计算机进化史
早在公元前5世纪，中国人就发明了算盘，并将其广泛应用于商业贸易中。算盘也被认为是最早的计算工具，一直使用至今。
算盘
计算设备有了第二次重要的进步是在17世纪。1642年，法国人BlaiseMPascal发明了自动进位加法器，称为Pascalene。1694年，德国数学家GottfriedWilhemvonLeibniz改进了Pascaline，使之可以计算乘法。后来，法国人CharlesXavierThomasDeColmar发明了可以进行四则运算的计算器。
现代计算机的真正起源来自英国数学教授CharlesBabbage。CharlesBabbage发现通常的计算设备中有许多错误，在剑桥学习时，他认为可以利用蒸汽机进行运算。起先他设计差分机用于计算导航表，后来，他发现差分机只是专门用途的机器，于是放弃了原来的研究，开始设计包含现代计算机基本组成部分的分析机。
Babbage的蒸汽动力计算机虽然最终没有完成，以今天的标准看也是非常原始的，然而，它勾画出现代通用计算机的基本功能部分，在概念上是一个突破。
在接下来的若干年中，许多工程师在另一些方面取得了重要的进步。美国人HermanHollerith（1860~1929），根据提花织布机的原理发明了穿孔片计算机，并带入商业领域建立公司。
到目前为止，计算机的发展共经历了四个时代。
第一代电子管计算机（1945~1956）
世界上第一台大型计算机ENIAC在第二次世界大战中，美国政府寻求计算机以开发潜在的战略价值。这促进了计算机的研究与发展。1944年霍华德·艾肯（1900~1973）研制出全电子计算器，为美国海军绘制弹道图。这台简称MarkⅠ的机器有半个足球场大，内含500英里的电线，使用电磁信号来移动机械部件，速度很慢（3~5秒一次计算）并且适应性很差，只用于专门领域，但是，它既可以执行基本算术运算也可以运算复杂的等式。
40年代中期，冯·诺依曼（1903~1957）参加了宾夕法尼亚大学的小组，1945年设计电子离散可变自动计算机EDVAC，将程序和数据以相同的格式一起储存在存储器中。这使得计算机可以在任意点暂停或继续工作，机器结构的关键部分是中央处理器，它使计算机所有功能通过单一的资源统一起来。
1946年2月14日，标志现代计算机诞生的ENIAC在费城公之于世。ENIAC代表了计算机发展史上的里程碑，它通过不同部分之间的重新接线编程，还拥有并行计算能力。ENIAC由美国政府和宾夕法尼亚大学合作开发，使用了18000个电子管，70000个电阻器，有500万个焊接点，耗电160千瓦，其运算速度比MarkⅠ快1000倍，ENIAC是第一台普通用途计算机。
第二代晶体管计算机（1957~1964）
第二代晶体管计算机1948年，晶体管的发明代替了体积庞大电子管，各种电子设备的体积不断减小。1956年，晶体管在计算机中使用，晶体管和磁芯存储器导致了第二代计算机的产生。第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。1960年，出现了一些成功地用在商业领域、大学和政府部门的第二代计算机。第二代计算机用晶体管代替电子管，还有现代计算机的一些部件：打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。计算机中存储的程序使得计算机有很好的适应性，可以更有效地用于商业用途。在这一时期出现了更高级的COBOL和FORTRAN等语言，使计算机编程更容易。新的职业（程序员、分析员和计算机系统专家）和整个软件产业由此诞生。
第三代集成电路计算机（1965~1972）
1958年美国德州的工程师JackKilby发明了集成电路（IC），将三种电子元件结合到一片小小的硅片上。更多的元件集成到单一的半导体芯片上，计算机变得更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。
第三代集成电路计算机
从1960年到1964年，由于在计算机中采用了比电子管更先进的晶体管，所以我们将这段时期称为“晶体管计算机时代”。晶体管比电子管小得多，不需要暖机时间，消耗能量较少，处理更迅速、更可靠。第三代计算机的程序语言从机器语言发展到汇编语言。接着，高级语言FORTRAN语言和COBOL语言相继开发出来并被广泛使用。这时，开始使用磁盘和磁带作为辅助存储器。第二代计算机的体积和价格都下降了，使用的人也多起来了，计算机工业迅速发展。第三代计算机主要用于商业、大学教学和政府机关。
从1965年到1970年，集成电路被应用到计算机中来，因此这段时期被称为“中小规模集成电路计算机时代”。集成电路是做在晶片上的一个完整的电子电路，这个晶片比手指甲还小，却包含了几千个晶体管元件。第三代计算机的特点是体积更小、价格更低、可靠性更高、计算速度更快。第三代计算机的代表是IBM公司花了50亿美元开发的IBM360系列。
第四代大规模集成电路计算机（1972~现在）
大规模集成电路（LSI）可以在一个芯片上容纳几百个元件。到了80年代，超大规模集成电路（VLSI）在芯片上容纳了几十万个元件，后来的（ULSI）将数字扩充到百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件，使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。70年代中期，计算机制造商开始将计算机带给普通消费者，这时的小型机带有友好界面的软件包，供非专业人员使用的程序和最受欢迎的文字处理和电子表格程序。
