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| 編輯推薦： |
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以计算思维为主线。? 把计算思维具体化符号化思维、问题求解工程化思维、计算自动化思维、算法思维、协同计算思维和计算抽象化思维。? 把相关计算机信息技术纳入到相关思维中介绍，使学习者获得更高的视野和境界。
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| 內容簡介： |
本书以计算思维为主线，介绍计算机的基本原理和应用思想。书中将计算思维具体化为符号化思维、计算自动思维、问题求解工程化思维、算法思维、协同计算思维和计算抽象化思维，并组织成相应的6章。
书中把一般有关信息技术的知识、技术和方法，纳入到有关的计算思维中，作为实例介绍，让读者从更高层次上来认识和理解这些知识、技术和方法，以启发创新思维，进入一个更高境界。
本书深入浅出、思路清晰，可以作为计算机及其相关专业的导论性课程教材，也可作为高等理工科专业的计算机（信息技术）公共课教材，还可供有关培训班使用或供有关专业技术人员参考。
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| 關於作者： |
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张基温，知名学者，计算机教育家。先后担任名古屋大学访问学者，山西财经大学、江南大学、华东政法大学、华南农业大学珠江学院、常熟理工学院、福建工程学院、广西职业技术学院、晋城学院等多所大学的专职、客座或兼职教授，北京大学博雅方略城市发展与信息化研究中心研究员，南京大学出版社总编顾问，太原高新技术区IT研究院实验室主任，山西省紧缺人才专家委员会副主任，中国信息经济学会常务理事，全国高等院校计算机基础教育研究会常务理事兼课程建设委员会副主任，中国计算机学会教育专业委员会委员，国家NIT考试委员会委员，江苏省计算机基础教学指导委员会委员，山西省新世纪专家学者协会副会长。为清华大学出版社、电子工业出版社、中国水利水电出版社、南京大学出版社、中国铁道出版社等主编了信息管理与信息系统专业、计算机实验与实践、大学生信息素养等多个系列教材。研究和教学领域涉及计算机科学与技术、信息管理、信息经济学、电子政务与电子商务、服务科学，计算机基础教育，发表论文百余篇，已出版著作过百种。在计算机基础教育领域，最先编写了第一套计算机讲义，最先将Windows系统引入到计算机基础教学，最先将Web知识引进到计算机基础教学，最先倡导将计算机基础教育纳入到信息素养教育轨道，已经编写出版了计算机基础教材10本。
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| 目錄：
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目录
第1章 符号化可计算基础1
1.1 信息与符号1
1.1.1 信息1
1.1.2 符号1
1.1.3 八卦符号3
1.2 数值的0、1编码6
1.2.1 十进制数与二进制数6
1.2.2 基于二进制的运算规则6
1.2.3 二进制与十进制之间的转换8
1.2.4 原码、反码、补码和移码10
1.2.5 机器数的浮点形式与定点形式13
1.3 非数值的0、1编码14
1.3.1 声音的0、1编码14
1.3.2 图形图像的0、1编码16
1.3.3 文字的0、1编码19
1.3.4 指令的0、1编码与计算机程序设计语言22
1.4 抗干扰编码24
1.4.1 数据传输中的错误24
1.4.2 奇偶校验24
1.5 数字系统中的信息单位与量级26
1.5.1 数字系统中的信息单位26
1.5.2 数字系统中的数量级26
1.6 知识链接27
1.6.1 计数制27
1.6.2 用开关实现门电路28
习题131
参考文献134
第2章 计算自动化35
2.1 程序化计算工具35
2.1.1 程序控制的算盘35
2.1.2 程序控制的提花机36
2.1.3 Babbage计算模型37
2.1.4 计算机进入电气时代39
2.1.5 Neumann计算模型40
2.2 Neumann计算机组成41
2.2.1 计算机存储器41
2.2.2 计算机控制器45
2.2.3 总线48
2.2.4 主板53
2.3 计算机系统58
2.3.1 计算机管理程序化58
2.3.2 操作系统的功能结构59
2.3.3 现代计算机系统结构61
2.3.4 自动计算理论的再讨论62
2.4 计算性能及其评测62
2.4.1 计算机的主要性能指标62
2.4.2 计算机性能测试工具67
2.4.3 天梯图69
2.5 知识链接71
2.5.1 Neumann体系改进71
2.5.2 智能计算机75
2.5.3 人工神经元网络78
2.5.4 未来计算机元器件展望83
习题291
参考文献292
第3章 问题求解工程化94
3.1 面向过程的程序开发94
3.1.1 数据类型94
3.1.2 标识符及其声明96
3.1.3 表达式97
3.1.4 操作符与表达式求值规则100
3.1.5 语句及其流程控制102
3.1.6 组织过程106
3.1.7 库函数与头文件110
3.1.8 派生数据类型110
3.2 面向对象程序开发116
3.2.1 对象模型的建立和对象的生成116
