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计算机科学与技术导论(第2版)

学习计算机导论非常实用的教材,融科学与计算机历史于一体

作者:张小峰、孙玉娟、李凌云、王伊蕾、贾世祥
丛书名:计算机系列教材
定价:79
印次:2-2
ISBN:9787302528630
出版日期:2020.01.01
印刷日期:2021.07.29

本书按计算机学科知识体系来组织编排,内容包括计算机的产生与发展、计算理论、数据表示与数字逻辑、计算机组成与体系结构、操作系统、高级程序设计语言、数据结构与算法、数据库技术、软件工程、计算机网络、计算机科学前沿技术。本书一方面,提供对计算机科学理论的概览,使读者能够对这一学科的基本理论、学科知识体系、方法以及与其他学科之间的关系有所了解;另一方面,介绍计算机科学理论与技术产生、发展的历史背景知识,让读者了解半个世纪以来,计算机科学技术发展所经历的曲折和困难,激发并增强读者学习计算机科学的兴趣和积极性,为学习后续课程和献身计算机科学事业奠定方法论和价值观基础。 本书可作为高校计算机专业计算机科学与技术导论课程的教材,也可作为电气信息类专业学生或其他计算机爱好者了解、学习计算机科学知识的参考书。

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第2版前言 《计算机科学与技术导论》第1版于2011年出版后,先后被多所高校作为“计算机科学与技术导论”课程的教材或参考用书,同时,该教材获得2018年山东省教学成果二等奖。 自第1版教材出版至今,已经有8年多的时间。在这8年多的时间里,伴随着计算机计算能力的不断提升,计算机的发展进入全新的时期,“互联网+”、人工智能、云计算、大数据的时代已经到来,深度学习、计算机视觉、区块链等相关领域已经崛起。本次修订是在第1版的基础上,结合计算机发展的最新技术,对相关内容进行了调整和增删,并增加了计算机科学前沿技术一章。 第2版的修订工作由张小峰、孙玉娟、李凌云、王伊蕾和贾世祥5位老师共同完成。具体分工如下: 第2~4章由孙玉娟负责,第5~7章由李凌云负责,第9章和第10章由贾世祥负责,第11章由孙玉娟、王伊蕾负责,其余章节内容和全书的统稿工作由张小峰负责。 山东大学张彩明教授、西安电子科技大学李兴华教授在百忙中对本书的修订工作提出了许多宝贵建议,在此向他们表示感谢。 限于作者的学识水平,本书虽经认真修订,缺点仍在所难免,恳请各位专家和读者批评指正。 作者2019年7月第1版前言 本书是山东省精品课程——“计算机科学与技术导论”的配套教材。 “计算机科学与技术导论”是计算机科学与技术、软件工程、网络工程等专业学生的一门必修课程,也是电气信息类专业学生了解计算机科学的内容、方法及其发展的导引性课程。 目前,在计算机科学教育中,往往比较注重理论知识的传授和最终结论,而忽视理论的来龙去脉、思考方法以及与此相关的历史背景。学生往往不知道某个理论从何而来,为什么会是这样;不知道这一理论源于哪些问题,有多少种解决问题的方案,为什么形成了今天的科学理论。这对知识的理解和创新意识的培养是不利的,甚至是有害的。 众所周知,大学教育在传授知识的同时,更重要的任务是培养、发展学生如何进行思考、分析、探索问题的能力。这就要求在知识的传授过程中要注重知识的系统性、完整性;注重知识发展的动态性、渐进性;注重知识传授的有效性。 从学科知识构成上看,计算机科学和其他学科一样,也有一个诞生、发展和完善的过程,有系统的知识体系结构、基本理论、核心概念及典型方法,它与数学、物理学、电子学等学科有密切的联系。作者编写本书的目的是既让学生了解计算机科学理论从何处来、如何而来、向何处发展,计算机科学的内容、方法是什么,又让学生了解计算机科学与其他学科之间的关系,这对于学生从整体上了解计算机科学知识体系,学习和掌握计算机科学理论知识具有积极意义。 从学科发展过程看,计算机科学技术的发展并不是一帆风顺的,而是充满着艰难和曲折,甚至是面临危机。三百多年来,有众多科学先贤为计算机科学事业进行了艰苦卓绝的探索工作,甚至付出了毕生的心血。学科发展史则揭示了这一历史发展过程,包括问题的提出,经过的曲折和反复,理论的逐步成熟和完善,现在还遗留了哪些问题等。计算机科学技术史也是科学家克服困难、战胜危机的奋斗史,它可以使人们深入了解科学家的科学思想、科学方法以及为科学献身的奋斗精神。科学家的科学研究活动在有些情况下也是充满困惑、犹豫、徘徊,经历着痛苦,有成功,更有许许多多的失误和失败。学习科学发展的历史,可以从正反两方面去了解科学家的研究活动、科学思想和科学方法。科学史中所包含的这些生动的史实和蕴涵的深刻的科学思想,对于培养具有创造精神和创新能力的科技人才来说,都是非常必要的。 从教学实践上看,在传授知识的同时注重知识诞生的背景、发展过程以及人文知识的介绍,比单纯传授知识更能让学生理解和掌握。 鉴于此,在计算机科学与技术导论的教学中,教师应当充分挖掘专业知识中所包含的人文内涵,将学科专业知识与其相关的人文知识、人文精神和学科发展史有机地结合起来,以启迪思想、培育精神为目标,以知识为起点,以知识发现、发展和应用为主线,以现代教学媒体为手段,打造创新素质教育平台。根据以上思想,作者按照“理论产生的背景—理论发展过程—理论应用—存在的问题”的关系,重新构建“计算机科学与技术导论”课程的内容体系。以计算机学科的历史渊源、发展过程、学科特点、核心概念、典型方法和学科知识体系来组织教学。