1981年，IBM推出个人计算机（PC）用于家庭、办公室和学校。80年代个人计算机的竞争使得价格不断下跌，微机的拥有量不断增加，计算机继续缩小体积。与IBMPC竞争的AppleMacintosh系列于1984年推出，Macintosh提供了友好的图形界面，用户可以用鼠标方便地操作。
第四代个人用电脑
从1971年到现在，被称之为“大规模集成电路计算机时代”。第四代计算机使用的元件依然是集成电路，不过，这种集成电路已经大大改善，它包含着几十万到上百万个晶体管，人们称之为大规模集成电路和超大规模集成电路。
个人计算机PC的出现，标志着人们对计算机不再陌生，计算机开始深入到人类生活的各个方面。
知识点集成电路
集成电路是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。
个人电脑的发展
个人电脑，英文全称为PersonalComputer。早期的电子计算机都是庞然大物，种种原因使它们无法进入家庭。微处理器的产生，使体积小、售价低廉的微型机得到发展，个人使用计算机才由梦想变成了现实。
1981年，当时的微处理器系列产品已发展到包括16位的8086和8位的8088微处理器的大家族，这两种芯片的功能在当时看来如此完美，以至于仅在一年之中，在它的基础上，就有了2500例的计算机设计。IBM（美国国际商用机器公司）设计了第一台个人电脑。
当时，IBM决定选用INTEI8088处理器作为其第一代个人电脑的神经中枢，IBM的决定后来给英特尔带来了巨大成功。作为IBM该项目工作的销售工程师回忆道：当时，年生产10000台已相当可观，没人能设想PC产业会发展成现在这样的规模——年产几千万台的生产。
IBM堪称是早期个人电脑的航空母舰，现在计算机业的两大巨头微软和英特尔都是搭载着它起家的。
1982年，英特尔公司推出了286芯片。由于安装了134000个晶体管，它的性能是当时的16位微处理器性能的3倍。以单片存储器管理为特征的286，是第一代能与其先前产品的软件兼容的微处理器。这个革命的芯片开始时是用于IBM的PC-AT型号上的。
1991年，以1486TM微处理器为基础的个人电脑问世，其性能与价格比在当时看来，已经是了不得的好事。
后来，随着大批量高能奔腾处理器的上市，微处理器的性能得到进一步提高，而价格反而进一步降低。正如摩尔先生指出的那样，“如果汽车工业能像半导体工业那样迅速地发展，一辆劳斯莱斯耗去每加仑油就该行驶50万英里。如果是那样的话，弃车将比把车放在停车场更合算。”
第一代个人电脑引发了一场计算机革命，现如今，个人电脑已经进入了寻常百姓家，全世界正在使用中的个人电脑达到10亿台。个人电脑变得越来越好用，一个能使用装有双核处理器的个人电脑的个人家用电脑小孩也可以拥有强大的计算能力，完全可以超过十年前一名主机操作员所能达到的计算能力，甚至超过了美国首次将人送上月球所使用的计算机的能力。
个人电脑使计算机在世界范围内得以普及，现在，很多人相信技术、修养的高低将决定未来几代人的生存。人们的生计将取决于他们通过个人电脑收集、处理和散发信息的能力。个人电脑作为交流设备的最佳选择，它正在崛起的地位将给现代生活带来革命。微处理器发明人霍夫说：“信息就是力量。我喜欢微处理器将这种力量到处传播的方式。”
知识点电子逻辑元件
电子逻辑元件用电子信号控制的可进行逻辑运算的半导体开关元件，又称门电路。它是以反相器、触发器、振荡器和各种RC、RL等基本半导体电路为基础发展起来的新型自动化元件。在自动控制系统中利用电子逻辑元件能实现控制信号的逻辑组合、变换、延迟、存储、计数等功能。电子逻辑元件的优点是开关动作时间短、体积小、重量轻、组合灵活、寿命长和无可动部件等。它是自动化技术中不可缺少的基本元件。
计算机的程序
计算机软件是指计算机系统中的程序及其文档。程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述；文档是为了便于了解程序所需的阐明性资料。程序必须装入机器内部才能工作，文档一般是给人看的，不一定装入机器。
软件是用户与硬件之间的接口界面。用户主要是通过软件与计算机进行交流。软件是计算机系统设计的重要依据。为了方便用户，为了使计算机系统具有较高的总体效用，在设计计算机系统时，必须通盘考虑软件与硬件的结合，以及用户的要求和软件的要求。
计算机软件总体分为系统软件和应用软件两大类：
系统软件是各类操作系统，如Windows、Linux、UNIX等，还包括操作系统的补丁程序及硬件驱动程序，都是系统软件类。
应用软件可以细分的种类就更多了，如工具软件、游戏软件、管理软件等都属于应用软件类。
计算机软件都是用各种程序设计语言编写的。最底层的叫机器语言，它由一些0和1组成，可以被某种电脑直接理解，但人就很难理解。上面一层叫汇编语言，它只能由某种电脑的汇编器软件翻译成机器语言程序，才能执行。人能够勉强理解汇编语言。人常用的计算机语言是更上一层的高级语言，比如C语言、Java语言等。这些语言编写的程序一般都能在多种电脑上运行，但必须先由一个叫做编译器或者是解释器的软件将高级语言程序翻译成特定的机器语言程序。
没有软件的计算机，也叫“裸机”，可以说是废铁一堆。计算机软件是计算机的灵魂，是计算机应用的关键。如果没有适应不同需要的计算机软件，人们就不可能将计算机广泛地应用于人类社会的生产、生活、科研、教育等几乎所有领域，计算机也只能是一具没有灵魂的躯壳。目前。以信息技术、信息产业为代表的高科技日益引起人们的关注，成为新的经济增长点。计算机软件技术作为信息技术的基础之一，已成为信息产业的主要组成部分。