3.2.2 对象的生成117
3.2.3 继承与聚合118
3.3 程序错误和异常120
3.3.1 程序错误和异常120
3.3.2 程序测试及其形式121
3.3.3 程序的结构测试122
3.3.4 程序的功能测试124
3.4 软件工程128
3.4.1 软件开发过程及其模型128
3.4.2 程序设计风格和规范130
3.4.3 软件开发工具与环境132
3.4.4 软件再工程135
3.4.5 复用技术对OO方法的支持137
3.5 知识链接139
3.5.1 领域工程139
3.5.2 软件能力成熟度模型139
习题3141
参考文献3142
第4章 计算之魂143
4.1 算法基础143
4.1.1 穷举143
4.1.2 迭代与递推144
4.1.3 递归146
4.2 模拟算法148
4.2.1 产品随机抽样148
4.2.2 用蒙特卡洛法求的近似值151
4.2.3 事件步长法中子扩散问题152
4.2.4 时间步长法盐水池问题155
4.3 数组元素的排序与查找158
4.3.1 直接选择排序159
4.3.2 冒泡排序161
4.3.3 二分查找162
4.4 常用算法设计策略164
4.4.1 分治164
4.4.2 回溯167
4.4.3 贪心策略171
4.4.4 动态规划174
4.5 算法综述176
4.5.1 算法及其要素176
4.5.2 算法的中间描述工具177
4.5.3 算法的特征182
4.5.4 算法评价183
4.6 知识链接184
4.6.1 数据结构184
4.6.2 文本压缩算法189
4.6.3 搜索引擎网页排序算法192
4.6.4 数据挖掘算法195
习题4200
参考文献4209
第5章 协同计算210
5.1 层次型协同210
5.1.1 计算机系统的层次协同210
5.1.2 计算机网络的7层标准模型：ISOOSI-RM211
5.1.3 计算机网络的事实标准：TCPIP IEEE 802214
5.2 时序控制型协同217
5.2.1 计算机微操作的时序控制217
5.2.2 通信中的时序控制219
5.2.3 TCP连接与释放223
5.3 中间代理型协同225
5.3.1 代理服务器225
5.3.2 IO接口227
5.3.3 中间件技术230
5.3.4 网络协同攻击232
5.4 资源相关型协同238
5.4.1 地址类协议239
5.4.2 认证类协议246
5.4.3 可靠传输协议248
5.4.4 竞争型资源共享253
5.4.5 基于优先权的资源共享256
5.4.6 封锁性资源共享260
5.5 知识链接263
5.5.1 并行计算263
5.5.2 普适计算267
5.5.3 服务计算268
5.5.4 计算机支持的协同工作269
5.5.5 决策支持系统270
5.5.6 物联网272
习题5276
参考文献5278
第6章 计算虚拟化279
6.1 计算虚拟化概述279
6.1.1 虚拟化：模式与优势279
6.1.2 计算虚拟化：特点与分布280
6.1.3 计算虚拟化的解决方案与实现技术281
6.2 CPU虚拟化282
6.2.1 指令重叠与流水282
6.2.2 VMM技术284
6.2.3 迁移技术285
6.3 存储虚拟化286
6.3.1 概述286
6.3.2 虚拟存储器287
6.3.3 Cache-主存机制289
6.3.4 基于VMM的内存虚拟化293
6.3.5 网络存储模式与云存储293
6.3.6 数据库的三级模式297
6.4 IO虚拟化299
6.4.1 IO虚拟化思路299
6.4.2 基于VMM的IO虚拟化300
6.4.3 虚拟现实300
6.5 桌面虚拟化304
6.5.1 桌面虚拟化及其发展304
6.5.2 桌面虚拟化技术构架305
6.5.3 桌面虚拟化应用模式306
6.6 网络虚拟化308
6.6.1 分组交换、虚电路与数据报308
6.6.2 信道的多路复用313
6.6.3 虚拟局域网VLAN317
6.6.4 虚拟专用网VPN318
6.6.5 交换机虚拟化320
6.6.6 服务器虚拟化322
6.7 云计算324
6.7.1 云计算及其特点324
6.7.2 云计算的服务形式325
6.7.3 集中云与分散云326
6.7.4 云计算其他相关技术327
6.7.5 云计算架构328
习题6329
参考文献6330
VII
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| 內容試閱：
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前言
1．中国高等学校计算机（信息技术）基础教育发展的3个阶段20世纪70年代中期，计算机应用之风吹进了中国大地，随之在大学中开设起了公共课形式的计算机普及课程。为了交流，由我国著名的天津大学许镇宇教授牵头，于1982年在庐山、1983年夏天在泰安连续两年召开了全国性的高校计算机普及教育研讨会。我当时也在兼任这方面的工作，参加了1983年在泰安举办的会议，并拿着自己编写的一套讲义与会展示、交流。这套讲义的内容包括二进制编码、逻辑运算基础、计算机组成、操作系统（以DOS为例）、数据库（DBASE）和BASIC程序设计。交流、展示后，受到许镇宇教授和与会代表的高度评价和赞誉。在当时计算机基础教育处于起步摸索的阶段，这套讲义被大家称为中国计算机基础教学的第一套教材。此后，正式出版的计算机基础教材陆续问世。按照泰山会议的共识，1984年全国高校计算机基础教育研究会在黄山成立。