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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40

2.3.336军官问题41

2.3.4哈密顿回路及旅行推销员问题42

2.3.5 Hanoi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完全理论51

2.6公钥密码体制53

2.6.1预备知识55

2.6.2RSA公钥密码体制57

知识链接58

科学人物59

阅读材料62

参考文献71

第3章数据表示与数字逻辑72

3.1数制72

3.1.1进位记数制72

3.1.2不同进位制数的转换74

3.2编码79

3.2.1BCD79

3.2.2文本81

3.2.3图像85

3.2.4声音86

3.2.5可靠性编码86

3.3二进制逻辑运算91

3.4二进制算术运算92

3.4.1原码、反码及补码92

3.4.2定点数与浮点数95

3.4.3算术运算97

3.5逻辑门电路100

3.5.1晶体管100

3.5.2非门102

3.5.3与非门102

3.5.4或非门102

3.6组合逻辑电路103

3.6.1逻辑函数103

3.6.2译码器104

3.6.3多路复用器105

3.6.4加法器105

3.7时序逻辑电路107

3.7.1存储单元107

3.7.2时序逻辑电路的结构110

3.7.3计数器110

3.7.4内存112

知识链接113

阅读材料114

参考文献117

第4章计算机组成与体系结构118

4.1概述118

4.1.1冯·诺依曼计算机结构118

4.1.2计算机组成与体系结构的差别119

4.1.3计算机的分类120

4.2中央处理器121

4.2.1机器指令121

4.2.2CPU的功能与组成122

4.2.3 CISC和RISC125

4.2.4指令流水线126

4.2.5向量计算机127

4.3存储器128

4.3.1存储器概述128

4.3.2存储器的层次结构129

4.3.3半导体存储器130

4.3.4主存储器132

4.3.5Cache133

4.3.6磁盘存储器136

4.3.7光盘存储器138

4.3.8虚拟存储器139

4.3.9 NAS和SAN143

4.4总线145

4.4.1总线的基本概念145

4.4.2总线的分类146

4.4.3总线特性及性能指标147

4.4.4总线标准148

4.5输入输出系统152

4.5.1输入输出设备152

4.5.2输入输出接口153

4.5.3I/O编址154

4.5.4 I/O控制方式154

4.6并行计算机157

4.6.1并行计算机的分类157

4.6.2片内并行158

4.6.3单片多处理器159

4.6.4协处理器160

4.6.5多处理器160

4.6.6多计算机161

4.6.7网格162

知识链接164

阅读材料165

参考文献168

第5章操作系统170

5.1操作系统概论170

5.1.1操作系统的功能170

5.1.2操作系统的特征171

5.2操作系统的发展与分类172

5.2.1手工处理阶段172

5.2.2批处理系统172

5.2.3多道程序系统174

5.2.4分时操作系统175

5.2.5实时操作系统177

5.2.6微机操作系统178

5.2.7多处理器系统178

5.2.8网络操作系统179

5.2.9分布式操作系统181

5.3进程管理182

5.3.1进程的概念182

5.3.2进程的组成183

5.3.3进程的创建184

5.3.4进程的终止184

5.3.5进程的状态185

5.3.6处理器调度185

5.3.7线程188

5.4进程的并发控制189

5.4.1进程的互斥189

5.4.2进程的同步191

5.4.3信号量与PV操作191

5.4.4管程192

5.4.5死锁与饥饿193

5.5存储管理194

5.5.1存储管理的功能195

5.5.2存储管理基本技术196

5.5.3分页和分段存储管理197

5.5.4虚拟存储技术197

5.6文件系统198

5.6.1文件的概念198

5.6.2文件的实现200

5.6.3目录的概念203

5.6.4目录的实现205

5.6.5文件的共享和保护206

5.7设备管理207

5.7.1设备管理的目标与功能207

5.7.2设备的分类208

5.7.3输入输出控制方式209

5.7.4缓冲技术209

5.7.5设备驱动程序210

5.7.6设备分配210

知识链接212

阅读材料214

参考文献225

第6章高级程序设计语言226

6.1程序设计语言的发展226

6.1.1机器语言226

6.1.2汇编语言227

6.1.3高级语言229

6.2程序设计的一般过程230

6.2.1分析问题寻求算法230

6.2.2程序设计231

6.2.3程序实现231

6.2.4程序正确性检验231

6.3程序的基本结构232

6.4数据类型与运算233

6.4.1基本字符、标识符和关键字234