操作系统英文名称为OperatingSystem，简称OS，是管理电脑硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石。
操作系统负责管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源；控制程序运行；改善人机界面；为其他应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。
操作系统是一个庞大的管理控制程序，大致包括五个方面的管理功能：进程与处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。
目前微机上常见的操作系统有DOS、UNIX、LINUX、Windows等。但所有的操作系统具有并发性、共享性、虚拟性和不确定性四个基本特征。
操作系统理论在计算机科学中为历史悠久而又活跃的分支，而操作系统的设计与实现则是软件工业的基础与内核。
人工智能计算机
人工智能型计算机能理解人的语言、文字和图形，人无需编写程序，依靠讲话就能对计算机下达命令，驱使它工作。它能将一种知识信息和与之相关联的其它知识信息连贯起来，作为对某一知识领域具有渊博知识的专家系统，成为人们从事各方面工作的得力助手和参谋。第五代计算机还是能“思考”的计算机，能帮助人们进行推理和判断，具有逻辑思维能力。它在理论和工艺技术上看与现在的计算机也有根本不同，它能提供更为先进的功能，以摆脱传统计算机的技术限制，为人类进入信息化社会提供一种强有力的、不可替代的工具。
1981年10月，日本首先向世界宣告开始研制第五代计算机，并于1982年4月制订为期10年的“第五代计算机技术开发计划”，总投资为1000亿日元，目前已顺利完成第五代计算机第一阶段规定的任务。
第五代计算机基本结构通常由问题求解与推理、知识库管理和智能化人机接口三个基本子系统组成。
问题求解与推理子系统相当于传统计算机中的中央处理器。与该子系统打交道的程序语言称为核心语言，国际上都以逻辑型语言或函数型语言为基础进行这方面的研究，它是构成第五代计算机系统结构和各种超级软件的基础。
知识库管理子系统相当于传统计算机主存储器、虚拟存储器和文体系统结合。与该子系统打交道的程序语言称为高级查询语言，用于知识的表达、存储、获取和更新等。这个子系统的通用知识库软件是第五代计算机系统基本软件的核心。通用知识库包含有：日用词法、语法、语言字典和基本字库常识的一般知识库；用于描述系统本身技术规范的系统知识库以及把某一应用领域，如超大规模集成电路设计的技术知识集中在一起的应用知识库。
智能化人机接口子系统是使人能通过说话、文字、图形和图像等与计算机对话，用人类习惯的各种可能方式交流信息。这里，自然语言是最高级的用户语言，它使非专业人员操作计算机，并为从中获取所需的知识信息提供可能。
现在，计算机、网络和通信技术已经三位一体化，未来的计算机将把人从重复、枯燥的信息处理中解脱出来，从而改变我们的工作、生活和学习方式，给人类和社会拓展了更大的生存和发展空间。第五代计算机是为适应未来社会信息化的要求而提出的，与前四代计算机有着本质的区别，是计算机发展史上的一次重要变革。
知识点机器语言
机器语言是直接用二进制代码指令表达的计算机语言，指令是用0和1组成的一串代码，它们有一定的位数，并分成若干段，各段的编码表示不同的含义，例如某台计算机字长为16位，即有16个二进制数组成一条指令或其他信息。16个0和1可组成各种排列组合，通过线路变成电子信号，让计算机执行各种不同的操作指令。
“神经”计算机
许多年以来，人们把电子计算机称之为电脑，其实是名不副实的。尽管当今电子计算机已具有惊人的计算速度和存储信息的能力，但论其“智力”，与人脑相比它却是一个毫不含糊的“傻瓜”。一个五岁的孩子就能辨认周围每个不同人的面孔，对于穿越马路这样的事也能很快做出判断，避免与来往车辆相撞。然而，这些事情如果让电子计算机来做，哪怕用上亿次巨型机，其所需要的计算的数量，用打印纸足足可以排满近70万平方千米。由此可见，电子计算机与人脑的神经网络相比显得太不中用了。
正如美国前总统里根的科学顾问、白宫科技办公室主任乔治·基沃恩在谈到电脑前景时，一针见血地指出：“目前电脑的王牌是每秒可进行上百亿次浮点操作的巨型超级机，但它的基本概念和计算方法与40年代的计算机并没有多大区别。它所具有的本领只是已输入知识的总和。人脑远比电脑聪明，尽管计算速度不如电脑，但运算法则要先进得多。要创造性发展电脑，就必须要了解人脑。”
因此，许多科学家都把人脑当成了研究对象，并通过多年来的探索研究，科学家们得到了许多有益的启示，提出种种设想。
第一，科学家发现，人脑的神经系统是一种分布存储方式，数量庞大的信息被存储在许多不同的地方，而不是每一个地方各存放一点信息。
第二，科学家还发现，人大脑中的神经元（又称神经突）之间的连接部分也用于存储信息。
第三，科学家又发现，人脑里的信息是由数字信号和模拟信号混合形式组成的。人脑能够用不太高的精确度进行极复杂的计算。
这些是人脑比电脑更高明的主要方面。为此，科学家们开始进行一系列模拟人脑功能的尝试。科学家指出，工作速度在万亿次每秒以上的“神经计算机”将成为计算机的发展趋势，它的构成原理和功能特点与当今电脑完全不同，具有并行处理、分布式存储以及自适应等特点。
经过一系列的试验，科学家们得出结论，采用目前的电子方法和元器件无法构成如此复杂的“神经计算机”，必须要应用诸如光学方法和神经器件等崭新技术手段。开发新一代生物芯片、神经芯片等超级集成元器件，是研制“神经计算机”的第一步。