本人也以极大的热情参加了研究会的工作，并长期担任理事、常务理事、学术委员会副主任、课程建设委员会副主任、财经信息管理委员会副主任等职务，亲自见证并积极参与了中国高等学校计算机（信息技术）基础教育的研究与实践。纵观这个历程，大致可以分为3个阶段。1）面向信息（计算机）扫盲的计算机文化教育阶段我国高校的计算机基础教育是从普及的初衷起步的。那时，国外也大致如此。对此影响比较大的一件事是在1981年召开的第三届世界计算机教育会议上提出了计算机文化教育的观点。另一件事是联合国教科文组织关于文盲概念的标准的修改：在很长的时期内，人们把文盲定义为不识字的人；20世纪70年代，联合国教科文组织又把文盲界定为不认识现代信息符号、图标的人；之后又把文盲界定为不能应用计算机进行信息交流与管理的人。第三件事是20世纪80年代中后期开始的以信息高速公路建设为题的信息化热潮。第四件事是微软公司的Windows系统的问世。第五件事是Web技术的出现。伴随着这五件事情的发生，我国高等学校的计算机基础教育内容也不断更新，具体表现如下。（1）部分学校将计算机基础课程改称计算机文化信息技术，以此命名的教材开始大量出现。（2）在内容上不断完善，先后增加了文字处理（最初是金山的WPS）、计算机网络和多媒体技术。（3）在平台上，由DOS逐渐转向Windows。本人也作为那个时期的弄潮儿，抢先推出了介绍Windows及其应用的教材《计算机信息处理平台基础教程》（电子工业出版社，1997年，ISBN 978-7-505-34231-6）和《信息技术与信息化基础教程》（电子工业出版社，1998年，ISBN 978-7-505-34466-2）。随着信息化浪潮的推进，我国高校计算机基础教育走向成熟，开始向高层次发展。进入20世纪90年代中期，三层次教育的思路开始形成。1998年4月6日的《计算机世界》上，发表了全国高等学校计算机基础教育研究会组织的两个完整的改革方案：一个是理工类，另一个是非理工类。全国高等学校计算机基础教育研究会在1998年10月在南昌召开的全国年会上，正式推出了这两个面向21世纪的改革方案。我撰写了其中的《高校计算机基础教育改革方案（征求意见稿）（适合于非理工专业）》。我提出的三层次方案是公共基础层（面向各专业的公共基础课）、面向专业群的技术基础层和结合专业的专业技术层。配合这个方案，我编写了《大学计算机应用基础教程》（ISBN 7-03-006469-0）、《大学计算机应用实验教程》（ISBN 7-03-006298-1）、《大学计算机技术基础教程》（ISBN 7-03-006467-4）和《大学计算机技术实验教程》（ISBN 7-03-006468-2），于1999年7月由科学出版社出版。这套书的基本思想是将计算机基础分为技术和应用两部分，分别由主教材和实验教材两部分组成。之所以这样分割，是因为当时已经出现了从中学到研究生，计算机基础教学都是协同的内容、相同的面孔的局面。这套书率先启用了大学计算机的名称。可以说，它们是那个时期大学计算机的总结。这套书由谭浩强先生担任主编。2）面向信息素养的大学计算机教育阶段计算机基础教育的改革，不仅是内容的更新，更重要的是教育思想、教育理念的提升。1974年，美国信息产业协会主席Pau.lZurkowski率先提出了信息素养（Information Literacy）这一全新概念，并解释为利用大量的信息工具及主要信息源使问题得到解答的技能。1989年美国图书馆协会（American Library Association，ALA）下设的信息素养总统委员会在其年度报告中对信息素养的含义进行了重新概括：要成为一个有信息素养的人，就必须能够确定何时需要信息并且能够有效地查询、评价和使用所需要的信息。1992年，Doyle在《信息素养全美论坛的终结报告》中将信息素养定义为：一个具有信息素养的人，他能够认识到精确的和完整的信息是做出合理决策的基础，确定对信息的需求，形成基于信息需求的问题，确定潜在的信息源，制订成功的检索方案，从包括基于计算机和其他信息源获取信息、评价信息、组织信息于实际的应用，将新信息与原有的知识体系进行融合以及在批判性思考和问题解决的过程中使用信息。1998年，美国图书馆协会和教育传播协会制定了学生学习的九大信息素养标准，概括了信息素养的具体内容。标准一：具有信息素养的学生能够有效地和高效地获取信息。标准二：具有信息素养的学生能够熟练地和批判地评价信息。标准三：具有信息素养的学生能够有精确地、创造性地使用信息。标准四：作为一个独立学习者的学生具有信息素养，并能探求与个人兴趣有关的信息。标准五：作为一个独立学习者的学生具有信息素养，并能欣赏作品和其他对信息进行创造性表达的内容。标准六：作为一个独立学习者的学生具有信息素养，并能力争在信息查询和知识创新中做得最好。标准七：对学习社区和社会有积极贡献的学生具有信息素养，并能认识信息对民主化社会的重要性。标准八：对学习社区和社会有积极贡献的学生具有信息素养，并能实行与信息和信息技术相关的符合伦理道德的行为。标准九：对学习社区和社会有积极贡献的学生具有信息素养，并能积极参与小组的活动探求和创建信息。可以看出，美国提出的信息素养概念包括3个层面：文化层面（知识方面）、信息意识（意识方面）和信息技能（技术方面）。古人云：马不伏历（枥），不可以趋道；士不素养，不可重国（《汉书李寻传》）。在人类社会发展的历史长河中，素养（Accomplishment）是一个永恒的话题。何谓素养？其实非常简单：素即素质（Quality），养即教养。所以，素养就是人的素质和教养。