。

常用网络拓扑结构类型：总线形、环形、星形和网状网络。
总线结构:

环形结构:

星形拓扑:

网状拓扑:

网络协议

网络协议：网络中为进行数据交换而建立的规则、标准或约定。

1. OSI的7层体系结构
2. TCP/IP协议
   1)应用层(与OSI的应用层、表示层和会话层对应)，
   2)传输层(与OSI的传输层对应)，
   3)网际层IP(与OSI的网络层对应)
   4)网络接口层(与OSI的数据链路层和物理层对应)。

OSI与TCP/IP体系结构的对比:

计算机网络的应用

1. 电子邮件(E-mail)
2. 文件传输(FTP)
   FTP采取“客户/服务器”方式，用户要在自己的本地计算机上安装FTP客户程序。FTP客户程序有字符界面和图形界面两种。
3. 远程登录(Telnet)
   远程登录就是用于从一个互联网站点登录到另一个站点的程序或命令。
4. 万维网(World Wide Web)
5. 新闻组(Newsgroup/Usenet)
   新闻组就是专题讨论组。
6. 电子公告牌BBS(Bulletin Board System)
7. 搜索引擎
8. 聊天系统
9. ICQ/OICQ网上传呼机
10. 网上娱乐
11. 电子商务
12. 网络广告

人工智能

概述

什么是智能

智能：是人类认识自然、改造自然的最高级工具和自身赖以存在、区别于其他低级动物的最本质特征。

智能：是知识与智力的总和。

知识：是一切智能行为的基础;
智力：是获取知识并运用知识求解问题的能力，即在任意给定的环境和目标的条件下，正确制订决策和实现目标的能力，它来自人脑的思维活动。

人类智能的含义：

1. 感知能力
2. 思维能力
3. 学习能力
4. 自我适应能力

人类智能过程包含：

1. 信息描述和信息处理过程
2. 知识描述和知识处理过程

人工智能

人工智能(Artificial Intelligence)至今没有统一的确定的定义，可以从两个方面来对其进行认识:

1. 顾名思义，人工智能就是用人工的方法在机器上实现的智能，也可以称为机器智能、模拟智能。
2. 从学科角度讲，人工智能是一门研究如何构造智能机器(或系统)，使它能够模拟、延伸、扩展人类智能的学科。

人工智能的发展历史

人工智能,正式诞生于1956年夏天。
人工智能：是一门计算机科学、控制论、信息论、语言学、神经生理学、心理学、数学、哲学等多种学科相互渗透而发展起来的综合性学科，

人工智能的思想自古今中外均有萌芽。
公元前900多年，我国有歌舞机器人传说的记载。
公元850年，古希腊就有制造机器人帮助人们劳动的神话传说。这说明人类自古就有人工智能的幻想。

人工智能的形成期

1956年夏季，在美国Dartmoth(达特默思)大学，由年轻数学助教J.McCarthy和他的3位朋友明斯基，罗彻斯特、香农共同发起，邀请IBM公司的摩尔和塞缪尔、MIT的塞尔夫里奇和索罗蒙佛以及RAND公司和卡内基工科大学的钮厄尔和西蒙等十人参加夏季学术讨论会，历时2个月。
在这次历史性的聚会上，第一次正式使用了“人工智能(AI)”这一术语，从而开创了人工智能的研究方向和学科。

在形成期，人工智能研究出现了一些较有代表性的工作(这个时期AI研究的主要方向是机器翻译、定理证明、博弈等)。
博弈同样是AI形成期的研究热点。

人工智能的萧条期

当人们进行了比较深入的工作后，发现人工智能研究碰到的困难比原来想像的要多得多。

1966年，在AI的发源地，美国政府按照“自动化语言处理咨询委员会(ALPAC)”的报告(又称黑皮书)宣布机器翻译研究失败，近期内不再搞MT。于是AI的形象大大降低，研究得不到支持。

人工智能的发展期

1977年，第五届国际人工智能联合会会议上，费根鲍姆(Feigenbaum)教授在一篇题为“人工智能的艺术：知识工程课题及实例研究”的特约文章中系统地阐述了专家系统的思想并提出“知识工程”的概念。

由于理论研究的成果(例如各种表示方法的研究)和计算机软、硬件的飞速发展，各种专家系统、自然语言处理系统等AI实用系统商业化进入市场并产生较大的经济效益和社会效益，展示了人工智能应用的广阔前景