生物芯片实际上是一种应用基因工程技术制造的蛋白质分子。科学家研究结果表明，在一些半醌类有机化合物和蛋白质分子中的氢具有“开”和“关”的电气性能，可以用来制造类似半导体电路的计算机芯片。这种生物芯片的集成度几乎要比半导体集成电路高数百亿倍，且不依靠电子传递信息，而是依靠波的方式来传播。因而，从根本上解决了半导体集成电路因集成度过高会造成过热的难题。
1994年11月，美国南加利福尼亚大学伦纳德·艾德曼教授首次公之于世利用生物芯片研制的电脑。这个被称之为生物计算机的电脑，其运算过程是通过一系列生物化学反应来实现的。构成逻辑判断装置的生物芯片则是由脱氧核糖核酸材料制成的。据电脑权威人士宣称，生物芯片的成功出世为通向“神经计算机”的道路扫除了一大障碍。
神经芯片也是电脑科学家追踪的目标之一。这种芯片主要是用诸如非晶硅高效光电导薄膜、铁电液晶体、导电聚酰亚胺薄膜等光学材料制成的，通过它们可以产生一个与接收到的光信号强度成正比例的电动势。芯片中利用光信号来传递信息，由于光信号十分容易被处理成若干个平行光束，因此可以同时快速处理众多的信息。这样，神经芯片的功能就十分接近于人们大脑中的神经元。日本三菱电机公司于1991年9月率先制成世界上第一个光神经芯片。这种芯片具有学习和记忆功能，其学习速度可高达800亿次每秒，可用于解决诸如图像识别、控制、预测等当今电脑难以应付的复杂计算问题。
作为现代高新技术的一个重要组成部分，“神经计算机”正向我们展示一个精彩纷呈的世界。虽然“神经计算机”在开发和研究的道路上会遇到许多棘手难题，但它终将走进我们的生活！
量子效应与量子计算机
自从1958年世界上出现第一块半导体平面集成电路至今，微电子技术以令人震惊的速度发展着，元器件的集成度越来越高，其结构特征也越来越趋于微型化，由此而发展的微电子微细加工技术已成了提高集成度和半导体存储器密度的关键之一，也是人类迄今为止所能达到的精度最高的加工技术。权威人士认为，尽管在每个芯片上集成数十亿个元器件的目的可以实现，但微型化已趋近极限。如再要小下去，已超越微电子技术理论的宏观极限。因此要支撑计算机的继续发展，就需要另辟蹊径。
21世纪初大量实验事实表明，电子与光子一样，不仅具有粒子性，同时还具有波动性，即所谓的波粒两象性。当电子所处的空间较大时（例如一般的集成电路线路），波动的性质可以忽略，电子可以作为粒子看待。当电子所处的空间很小时，例如线宽在0.1微米以下（已接近目前集成电路线宽的极限）时，电子就会表现出明显的波动性，这种波动性所表现出来的种种现象就是量子效应。利用量子效应所制作的元器件就是“量子器件”。
量子器件不仅体积小，而且工作原理和现有的半导体电子器件完全不一样。迄今为止，各种硅半导体电子器件都是通过控制电子的数目来实现信息处理的。例如，开关元件通过有无电子流来控制电路的通、断，或表示状态“1”或“0”；放大元件是控制所通过电子的多少来实现放大功能的。
然而，量子器件不单纯通过控制电子数量的变化，而主要是通过控制电子波动的相位来进行工作的，它能实现更高的响应速度和更低的电力消耗。因此，量子器件的出现，人们就有可能研制出比现有最小的电子器件还要小的、由单个电子构成的元器件。据报道，美国威斯康星大学的材料科学家根据量子力学理论已制造出了一些可容纳单个电子的被称为“量子点”的微小结构。这种量子点非常微小，在一个针尖上就可容纳几十亿个。这将为制造更微型化的微处理器和更高容量的存储器开拓了美好的前景。科学家认为，量子力学的理论将会对整个电子工业产生重大的影响——产生量子计算机。
所谓量子计算机，是指建立在量子力学理论基础上的计算机，它有两个含义：一是指它所用的微处理器是一种量子器件；二是指它的计算过程将利用量子力学理论。
量子计算机除了所用的器件同现在的计算机不同外，其工作原理也不一样，且可以快速完成复杂的计算任务。如要对一个巨大的数进行因子分解，使用现在的计算机时，不仅需要完成大量的除法操作，且操作次数可迅速呈指数上升，而量子计算机却可迅速完成这一工作。
量子计算机但是迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。
光与光脑
光脑是由光导纤维与各种光学元件制成的计算机。利用了光的传播速度比电子速度快的原理。它不像普通电脑靠电子在线路中的流动来处理信息，而是靠一小束低功率激光进入由反射镜和透镜组成的光回路来进行“思维”的，但同样具有存储、运算和控制等功能。早在20世纪50年代，人们就开始了制造光计算机的尝试，直到80年代中后期才有了决定意义的突破。20世纪90年代中期，世界上第一台光脑已由欧共体的英国、法国、比利时、德国、意大利的70多位不同国籍的科学家研制成功。
预计取代电脑的光脑要知道光脑为什么要优于传统的电脑，首先还要从光的特性谈起。作为信息媒质的光，从信息处理的角度看，通常具有三大特点：（1）频域宽。光的频率比电波高很多，所以信息传送容量也要大得多。另外，通过偏光和空间多重化，还可以使这一频域拓宽。（2）无感应。在以前的配线技术中，随着配线的密度提高和频率提高，不能忽略配线间分布电容的影响，串音现象很严重。这也是决定电子器件安装密度界限的一个重要因素。使用光时，这种感应的噪音可以减到非常小。（3）相互连接的柔软性。通常，电信号用带有地线的线路传送。这种线路存在阻抗，因而规定了信号传播速度。此外，各元件之间的阻抗必须匹配。可是，光可以在自由空间或电介质波导中传播，不存在阻抗的匹配问题，特别是在自由空间传播时，相互连接的并行化很容易。由于以上原因，光计算机和以电子作为信息传输媒质的传统计算机有重大差别，使得利用光技术的信息处理方法受到人们的关注。除此之外，用光传送信息不仅具有卓越的能力，而且它的切换和运算元件的响应速度也都很快。