然而，什么是素质呢？在不同的文化背景下，有不同的定义，有不同的要求。信息素养是信息时代的素质教育的核心内容。这个概念一经提出，便得到广泛传播和使用。世界各国的研究机构纷纷围绕如何提高信息素养展开了广泛的探索和深入的研究，对信息素养概念的界定、内涵和评价标准等提出了一系列新的见解。我作为当时全国高等学校计算机基础教育研究会的常务理事和课程建设委员会副主任，作为一位有责任的大学老师，有义务推行这一新概念和新理念，并连续发表了几篇文章。（1）《关于高校IT基础教育改革的几点思考》①（高教出版信息，2002（11））。（2）《信息素养21世纪计算机基础教育的坐标系》（教育信息化，2002（9））。（3）《论高等信息素养教育》（计算机教育，创刊号②）。（4）《关于新时期高等学校信息基础教育第一门课的思考》（计算机教育，2004（1））。（5）《高等信息素养教育框架》（计算机教育，2004（2）、（3）合刊）。同时，编写了如下教材。（1）《大学生信息素养知识教程》（南京大学出版社，2007，ISBN 978-7-305-05060-2）。（2）《大学生信息素养能力教程》（南京大学出版社，2007，ISBN 978-7-305-05061-9）。（3）《信息素养大学教程（知识篇）》（人民邮电出版社，2013，ISBN 978-7-115-31930-2）。（4）《信息素养大学教程（实践篇）》（人民邮电出版社，2013，ISBN 978-7-115-31866-4）。3）面向计算思维培养的大学计算机教育阶段人的素质就是人的生理元素和思维元素的质量。人的素质的高低，与先天的生理元素和思维元素的多少有关。也与后天培养的生理组织的健康程度和思维系统的健全程度有关， 因此在素质教育中，思维训练是一个极为重要的核心内容。2006年3月，美国卡内基梅隆（Camegie Mellon）大学计算机科学系原主任周以真（Jeannette M. Wing，见图0.1）教授在美国计算机权威期刊Communications of the ACM上正式提出了计算思维（Computational Thinking）的概念，并推动一项计划：力图使所有的人都能够运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。后来，周以真教授又对它做了进一步的详细阐释。（1）通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道问题怎样解决的方法。（2）是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法。（3）是一种采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统设计的方法，是基于关注分离的方法（SOC方法）。（4）是一种选择合适的方式去陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法。（5）是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法。（6）是利用启发式推理寻求解答，也即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维 方法。（7）是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间，在处理能力和存储容量之间进行折中的思维方法。计算思维是一种概念，也是一种思想、一种教育理念。这种思想与理念自2011年被陈国良院士等人传播到国内，不仅影响到计算机及其相关专业的教育，而且影响到高等学校计算机基础教育，把中国的计算机基础教育带进一个新的时期计算思维教育阶段。2．本书的写作思想周以真教授提出的计算思维，不仅为计算机教育带来新的思想，而且会影响整个教育体制的理念。但是，这不能光靠周以真教授一人，还需要更多的人去发展，去展开，去实践，去推行。这就是本书写作的基本思想。关于计算思维本身，本人将其具体化为如下一些具体的思维。（1）符号化思维。（2）计算自动化思维。（3）问题求解工程化思维。（4）算法思维。（5）协同计算思维。（6）虚拟化思维。这些思维不仅造就了计算、计算机本身，而且已经延伸到几乎所有领域。介绍这些思维模式，有助于各个领域的创新发展和技术进步，也是本书内容组织的框架。按照上述计算思维所包含的内容，本书分为6章：第1章符号化可计算基础；第2章计算自动化；第3章问题求解工程化；第4章计算之魂；第5章协同计算；第6章计算抽象化。为了兼顾有关信息技术的介绍，本书将这些内容作为相关模式的实例。为了适应不同的学习需求，本书前5章都设了一个知识链接栏目。这个栏目的内容可以选学。3．希望与感谢本书完全围绕计算思维，贯穿了新思想，采用了新提法，组织了新内容，形成了新体系。这一切都是尝试。它的不成熟、不完整、不确切已经被估计到了，但本人水平也就如此。不过也留下了一个让更多的人参与的空间。希望有关读者、用者、专家能就此展开讨论，提出宝贵意见，将这个事业不断向前、向新推进。在本书写作的过程中，参考了大量资料，有些已经在相关参考文献中列出，有些因为是网络佚名作者，还有些已经多次转辗引用，无法找到原始作者，在此谨表歉意和感谢。在本书写作的过程中，赵忠孝、古辉、张秋菊、史林娟、张展为、董兆军、张友明、戴璐等也参加了部分写作工作，也在此一并感谢。4. 注意为了不引起读者误解，排版时，正文中的字符与符号一律用西文。
张基温 2017年4月?? 于广州小海之畔??