一方面,提供对计算机科学理论的概览,使学生能够对计算机学科的基本理论、学科知识体系、方法以及与其他学科之间的关系有所了解;另一方面,介绍计算机科学技术发生、发展的历史背景知识,让学生了解半个世纪以来,计算机科学技术及其信息产业发展所经历的曲折和困难,激发学生对该学科的兴趣和求知欲。 本书曾作为校内讲义多次印刷,在计算机、电气信息类各专业中使用。本次在原讲义的基础上,结合十几年的教学实践与改革,进行了比较大的修改,使其既适合在校学生学习,又适合其他读者阅读。 本书的内容安排如下。 第1章计算机的产生与发展。电子计算机的诞生与发展经历了从机械计算机、电磁式计算机,到数字电子计算机的艰苦的探索过程。在这一章中主要介绍计算机的诞生与发展过程。 第2章计算科学。计算科学是在数学和电子科学基础上发展起来的一门新兴学科,它是关于计算和计算机的数学理论。19世纪中期至20世纪中期诞生的布尔逻辑代数、图灵机模型和存储程序思想,促进了现代电子计算机的诞生,也构成了现代计算机科学的理论基础。在这一章中主要介绍布尔代数、有穷自动机、图灵机等计算理论基础以及计算机科学的基本内容、典型问题与典型方法。 第3章数据表示与数字逻辑。现代电子数字计算机是由具有各种逻辑功能的逻辑部件组成的,这些逻辑部件分别由门电路和触发器构成。通过这些逻辑电路可以表示和实现布尔代数的基本运算。本章介绍数据的二进制表示方法及逻辑运算,包括各种数制与编码、二进制逻辑运算、门电路的基本原理以及译码器、加法器、计数器等基本逻辑部件的构成与原理。 第4章计算机组成与体系结构。计算机硬件系统由一系列电子元器件按照一定的逻辑关系连接而成,是计算机的物理基础。现代计算机自问世以来发展迅速,但其基本结构仍遵循冯·诺依曼计算机结构,由运算器、控制器、存储器、输入输出设备组成。本章主要介绍计算机系统中这些基本部件的组成结构、工作原理以及各部件间的总线连接,介绍现代计算机中的RISC、并行处理等技术。 第5章操作系统。操作系统是全面管理计算机软件和硬件的系统程序,使计算机的各部件互相协调、一致地工作。操作系统也是用户与计算机之间的接口,通过它,用户可以更方便、更有效地使用计算机资源。本章主要介绍操作系统的基本概念、功能以及基本原理与方法,包括进程管理、存储管理、文件管理和设备管理等。最后介绍CP/M、DOS、Windows、UNIX、Linux等典型操作系统的发展历程。 第6章高级程序设计语言。程序设计语言是计算机的一类指令系统,是人与计算机交流和沟通的工具。程序设计语言从诞生到现在,经历了从机器语言、汇编语言到高级语言的发展阶段,已有半个多世纪的历史。在过去50多年的时间里,人们设计并实现了上百种程序设计语言,其中许多语言都包含一些新的概念、思想以及有价值的改进和创新,为今天程序设计语言的发展奠定了坚实的基础。本章主要介绍程序设计语言的基本概念、基本原理和程序设计的基本方法。 第7章数据结构与算法。随着计算机应用范围的扩大,计算机应用已不再局限于科学计算,而更多地用于控制、管理及数据处理等非数值计算的处理工作。同时,计算机处理的对象的结构也多样化,并且数据量也越来越大,因此,正确地把握和处理待处理对象的特性及其之间的关系成为程序设计首先要考虑的重要问题。算法则是对特定问题求解步骤的一种描述。在计算机科学中,数据结构与算法是构筑计算机求解问题过程的两大基石。本章主要对数据结构和算法进行简要的介绍,其中数据结构将介绍程序设计中数据的组织与存储,算法将介绍简单的算法分析与设计技术。 第8章数据库技术。从20世纪50年代开始,随着计算机硬件、软件技术的飞速发展和计算机系统在各个领域的广泛应用,数据库技术得到快速发展,成为现代计算环境的一个核心部分。有关数据库系统的知识也是计算机科学教育中的主要内容之一。本章主要介绍数据库系统的基本概念和基本原理,包括数据库系统的定义、类型、结构以及数据库管理系统和数据库语言等基本知识,最后介绍网络数据、关系数据库、SQL和事务处理技术的发展。 第9章软件工程。在计算机诞生初期,软件仅仅是计算机硬件的附属品,其作用和成本微乎其微。随着计算机应用范围的不断扩大,人们对软件的品种、数量、功能、质量等提出越来越高的要求,软件的规模日渐庞大、结构日益复杂。大型软件研发和生产过程中,出现了一系列旧的程序设计方法不能应付的问题,造成软件研发成本增加,产品质量不稳定。针对这些问题,如何用系统化、规范化等工程原则和方法去进行软件开发和维护,提高软件产品的开发效益和质量,是软件工程研究的主要内容。本章主要介绍软件工程的基本概念和方法。 第10章计算机网络。计算机网络是通信技术与计算机技术相结合的产物,也是社会发展需求与科学技术相互作用的结果。一方面,通信网络与通信技术为计算机之间的数据传递和交换提供了必要的手段,计算机技术发展渗透到通信技术中,又提高了通信网络的各种性能;另一方面,社会经济发展对网络的强烈需求极大地推动了计算机网络技术和相关产业的发展。本章主要介绍计算机网络的产生与发展、基本概念和基本知识。 在本书编写过程中,参考和借鉴了许多专家学者的研究成果,都在章后列出。同时,选用了一些组织机构网站中的照片,由于数量较多,未能全部列出,在此向这些成果(照片)的所有者和机构表示诚挚的谢意。 本书具体编写分工如下:第2章2.1~2.4节和第6~8章由张小峰博士编写,第3~5章由贾世祥博士编写,第1章、第2章2.5~2.6节和第10章由柳婵娟博士编写,第9章由唐文静博士编写。全书策划和最后统一定稿工作由邹海林教授负责。 中国矿业大学(北京)钱旭教授、山东科技大学郑永果教授分别对书稿进行了审阅,并提出诸多宝贵建议,在此向他们表示感谢。 限于作者学识水平,书中在具体内容的选择、取舍,专业术语的翻译等方面可能存在不足之处,恳请专家和读者批评指正。 作者2011年5月于烟台