除了上述光的特性决定了光脑优于传统电脑以外，更为重要的是光脑的许多关键技术，如光存储技术、光互连技术、光电子集成电路等都已获得突破。
在光存储方面，由于未来计算机所要求的容量将大大超出现有CD-ROM或磁盘，而人们对采用光记录技术的全息方式展示了很大的希望，因为它具备了必要的高存储密度和快速时间访问。全息数据存储器在读写数据块中都用到了激光技术，或者说是将数据“分页”到感光材料中。
光互联技术是从光计算机的研制过程中衍生出来的，现已初步发展成为一门独立的网络通信技术。80年代，苏美冷战刺激了光计算机的研究与发展。在这期间，光互联技术逐步成熟起来。光电子器件的发展对于光计算机又起着举足轻重的作用。目前，光电转换器件及电光转换器件的研制已比较成熟，其转换速度已达到500兆赫，能够满足实用化的需求。
随着技术发展，传统电子计算机的体积和速度不断逼近理论上限，“集成电路集成度每18个月翻一番”的摩尔定律终将难以为继。不少科学家相信，总有一天光学电脑将凭借其更小的体积、更快的速度，带来一场新的计算机技术革命。
知识点光子晶体光纤
光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。光子晶体光纤有很多奇特的性质。例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。
计算机网络
计算机网络的起源
自1946年电子计算机问世以来的很长一段时间里，计算机不仅非常庞大，而且极其昂贵，只有极少数的公司才买得起。那时，人们上机既费时，又费力，很不方便。为了克服这种困难，人们就想到能不能把计算题目要用的数据和程序利用电话线路送到计算机上，而计算结果再通过电话线路送回来？最早实现这个想法的是美国的军事部门。
1950年，美国在其北部和加拿大境内建立了一个地面防空系统，简称赛其（SAGE）系统。它是人类历史上第一次将计算机与通信设备结合起来，是计算机网络的雏形。
赛其系统还不能算是真正的计算机网络，因为由通信线路所连接的，一端是计算机，另一端只是个数据输入输出设备，或称终端设备。人们将这种系统称为联机终端系统，简称联机系统。联机系统很快就得到了推广应用。按照这种方式，人们只要将一个终端通过通信线路与计算机联起来，就可以在远地通过终端利用计算机，好像人就在机房里面一样。
除了在科学计算上的应用外，联机系统在商业上也得到了大量的应用。如用于航空公司的自动订票系统。航空公司在各售票点的窗口都装一台终端，通过通信线路连到总部的大型计算机上。这样，总部的计算机随时可知道每个航班已经发售了多少票，各终端上的售票员也随时可知道哪些航班还有余票，这样就大大提高了工作效率和服务质量。
在发展联机系统的同时，人们也在探索能不能将计算机通过通信线路连接起来，使得一些计算机上的用户能够利用其他计算机强大的计算能力、昂贵的外部设备和丰富的信息资源。20世纪60年代，美国国防部高级研究计划局资助计算机网络的研究，于1969年12月建立了只有4台主计算机的ARPA网络。这是世界上第一个计算机网络，它就是今天因特网的前身。ARPA网的成功引发了计算机网络研究的热潮，这些研究为计算机网络的发展奠定了理论基础。
随后，以IBM和数字设备公司（DEC）为代表的各大计算机厂商几乎都推出了自己的网络产品，但是计算机网络的普及是俗称个人计算机出现以后的事了。
计算机网络的分类
依据网络的规模和所跨的地域，可以将计算机网络划分为局域网、城域网和广域网。
局域网，一般是指网络的规模相对较小，通信线路不长，覆盖面的直径一般为几百米，至多几千米。整个网络通常安装在一个建筑物内，或一个单位的大院里。城域网是指一个城市范围的计算机网络，而广域网则是指更大范围的网络，可以大到一个国家，甚至整个世界。
虽然局域网、城域网和广域网这些词是着眼于所跨地域的，但是人们更多的是从网络组建技术上去区分它们。一般认为，用局域网技术组建的网络是局域网，而用广域网技术组建的网络是广域网。自然，城域网是用城域网技术组建的，但单独提出城域网技术的比较少见。这些技术的差别主要是在于所用通信线路及其通信协议上。
在局域网出现之前的计算机网络中，计算机之间的连接主要使用电信部门提供的电话线路。电话线路本来是用来传输讲话声音这种模拟信号的，为了能够传输数字，必须在线路两端各加一台专门的设备——调制解调器。由于线路和当时技术条件的限制，调制解调器的传输速率比较低，很长时间维持在每秒600比特到9600比特的速率上，电话线上近几年才达到每秒33.6K比特（1k=1000）和每秒56K比特。概括地讲，广域网的特点是传输距离长、传输速率低、技术复杂、计算机设备规模大、建网成本高等。
局域网的产生和普及，得益于个人计算机的出现和它的迅速发展。当时，PC机的能力很小，开始时尚没用硬盘，即使有硬盘，容量也很小，如几M、10M、20M个字节；一般也不配打印机；只使用简单的操作系统，如DOS。如果能有一种简单的方法将几台PC机连在一起，使大家能够共享昂贵的磁盘和打印机，那再好不过了。局域网较好地满足了这个需要。每台PC机配一块网卡，使用一根电缆和一些收发器就能把几个办公室里的PC机联成一个网络了，再装上简单的网络软件就可以使用了。由于使用专门的缆线，传输距离又短，因而能获得较高的速率，如以太网早先的速率是每秒10M比特，后来达到每秒100M比特，现在已有每秒10亿比特了。按照国际标准，局域网有以太网、令牌环网、令牌总线网等几种。由于以太网技术简单、安装方便，而且技术革新快，现在以太网已经成为主流，几乎占领了所有的市场。局域网的特点正好与广域网相反：传输距离短、传输速率高、技术简单、计算机设备规模比较小、建网成本低等。