① 本文为全国高等院校计算机基础教育研究会''2002年会大会报告。② 《计算机教育》于2003年12月1日创刊。
I
第5章 协 同 计 算恩格斯说：我们面对着的整个自然界形成一个体系，即各种物体相互联系的总和，这些物体是相互联系的，它们是相互作用的，并且正是这种相互作用而构成了运动。20世纪70年代起，德国物理学家赫尔曼哈肯（Hermann Haken）教授系统地研究了物理化学中普遍存在的协同效应（Synergy Effects），并创立了协同学（Synergetics）。协同效应又称为增效作用，指一种现象：两种或两种以上的组分相加或调配在一起，所产生的作用大于各种组分单独应用时作用的总和，甚至没有协作，各组分也无法发挥作用。这一现象，普遍存在于各种系统中。自哈肯开始，人们对于协同效应的研究在多个领域风生水起地展开了。人类的所有发明和创造，都是为了某种目标，强化人与外界的某种或某些协同关系。计算提供了一种普遍化的协同纽带，并广泛地渗透到几乎一切领域。1984年麻省理工学院的Iren Greif与迪吉多的Paul Cashman打开了一个新的学术领域：研究在信息时代，由计算机网络技术、通信技术、多媒体技术和群件技术共同构成的协同计算环境，可以使不同地域、不同时间、不同文化背景的人们能够协调一致地为某项任务而共同工作。将之称为计算机支持的协同工作（Computer Supported Cooperative Work，CSCW），以后更多的人加入了这一领域，并将之也称为协同计算（Collaboration Computing）。计算机本身也是一种协同系统，其内部部件间的协同性影响着其工作效率，是讨论协同计算的绕不开的内容。所以，合适的协同计算应当定义为：含有计算机的系统在结构上以及工作时所采用的协同模式。简单地说，协同计算包括了计算机系统内部的协同效应，也包括了其在其他有关系统中所发挥的协同效应。5.1 层次型协同人们分析和设计复杂系统的有力武器是抽象化、模块化和层次化，即将一个大型复杂的系统分解成若干模块，并按照单向依赖的关系组织成层次结构：每一层都提供一组功能且这些功能层内相互协作；上层功能依赖于下层功能，并对下层功能之间的协调进行控制，形成层间简单的单向协同和层内紧密型协同。这样的协同设计和管理都很简单，并且具有较高的稳定性。5.1.1 计算机系统的层次协同图2.34已经给出了计算机的组成模块。实际上，这些模块是要按照层次关系组织的。图5.1给出了现代计算机系统的六层结构。图中的矩形框表示该层的功能，这个功能是对上层功能的支持，用向上的箭头表示。这样的结构表明了层间的协同关系。下面分别予以 说明。
图5.1 六层的计算机系统最底层称为数字逻辑层。这些功能实现了计算机有关部件所需要的基本逻辑操作。它们需要电子线路实现。在数字逻辑层提供的基本逻辑操作的支持下，应当可以组成计算机工作所需要的全部微操作。这些微操作可以组合成不同的指令。一个CPU可以执行的全部指令就组成了该CPU的指令系统。指令系统就是CPU的外特性，形成一台完整的物理机器。计算机的全部功能都是建立在此物理机器之上，计算机的操作系统也建立在指令系统层上。在指令系统层之上，通过操作系统的支持和汇编程序的支持，可以使用汇编语言编写程序，也可以进一步在编译器、链接器的支持下用面向问题的语言高级语言编写应用程序。5.1.2 计算机网络的7层标准模型：ISOOSI-RM计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物。在计算机网络中不仅要涉及计算机的内容，还要通信技术，是一个非常复杂的信息系统。为此要按照层次进行组织，具有层间的协同关系。但是，又涉及两个系统之间的通信，所有又存在对等层之间的协同关系。下面介绍3种常用的网络层次模型。1. 概述20世纪50年代初，美国为了自身的安全，在美国本土北部和加拿大境内建立了一个半自动地面防空系统SAGE（赛其系统），进行了计算机技术与通信技术相结合的尝试。从此，开了一条通向计算机网络的先河。进入70年代末期，计算机网络已经势不可挡。面对这样的潮流，为了抢占制高点，IBM公司于1974年公布了IBM系统网络体系结构（IBM Systems Network Architecture，SNA）模型。接着，其他商家也推出自己的网络体系，如DEC的数字网络体系结构DNA（Digital Network Architecture）、UNIVAC的分布式计算机体系结构DCA、美国国防部的TCPIP等。为了促进计算机网络的发展，国际标准化组织ISO（International Organization for Standardization）于1977年成立了一个委员会，着手在已有网络的基础上，建立一个不基于具体机型、操作系统或公司的网络体系结构。1982年4月形成并发布了一个开放系统互连参考模型（Open System InterconnectionReference Model，OSIRM）的国际标准草案。如图5.2所示，OSIRM是一个7层结构，其低三层划做通信子网，高三层划做资源子网，运输层则是一个承上启下的层次。