日本的第五代机计划在世界范围内引起了强烈的反响。

80年代中期、后期，人们想研究通用的智能机器或专家系统的设想计划开始出现危机，碰到几个问题：

1. 智能系统的实时性以及与环境的交互性不尽人意，感知问题要解决很不容易，声音、图像、文字信息等多媒体信息处理也是个问题，而要模拟人的直觉、顿悟、灵感等智能就更难了；
2. 人工智能问题在规模扩大后有了新问题。

人工智能研究人员开始研究和解决AI的一系列关键技术问题。

人工智能的研究途径

功能模拟与符号主义学派

符号主义：认为人工智能起源于数理逻辑，人类认知(智能)的基本元素是符号(Symbol)，认知过程是符号表示上的一种运算。

有关理论：

1. 物理符号系统假设（纽厄尔和西蒙）。
2. 有限合理性原理（西蒙）。

代表性成果：1957年纽厄尔和西蒙等人研制的称为逻辑理论机的数学定理证明程序LT。

结构模拟与联结主义学派

联结主义(Connectionism)：
又称仿生学派(Bionicsism)或生理学派(Physiologism)，是基于神经网络及网络间的联结机制与学习算法的人工智能学派。

观点：
联结主义认为人工智能起源于仿生学，特别是人脑模型的研究。

代表性成果：
1943年由麦克洛奇和皮兹创立的脑模型，即MP模型。

行为模拟与行为主义学派

行为主义(Actionism)：
又称进化主义(Evolutionism)或控制论学派(Cyberneticsism)，是基于控制论和“感知-动作”型控制系统的人工智能学派。

观点：
认为人工智能起源于控制论，提出智能取决于感知和行为，取决于对外界复杂环境的适应，而不是表示和推理。

代表性成果：
布鲁克(Brooks)研制的机器虫。

典型研究途径的比较

符号主义、联结主义和行为主义特点的比较

人工智能的研究与应用领域

从能力角度理解的人类智能，包括:

1. 感知能力

2. 思维能力

3. 学习能力

4. 行为能力

   人工智能研究和应用的领域也可以从这四个方面来区分。

机器感知

1. 计算机视觉
   研究视觉信息获取、表达及处理，
   研究如何在视觉场景中识别物体。
2. 模式识别
   研究如何使机器具有感知能力的一个研究领域。
   主要研究对视觉模式、听觉模式的识别，图形与图像识别 ,语音识别 。
3. 自然语言理解
   研究用自然语言进行机器理解的分支。
   自然语言理解可看成是模式识别研究的自然延伸。

机器思维

1. 难题求解：
   解决没有算法解，或虽有算法解但在现有机器上无法实施或无法完成的困难问题，如游戏世界中的一些智力性问题。
2. 自动（机器）定理证明：
   利用机器的高速度和大容量，把数学证明定理的过程变成一系列能在计算机上自动实现的符号演算过程。
3. 自动程序设计：
   把用高级形式语言或自然语言描述的程序自动地转换成在计算机上可以执行的程序。
4. 专家系统
5. 人工神经网络 ：
   通过广泛并行互联大量的简单处理单元，构成的人工网络，模拟人脑神经系统的结构和功能。

机器学习

1. 机器学习
   是机器获取知识的根本途径。
   使计算机能够模拟或实现人类的学习功能。

2. 知识发现与数据挖掘
   在数据库的基础上，分析数据规律，实现知识发现。

机器行为

1. 机器博弈：研究对策和斗智方法。
2. 智能控制：指无需(或需要尽可能少的)人的干预、独立地驱动智能机器，实现其目标的自动控制。
3. 机器人：自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。

人工智能的发展与未来

人工情感：用人工的方法和技术，模仿、延伸和扩展人的情感，使机器具有识别、理解和表达情感的能力。情感是一种特殊的、更深刻的认知，具有更高的复杂性和多变性，因此人工情感必须建立在一定程度的人工智能的基础上。

广义的人工智能：人工智能、人工情感与人工意志。

人工智能的未来

1. 数字计算机发展为智能计算机，实现计算机革命；
2. 产业机器人发展为智能机器人，实现机器人革命；
3. 信息网络发展为智能网络，实现网络革命。