近几年，随着计算机技术、通信技术和计算机网络技术的迅速发展，微机、局域网和广域网的性能都大大提高。特别是使用光缆后，传输速率可以达到每秒几十亿至几万亿比特了。今后的计算机网络将是局域网和广域网的互联，两者的界限将会越来越模糊。
网络通讯协议
TCP/IP是TransmissionControlProtocol/InternetProtocol的简写，中文译名为传输控制协议/网际协议，又叫网络通讯协议，这个协议是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础。简单地说，就是由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成的。
IP协议的英文名直译就是网际协议。从这个名称我们就可以知道IP协议的重要性。在现实生活中，我们进行货物运输时都是把货物包装成一个个的纸箱或者是集装箱之后才进行运输，在网络世界中各种信息也是通过类似的方式进行传输的。IP协议规定了数据传输时的基本单元和格式。如果比作货物运输，IP协议规定了货物打包时的包装箱尺寸和包装的程序。除了这些以外，IP协议还定义了数据包的递交办法和路由选择。同样用货物运输作比喻，IP协议规定了货物的运输方法和运输路线。
在IP协议中，它定义的传输是单向的，也就是说发出去的货物对方有没有收到我们是不知道的。这怎么办呢？由TCP协议来解决。TCP协议提供了可靠的面向对象的数据流传输服务的规则和约定。简单地说，在TCP模式中，对方发一个数据包给你，你要发一个确认数据包给对方。通过这种确认来提供可靠性。通俗而言，TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台电脑规定一个地址。
TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。传统的开放式系统互联参考模型，是一种通信协议的七层抽象的参考模型，其中每一层执行某一特定任务。该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。这七层是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。而TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这4层分别为：
应用层：应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。
传输层：在此层中，它提供了节点间的数据传送，应用程序之间的通信服务，主要功能是数据格式化、数据确认和丢失重传等。如传输控制协议（TCP）、用户数据包协议（UDP）等，TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。
互连网络层：负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机（但不检查是否被正确接收），如网际协议（IP）。
网络接口层（主机-网络层）：接收IP数据报并进行传输，从网络上接收物理帧，抽取IP数据报转交给下一层，对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络（如Ethernet、SerialLine等）来传送数据。上网的设备
早在20世纪60年代，人们就设想利用普通的电话线来连接分隔两地的计算机，使它们能够相互传送数据。但是，电话线上只能传输声音——一种模拟信号，网卡而计算机要传的是用二进制数0和1表示的一串数字信号。因此，需要有一种设备能将数字信号转变为模拟信号，以便在电话线上传输。调制解调器就是这样产生的。调制解调器总是成对使用的，需要连接的两台计算机都通过它连到电话线上。实际上，调制解调器是由调制器和解调器两个设备组合而成。调制器是将要发送的数字信号调制（即转换）为模拟信号，而解调器则将收到的模拟信号解调制（即还原）为数字信号。
调制解调器的英文名称MODEM取自调制器和解调器两个英文单词的前几个字母。除此之外，有的调制解调器还具有压缩、查错与纠错等功能。早先的调制解调器都是单独的设备，它接在计算机的串行通信口上。后来，人们把调制解调器做成一块板卡，直接插在计算机的总线槽里，这就是内置式调制解调器。另外，调制解调器又分为拨号的和专线的。前者是利用现有的电话线，联网时需要拨号；而后者则是从电信部门租用一条线路，固定连接，不需要拨号。
网卡是网络接口卡的简称。网络接口卡又称网络适配卡，它是一种直接插在计算机总线槽里的输入输出接口卡，计算机通过它连接到网络的线缆上。网卡都是针对特定的网络进行设计的，不同的网络需要使用相应的网卡。例如，用于连接以太网的是以太网卡，用于连接令牌网的是令牌网卡，用于连接ATM（异步传输模式）网的是ATM网卡，等等。即使同一种网络，如果所使用的线缆不同，那么网卡也可能不同。例如，以太网可以使用粗同轴电缆、细同轴电缆和双绞线等几种，相应的网卡也有所不同。网卡可以完成网络所需要的许多功能。拿以太网网卡来说，它将计算机要传送的数据先放在自己的缓冲区里，无线网卡将以字节为单位的数据变为二进制位串，再将二进制位串转变为网络可接受的形式发到网络上去。同时，它还侦听网络是否空闲，是否发生传送冲突等。