图5.2 OSIRM工作机理OSIRM是一个层次结构。在制定这个标准之处，先确定了一个划分层次的原则如下。（1）计算机网路中各结点都有相同的层次。（2）不同结点的同等层具有相同的功能。（3）不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。（4）同一结点内相邻层之间通过接口通信。（5）每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供透明服务。2．OSIRM体系工作机理为了便于理解OSIRM各层的功能，下面自顶向下地介绍。顶层为应用层，最底层为物理层。1）应用层应用层是OSIRM中的最高层，是用户与网络的接口。它接收了应用程序的数据报文（message）。如要传输的一个文件、一封电子邮件等。这些报文经过网络传送到接收方后，接收方的应用层要知道这些报文是做什么的等信息，不然对接收方毫无用处。为此，发送方要在应用程序生成的报文上，再附加一些信息，形成应用层数据报文。这些附加信息称为应用层报文首部，相当于寄信时的信封。2）表示层应用层产生数据报文后，到表示层要解决的问题是，在网络中进行传输时采用什么样的编码形式。它包括了如下内容。（1）采用哪种编码，是ASCII码，还是Unicode等。（2）数据之间有什么关系数据结构问题。（3）要不要加密传输：若要加密，采用什么样的加密算法和密钥。（4）要不要压缩传输：若要压缩，采用什么样的算法。这4个方面合起来称为数据报文的表示问题。发送方是这样表示的，到了接收端，还必须知道发送方是如何表示的。因此，发送方的表示层除了要对应用层传下来的应用层报文进行表示变换外，还要附加上一些信息，说明这些表示的方法。打包成一个新的表示层数据报文。这些在表示分层附加的信息称为表示层报文头，在图5.2中用H6（也可以写做PH）表示。3）会话层在表示层形成表示层数据报文后，并不能说放到网上，就放到网上。还必须在发收双方进程建立了会话以后才可以发送。为此要有一个会话层，进行会话管理，包括：（1）双方会话是同时双向，还是只许轮流单向。（2）当有多对用户进行通信，而共用一条链路时，如何会话而不串音。（3）一个大的数据报文的传输中发生断线，是重传，还是接着传。与应用层和表示层一样，为了说明会话采取的方法，发送方的会话层也要再加上一个报头，在图5.2中用H5（也可以写做SH）表示。4）运输层运输层是计算机网络中的关键一层，其上属于资源子网，用于生成数据报文；其下属于通信子网，用于进行数据传输。在资源子网中活动的实体是进程：数据报文是由位于源主机上的某种应用进程（程序运行）发出，并且由位于目的主机上的相关进程接收的。运输层的基本职责是把应用进程生成的报文交到通信子网传输。为此，它把源进程和目的进程之间的通信子网看成一条链路，具体这个通信子网如何工作，那不是它的事，要有下层一步一步地实现。这也就是说，它把通信子网看成一条信道是在下层服务的支持下进行的。这样，进程间的通信就变成一条链路两端的两个结点之间的通信了。而这种通信，要涉及如下问题。（1）上层交来的数据报文是由哪种应用程序的进程产生的。（2）数据传输时的差错控制问题。（3）发送端的发送能力和接收端的接收能力报文分片（段）、流量控制和拥塞控制。（4）由于上层有多个应用进程，所传输的报文属于多个进程，要在一条链路中传输，涉及多路复用。（5）这个信道的构建形式。所有关于上述问题的约定，就是运输层协议的把内容。为此，在运输层要把上层交来的数据报文之上，再添加有关上述约定的信息，这就是图5.2中的H4（也可以写做TH）。5）网络层运输层要解决的进程间通信是在网络层提供的服务的基础上进行的。由于应用进程运行在网络主机上，所以，网络层肩负的是主机之间的通信问题。虽然，两台主机之间相隔着一些网络，但网络层把每一个网络都看成一条链路、一条链路所组成的信道。因此两台主机之间通信的网络层协议应当包含如下内容。（1）相互通信的主机的地址：哪个网络中的哪个主机。（2）经过什么样的路径才能由源主机到达目的主机。有多条路径时，就有路径选择问题。（3）在网络层的链路中传输，也有差错控制、流量控制等。（4）运输层交来的是一个一个的数据报文段，是按照端对端的发送和接收能力划分的。这种划分不一定适合网络层划分。因此，在网络层还要继续对报文段进行划分，规定大小以及顺序等。这些信息都要添加都在重新划分的数据报中，在图5.2中用H3（也可以写做NH）表示。这种添加了NH的数据包被称为分组（packet）。