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  • (1)本书涵盖计算机科学的主要内容,包括理论产生、研究的动因、思想方法、理论修正完善的过程及相关应用领域。

    (2)融合科学教育与人文教育,寓人文素质教育于科学知识的传授之中;注重思想、方法的剖析与传授,以启迪科学思想、培育创新精神。
    (3)全书图文并茂,配有大量的图、表和示例,以增加教材的实用性和可读性。
    (4)兼顾学科知识的广度和深度,全景式展现计算机科学的基本理论、内容体系和方法。

  • (1)本书涵盖计算机科学的主要内容,包括理论产生、研究的动因、思想方法、理论修正完善的过程及相关应用领域。

    (2)融合科学教育与人文教育,寓人文素质教育于科学知识的传授之中;注重思想、方法的剖析与传授,以启迪科学思想、培育创新精神。
    (3)全书图文并茂,配有大量的图、表和示例,以增加教材的实用性和可读性。
    (4)兼顾学科知识的广度和深度,全景式展现计算机科学的基本理论、内容体系和方法。

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  • 目录

    第1章计算机的产生与发展1

    1.1计算的起源1

    1.1.1数的概念及记数方法的诞生1

    1.1.2古埃及数学及记数体系2

    1.1.3巴比伦数学及记数体系3

    1.1.4中国古代记数体系及算术3

    1.1.5古印度数学及记数体系6

    1.2早期的计算工具6

    1.2.1世界最早的计算工具——中国算筹6

    1.2.2耐普尔算筹7

    1.2.3计算尺8

    1.3机械计算机的研制9

    1.4电磁计算机11

    1.5电子计算机的发明14

    1.6电子计算机的发展与应用17

    1.6.1电子计算机的发展阶段17

    1.6.2巨型机的研究与发展20

    1.6.3微型机的发展23

    科学人物25

    参考文献28第2章计算理论29

    2.1计算科学的理论基础29

    2.1.1布尔代数29

    2.1.2有穷自动机31

    2.1.3图灵机34

    2.2计算科学概述36

    2.2.1计算科学的基本问题36

    2.2.2计算科学的基本内容37

    2.2.3计算科学与其他相关学科的关系39

    2.3计算科学中的典型问题39

    2.3.1哥尼斯堡七桥问题40

    2.3.2四色问题402.3.336军官问题41

    2.3.4哈密顿回路及旅行推销员问题42

    2.3.5Hanoi塔问题43

    2.3.6生产者消费者问题与哲学家共餐问题44

    2.4计算机学科的典型方法46

    2.4.1抽象方法46

    2.4.2构造性方法46

    2.4.3公理化方法47

    2.4.4形式化方法48

    2.4.5原型方法与演化方法48

    2.5算法复杂度48

    2.5.1算法复杂度的衡量49

    2.5.2NP完...

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