内置式调制解调器也是一种网络适配卡，它通过电话线连接广域网的。但在习惯上，人们说到网卡，大多是指连接局域网用的网卡，如以太网卡。当前，有不少人将连接综合业务数字网（ISDN）用的ISDN适配卡称为ISDNMODEM或数字MODEM。其实，这种叫法是不确切的，因为综合业务数字网是数字网，能够直接传输数字，不需要调制和解调。但是，调制解调器这个词越来越多地用来指那种通过电话线连接计算机的设备，因而这种叫法已为大多数人所接受。
在计算机网络体系结构中，调制解调器和局域网网卡都是实现物理层的功能的，但它们实际上是两种不同的设备。
国际互联网
20世纪90年代，在全球范围内掀起了数字化的浪潮。一种叫做国际互联网（Internet）的神奇信息网络闯进了我们的生活。我们更习惯将其按音译称之为因特网。
因特网起源于1969年美国国防部资助建立的阿帕网（ARPANET）。它是美国五角大楼为了把从事相关研究的科学家、教授所使用的计算机用网络连接起来，以便进行网上信息交流和远程协作而建立的。当时接入网络的计算机只有4台。因特网图标到了20世纪80年代，阿帕网已成为政府研究人员竞相使用的通信工具。因而，1985年，在美国国家科学基金会（NSF）的支持下，建立了NSFnet，这便成为今天国际互联网的骨干之一。1991年，美国政府解除国际互联网商用的禁令，促使它很快走向商业化运作，在全球范围内迅速发展起来。
因特网是从美国本土发展起来的，现在已经成为世界范围的网络。因特网虽然是当今世界上最大的计算机网络，但它实际上是由许许多多小网络组成的。
因特网有两个重要的特点。一是大。据2008的统计，因特网已经覆盖212个国家和地区，因特网的用户超过15亿多人。二是规范统一。因特网统一使用“TCP／IP”网络协议，为各种应用的开发提供统一的平台，因而已经有了许多标准的应用，例如：万维网浏览、文件传输、电子函件、远程登录、新闻组等。
现在，上因特网已经成为一股热潮，政府、单位、个人、家庭都在纷纷上网。上因特网的目的是为了使用因特网。那么，大家为什么要用因特网呢？
第一，因特网上有丰富的信息资源，各种信息应有尽有，还有丰富的功能强大的检索和获取信息的工具，如浏览器、搜索引擎等。如果你对新闻感兴趣，那么你可立刻从网上找到发生在世界各地的最新新闻；如果你对某个科学问题感兴趣，那么你能在网上找到与它相关的详细介绍；如果你对电影感兴趣，那么可以从网上知道好莱坞的最新消息，甚至可以选一部电影或一个片断来欣赏一下；如果你对体育感兴趣，那么你能从网上了解到发生在世界各地的赛事和体育明星们的趣闻轶事；如果你想留学，那么你能从网上知道哪些学校招收留学生，有哪些专业，招多少人，需要什么条件等等。
第二，因特网提供了多种多样的人与人之间的交流工具。你可以通过因特网向你的朋友发送电子函件，可以通过因特网向国外朋友打长途电话，你还可以与许多朋友一起在因特网的聊天室聊天，也可以在因特网的新闻组里讨论问题，或者在网上一起玩游戏。
第三，企业可以通过因特网了解市场需求，及时开发适销的产品，为用户提供更好的服务；还可以在网上做广告，开展网上营销等。
第四，企业可以利用因特网来建造自己的网络，来宣传自己的产品和提高自己的知名度。
正因为如此，这几年上因特网的用户数急剧增加，大约每10个月就翻一倍。
计算机无疑是20世纪的一项重大科技成果。而用现代的通信技术把分散在世界各地的许许多多计算机网络连接起来形成一个全球性网上之网——因特网，则更是威力无穷。因特网将作为20世纪对人类社会影响最大的一种通信媒体而载入史册。
因特网中的信息传递
要了解信息是如何在因特网中传递的，我们可以先了解一下信件的传递，因为两者又很大的相似之处。
我们在邮寄信件时，要在每一封信上都清楚地写明地址；这些信要通过一个或多个邮局的转发才能送达收信人；每一封信都与其他信一起运送，一封信不会独占一辆汽车、一架飞机或一列火车；信件的运送方式和运送路线可能因为某种原因在途中发生变更。
我们知道，因特网是由许许多多小的网络连接起来组成的。当两个网络需要连接时，都通过一个叫做“路由器”的设备，它主要用来选择路径。每当信息在某处需要向前方传送时，网络都根据当时的情况选择最优路径。因特网中的信息就靠这些路由器，从一个网络传到另一个网络，最后到达目的地的。
另外，当你要传送一个文件，特别是大文件时，因特网不是把整个文件一起传送，而是先把它分成一个个较小的信息块，每一块上都标明发送方和接收方的地址，然后每一块都单独传送。这样的一块信息，称为分组或包。因为这种分组是在互联网协议（即IP协议）中使用的，所以又称为IP分组或IP包。由于一个文件的各个IP分组是单独传送的，就可能走不同的路径。所有的IP分组到达目的地后，再根据传输控制协议重新整理、排序、合并，恢复为原来的文件再交给用户。
因特网服务提供者所提供的服务
因特网是一个由许许多多网络组成的、覆盖世界各地的网络。一个网络甚至一台计算机，只要通过某种方式与因特网连接，并愿意被他人访问，都可成为因特网的一部分。
那么一般的用户怎样连接到因特网上去呢？这就要找因特网服务提供者（ISP），他们提供两种服务：接入服务和内容服务。
接入服务，就是提供一种方法，使你的计算机或计算机网络连到因特网上。接入服务一般有三种：专用线路、帧中继连接、拨号线路。在这三种方式中，专用线路代价最高，速度也最快；拨号线路代价最低，速度也最慢。最普遍使用的方式是拨号方式，家用计算机上网都用这个方式。拨号方式又有两种：普通电话线路和综合业务数字网。如果家里已经安置了电话，那么再买一个调制解调器就行了。综合业务数字网，简称ISDN，它的费用比普通电话高一些，但速度却快多了。
在我国，中国公用计算机互联网CHINANET（简称163网）是因特网的主要接入网，它在北京、上海和广州三地通过卫星和太平洋海底电缆与美国的因特网端口相连。因此，中国的ISP的接入服务实际上是使它们的用户直接或间接连到CHINANET网络上。