6）数据链路层网络层把每一个网络都看成一条链路所进行的数据传输。为了支持网络层，数据链路层要解决在每一个网络中一条链路两端的通信问题。为了保障在此层上的可靠传输，也要在网络层分组的基础上添加一些信息。这些添加在网络层分组上的信息总称为DH。进行封装后的数据报称为帧。H2（也可以写做DH）称为帧头。7）物理层物理层规定了物理传输信道主要是接口机械尺寸、电气和传输规程。5.1.3 计算机网络的事实标准：TCPIP IEEE 802在IT界，许多产品具有两套标准：法定标准和事实标准。法定标准也称为官方标准，是由权威机构组织专家们按照科学和技术要求进行严密设计的。事实标准也称为工业标准，是在应用中形成的，占有相当的市场份额的产品标准。法定标准严谨，但有些死板，事实标准则灵活便于应用。一般说来，法定标准参考了事实标准，事实标准也在一定程度上向法定标准靠拢。1．TCPIP模型1）APRAnet与TCPIP20世纪60年代，美国国防部高级研究计划管理署（Advanced Research Projects Agency，ARPA）开始研究如何建立分散式指挥系统，以保证战争中部分指挥点被摧毁后其他点仍能正常工作。为此开始进行同型号的大型计算机联网实验，并命名为APRAnet。在此过程中，形成了以网络互联为目的的一个协议簇TCPIP，后来也将ARPAnet称为Internet或TCPIP 网络。一开始TCP与IP只有分工，还没有层次组织的思想，而且ARPAnet的应用也很简单。后来，Internet的应用急剧增加，所连接的网络迅速膨胀，人们开始考虑IP与具体网络之间的接口问题，也开始考虑应用协议问题。OSIRM提出后，它开始向OSIRM靠拢，用层次结构对其所有协议进行划分，加给它一个层次形态。所以，对于Internet体系的层次的划分并不是非常严格，也不完全，后来打补丁、加套接层，在图5.3中用虚线表示。它4层结构是应用层、传输控制层、互联网层和网络接口层。1992年Internet被交给国际性组织因特网协会（Internet SOCiety，ISOC）管辖。其中，技术方面由因特网体系结构委员会（Internet Architecture Board，IAB）负责。2）TCPIP模型在TCPIP网络模型中，应用层（Application Layer）是与应用程序的接口，网络访问层（Network Access Layer）是与具体网络的接口。但是，它们只是提供了一个框架，没有详细描述，这给后来的技术发展留下两个空间。TCPIP的核心和贡献就在运输层（Transport Layer）和网际层（Internet Layer）。（1）运输层。TCPIP的应用层的为了向应用层提供透明传输服务，运输层要将应用层的数据报文分割成数据段或报文段，并根据应用的特点分别按照传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）进行端对端地传输。（2）网际层。TCPIP的网际层为了透明地支持运输层的传输，会将运输层的数据段或报文段进一步分割成适合所有网络传输的分组，并使分组能独立地传向目标。为此，在网际协议（Internet Protocol，IP）中定义了IP地址（也称为主机地址或网络地址）和路由等协议。目前广泛使用的IPv4使用32b的IP地址，每个IP地址分为网络地址和主机地址两部分，通常用4个点分的十进制数表示，如202.113.240.32。新的IP版本IPv6则用128b表示IP地址。2．IEEE 802模型几乎在Interent迅速发展的同时，局域网也在迅速发展。电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）于1980年2月成立了局域网城域网标准委员会（LANMAN Standards Committee，LMSC），简称IEEE 802委员会，专门从事局域网城域网的标准化工作，制定出了一系列标准，统称为IEEE 802标准，这些标准的模型称为 IEEE 802模型。它参考了OSI参考模型，但主要包含了OSI参考模型的低两层：物理层和数据链路层，如图5.4所示。
图5.4 IEEE 802模型及其与OSIRM的对应关系1）物理层物理层主要规定了机械、电气、功能和规程等方面的特性，以确保在通信信道上二进制位信号的正确传输和接收，内容包括物理介质、物理介质连接设备（PMA）、连接单元（AUI）和物理收发信号格式（PS），以及对于同步、编码、译码、拓扑结构和传输速率的要求。2）数据链路层局域网的拓扑结构比较简单且多个站点可共享传输信道。这样就需要解决信道的访问控制（即接入方式）问题，即采用什么样的控制方式进行信道资源的分配。然而，信道的访问控制方式与传输介质的关系密切。为此，局域网也将数据链路层分为两个子层：传输介质访问控制（Medium Access Control，MAC）子层和与介质无关的子层逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）子层。3. 基于TCPIP 物理网的流行网络体系结构随着通信技术的进步和计算机网络技术的发展，局域网的传输距离不断扩大，使得它与城域网之间的界线日趋模糊。因此，IEEE 802已经不再局限于局域网，而扩大到所有物理网。与此同时，由于TCPIP的普及，使得现在的计算机网络实际上都遵循了图5.5所示的体系结构。图中还给出了在这个体系中数据传输过程的封装过程。
