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计算机简史
1935年代#xff0c;英国数学家图灵(Alan Turing)提出“图灵机”#xff0c;奠定了计算机的理论基础。
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60年代…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 GB13000-1993GB18030-2000) 。
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
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。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。指令由操作码和地址码组成。通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。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。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。
“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。“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”。
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 。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。“自我修复” 的机能可靠性非常之高经久耐用具有“半永久性”。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。 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。 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000001010011100101110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 (CISCComplex 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 (RISCReduced 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
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。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
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。需求分析详细分析并确定软件需要实现的功能。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。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。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。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
程序 算法 数据结构程序的要素 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
赋值运算语句实现计算或存储。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。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(OSOperating System)是一个大型的系统程序。
设计操作系统主要目的
为使用计算机提供一个良好、方便的环境保证计算机系统顺利执行对各个计算活动进行调度。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
人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段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
数据库及其管理系统、软硬件支持、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。 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。 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。 户机/服务器数据库应用模式 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:
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 。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 。根据作用范围进行分类广域网 局域网 城域网 。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。
OSI的7层体系结构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
电子邮件(E-mail)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。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。万维网(World Wide Web)新闻组(Newsgroup/Usenet) 新闻组就是专题讨论组。电子公告牌BBS(Bulletin Board System)搜索引擎聊天系统ICQ/OICQ网上传呼机网上娱乐电子商务网络广告
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
感知能力思维能力学习能力自我适应能力
人类智能过程包含
信息描述和信息处理过程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:
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。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
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
物理符号系统假设纽厄尔和西蒙。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: 感知能力 思维能力 学习能力 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
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。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 。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
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。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。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。专家系统人工神经网络 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 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。 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
机器博弈研究对策和斗智方法。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。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
数字计算机发展为智能计算机实现计算机革命产业机器人发展为智能机器人实现机器人革命信息网络发展为智能网络实现网络革命。