内容服务，是指上网功能方面的服务。那么因特网服务提供者提供哪些内容服务呢？一是给客户一个电子函件地址，为客户设一个专用的电子信箱。二是提供万维网信息浏览服务。我们所谓的联网，实际上只是连到其机器上，再通过其机器连到因特网上。其计算机负责将域名翻译为IP地址。因特网服务提供者一般也提供或组织一些信息库供直接浏览。除了这两种服务外，ISP通常还提供文件传输、新闻组、信息检索等因特网服务。此外，如果你在上网过程中遇到什么问题，也可以找因特网服务提供者咨询。
信息搜索
因特网上的信息浩如烟海，我们怎样才能从那么多的信息中找到所需的信息呢？一种办法是靠自己平时随时记录和整理有用的万维网站点，另一种办法就是依靠搜索引擎。
搜索引擎是一种万维网站点，他们除了提供信息内容服务外，还提供信息检索服务。他们提供的信息检索服务主要有两种方式。
一种是索引方式。这种索引将万维网上的信息按照一种分类方法组织成树状结构，你可以一级一级地查下去，直至找到你想浏览的网页。例如，它的第一个网页上给出政治、科技、文化、艺术、体育等几个大类的栏目。如果你对体育感兴趣，则可把鼠标移到体育栏上点一下。接着，它会给你展示第二层的栏目，有国内体育和国外体育。再下一层可能是篮球、排球、足球、乒乓球、羽毛球、冰球、手球、棒球、高尔夫球、曲棍球……最后，可能在“最近一周足球比赛结果”栏目下显示出若干篇报道文章的题目，这时，你就可以选一篇来阅读了。实际上你每选一次，浏览器都把你的选择传送给搜索引擎站点，然后搜索引擎站点再将结果传送给你。如果搜索引擎站点很远（如在美国），那可能得稍微费点时间。
另一种方式是查找方式。提供这种服务的万维网站点的第一个网页上有一个空的栏目，供你填写查找要求。在那儿，你可以填入要查找内容的主题词和关键词。例如，你填了“天安门”，搜索引擎站点会查出有关天安门的文章。使用这种方式时，关键的一点是你的要求要比较恰当，如果要求太一般，搜索引擎站点可能给你找出成千上万篇文章；如果要求太严，可能查了很长时间，结果一篇也找不到。
搜索引擎的服务能力取决于该站点联系的万维网站点的数目、数据库更新的时间周期、信息分类方法和它的信息检索算法。它收集的站点少，自然信息就少；更新周期长，信息就会陈旧；分类不合理，本来可查到的信息可能就查不到；算法不好，查找的速度就慢。搜索引擎站点有不少，比较著名的搜索引擎站点有百度、谷歌等。
知识点广域网
广域网也称远程网。通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。
信息高速公路的发展
1992年，美国总统克林顿和副总统阿尔·戈尔竞选时提出建设“国家信息基础设施”，把它作为竞选纲领之一。1993年1月，克林顿就任美国总统后，立即调整了美国的科学技术政策，加强了信息技术的地位，并授权成立了国家信息基础设施特别小组。同年9月15日，特别小组郑重宣布，美国将实施一项“将永久地改变美国人民的生活、工作和互相沟通方式的信息高速公路计划”。所以，信息高速公路是信息基础设施的通俗称法。
这个信息高速公路计划的目标是要在美国建立一个以光缆为干线的、高速的、遍布全国的、四通八达的数字通信网络，能把全国的每个地区、每个部门、每个单位、每个家庭都联结起来。该计划还规定了许多具体的目标。例如，人们通过信息高速公路可以在家里工作，在家里直接查看各种各样的信息库，获取科学、文学、艺术等方面的作品和资料，可以在家里选看最新的电影，可以在家里存款、取款和购物，可以在家里享用社会的医疗保健服务，也可以在家里通过电子方式与各级政府部门取得联系；学生通过信息高速公路可以享用最好的学校、最好的教师和最好的课程；公司通过信息高速公路可以了解市场动向，开展网上营销，可以直接从客户那儿获取订货单，同时从其他公司订购原材料。如此等等。
我们可以把“信息高速公路”理解为以计算机技术和通信技术为“路基”、以光纤电缆为“路面”的“高速公路”，它以具备计算机、电话和电视功能的多媒体计算机为“汽车”，高速地传送和交换各种各样的多媒体信息。预计它第一阶段的传输速率是每秒1G比特（10亿个二进制位）；而第二阶段将达到每秒1T比特（1万亿个二进制位）。
随着入网用户和网上信息量的急剧增加，因特网越来越不堪重负，信息高速公路上的“塞车”现象犹如大城市中的塞车状况一样日益严重，有人已经将“万维网”戏称为“万维等待网”了。
有没有办法解决这一日益尖锐的矛盾呢？办法还是有的。
办法之一是开辟一条“旁路”。美国国家科学基金会为了帮助科学家解决相互传递大信息量的数据文件时要花费较多时间等待的问题，将特意为科学家们开辟一条“旁路”，让他们驶入“快车道”。这样，在不同地点的科学家可以在因特网上以小组的形式在“一起”工作，相互之间交换大量的数据文件，并且还可以召开电视会议。
办法之二是建立“因特网第二”。这项计划是将高速信息通道加入到今天拥挤的因特网上去。科学家心目中的“因特网第二”，是终端用户迅速而可靠地将大量的数据通过电话、电缆、卫星和其他已发明的网络进行传递的一种方法，“虚拟会议”正是领先于当今技术的一种先进手段。今天的因特网就像是一条拥有无数入口处、毫无交通管制的单车道公路，那里没有红灯限制你，没有人对你说你不能用它。因此当交通繁忙时，公路上的车辆的速度自然就会慢下来，“万维网”变成“万维等待网”也就在情理之中了。而“因特网第二”将增加收税“车道”，从而提高网络的速度。
我们可以相信，随着信息技术的进一步改进，信息高速公路上的“塞车”现象会逐渐好转。
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