图5.5 TCPIP 以太网的流行五层网络体系图中的以太网（Ethernet）是指由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范。现在它已经成为当今物理网采用的最通用的通信协议标准。5.2 时序控制型协同计算机和通信都是一种极为复杂的电子系统。在电子系统中，众多部件只有协同工作才能共同完成计算任务。为了使各个部件能有条不紊地协同工作，最基本的办法是时序控制，即时间控制 序列控制。5.2.1 计算机微操作的时序控制1. 时钟与节拍协同就是协作和同步。同步的基础是有一个共同的时钟。计算机内的时钟是一些频率固定的脉冲信号，它们由一个振荡器产生。如图5.6所示，一个脉冲信号周期称为一个节拍。一条指令的执行过程所需要的节拍数称为一个指令周期，一个指令周期又可以分成几个不同的阶段，称为CPU周期。计算机内各个部件的工作就是靠节拍、CPU周期和指令周期进行协调的，这称为同步控制。
图5.6 时钟周期、CPU周期和指令周期
2. 指令及其微操作计算机的基本工作是执行指令，一个程序由多条指令组成，每条指令执行的顺序由程序员预先设计。而一条指令要由许多细微的操作组成。在CPU设计时就定义好了：一条指令中的微操作可以分为几个阶段（CPU周期），以及每个CPU周期中的各微操作的执行顺序。指令的执行顺序和微操作的执行顺序合起来就构成计算机操作的序。再把它们分配到不同的指令周期、CPU周期和节拍中，就形成了时序控制。3. 一条普通指令的CPU周期划分情况指令是程序员编程使用的最小元素，它以逻辑功能为基础，所以每条指令周期所包含的CPU周期不尽相同，而且每一个CPU周期中所包含的节拍树也不尽相同。图5.7描述了一个普通指令的CPU周期划分情况，它包含了3个CPU周期。但别的指令不一定这样。
图5.7 指令周期的CPU周期划分第1个CPU周期为取指周期，要完成3件事。（1）送PC内容（当前指令地址）到存储器的地址缓存，从内存中取出指令。（2）指令计数器加1，为取下一条指令做准备。（3）对指令操作码进行译码或测试，以确定执行哪一些微操作。第2个CPU周期将操作数地址送往地址寄存器并完成地址译码。第3个CPU周期取出操作数并进行运算。4. 存储器读写的时序控制存储器进行一次读或写操作所需的时间称为存储器的访问时间（或读写时间），而连续启动两次独立的读或写操作（如连续的两次读操作）所需的最短时间，称为存取周期（或存储周期）。为了进行存储器的读写，需要在地址总线上送出地址信息（对于二维地址译码，需要送出行地址和列地址），需要CPU发出读或写命令。并且，写时，还要在数据总线上送出要写的数据；读时，要向数据总线上送读出信息。这些信息的出现，要严格按照时序进行，并且需要等待前一个信号稳定以后，才能发出后一个信号。图5.8所示的读写时序，形象地描画了这类SRAM在读写过程中，各种信号之间的时序关系。可以看出，不管是读还是写，都是按照下面的顺序发送有关信号。① 发送地址信号，指定要读写的单元，此信号一直保留到有效读写完成。② 发送片选信号CS，选中一片存储器。③ 发送读（高、低有效）写（低有效、高）信号。
图5.8 一维地址译码RAM的读写时序数据线上的信号因读写而异。（1）读出是从有关单元向数据线上输出数据信号，一般是在信号和信号稳定后即可有数据输出到数据线上。（2）写入是由数据线向有关单元输入数据信号，一般对于送入数据的时间没有要求，但是信号和地址信号不能撤销太早，以保证有一个写入的稳定时间。5.2.2 通信中的时序控制同步是可靠通信的最基本保障。日常生活中，两个人交谈能够成功，有两个条件。（1）一个人讲时，另一个人在听。如果一个人讲，另一个人没有听，通信就一定失败。（2）讲者的话语速度与听者的接收速度一致。否则听者就会告诉讲者：你讲得太快，我没有听清。在系统中进行数据传送，也有类似的问题，这称为同步控制。同步控制可以用两种方式实施：异步方式与同步方式，分别称为异步传输与同步传输。1. 总线中的同步控制在总线中，主方的数据发送和从方的数据接收必须协调。实现主从协调操作的基本方
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