6.4.2类型与数据表示235

6.4.3算术运算符、算术表达式238

6.4.4计算与类型240

6.5数组241

6.5.1数组的概念、定义和使用241

6.5.2数组实例244

6.6程序控制结构246

6.6.1条件语句247

6.6.2while循环语句249

6.6.3 for循环语句250

6.7函数252

6.7.1一个简单的函数调用252

6.7.2函数定义的形式254

6.7.3形参与实参255

6.7.4函数与程序256

6.8程序设计方法258

6.8.1结构化程序设计258

6.8.2面向对象程序设计259

6.8.3程序设计方法的发展260

6.9程序的书写规则261

6.9.1变量的命名261

6.9.2语句的层次和对齐261

6.9.3注释262

知识链接263

阅读材料264

参考文献267

第7章数据结构与算法268

7.1概述268

7.1.1数据结构268

7.1.2算法269

7.2线性结构269

7.2.1数组269

7.2.2链表271

7.2.3栈273

7.2.4队列275

7.3树277

7.3.1树的实现277

7.3.2二叉树包279

7.4图282

7.4.1图的存储283

7.4.2图的遍历284

7.4.3最小生成树285

7.5暴力求解策略287

7.5.10-1背包问题288

7.5.2八皇后问题290

7.6递归与分治策略291

7.6.1递归292

7.6.2分治策略293

7.7动态规划294

7.8贪心算法298

7.9回溯法299

7.10分支限界法302

知识链接303

科学人物303

参考文献305

第8章数据库技术306

8.1数据管理的发展306

8.2数据模型与数据库系统309

8.2.1数据模型及其组成要素309

8.2.2概念模型310

8.2.3基于层次模型的数据库系统311

8.2.4基于网状模型的数据库系统312

8.2.5基于关系模型的数据库系统313

8.2.6常用的数据库管理系统315

8.3SQL316

8.3.1 SQL的产生和发展316

8.3.2 SQL的特点317

8.3.3 SQL的功能317

8.4事务处理技术与并发控制318

8.4.1事务318

8.4.2数据库并发控制319

8.5几种新型的数据库系统320

8.5.1分布式数据库321

8.5.2联邦式数据库321

8.5.3并行数据库322

8.5.4主动数据库322

8.5.5知识库322

8.5.6面向对象数据库323

8.5.7多媒体数据库324

8.5.8模糊数据库324

8.5.9数据仓库324

8.6数据库系统的应用325

8.6.1信息与信息系统325

8.6.2事务处理系统327

8.6.3管理信息系统327

8.6.4决策支持系统328

8.6.5数据挖掘329

知识链接330

科学人物330

参考文献335

第9章软件工程336

9.1软件与软件工程336

9.1.1软件与软件危机336

9.1.2软件工程简介338

9.2可行性论证与需求分析340

9.2.1可行性论证340

9.2.2需求分析340

9.3总体设计342

9.3.1总体设计的任务342

9.3.2总体设计的过程343

9.4详细设计与软件编码344

9.4.1详细设计344

9.4.2软件编码345

9.5软件测试346

9.5.1软件测试的基本概念347

9.5.2软件测试方法348

9.5.3软件测试策略349

9.6软件维护350

9.6.1软件维护的概念350

9.6.2软件维护的特点351

9.6.3软件维护的过程351

9.7面向对象方法352

9.7.1面向对象分析352

9.7.2面向对象设计353

9.7.3面向对象实现355

9.8统一建模语言355

9.8.1UML的组成356

9.8.2静态建模356

9.8.3动态建模357

9.8.4基于UML的统一建模过程358

阅读材料358

参考文献362

第10章计算机网络364

10.1计算机网络的产生与发展364

10.2计算机网络的结构与组成368

10.2.1计算机网络分类368

10.2.2计算机网络的拓扑结构369

10.3计算机网络体系结构371

10.3.1通信协议371

10.3.2网络系统的体系结构372

10.3.3开放系统互连参考模型374

10.3.4TCP/IP参考模型376

10.3.5 OSI参考模型和TCP/IP参考模型的比较383

10.3.6 5层网络参考模型384

10.4常用计算机网络设备385

10.5计算机网络安全391

10.5.1基本概念391

10.5.2网络安全攻击392

10.5.3网络安全策略393

10.5.4网络安全机制393

10.5.5防火墙396

10.5.6入侵检测398

10.6网络应用中的社会问题401

10.7计算机网络技术的新发展403

10.7.1新型网络应用技术403

10.7.2宽带网络技术405

10.7.3统一网络技术406

10.7.4P2P网络研究与发展409

10.7.5计算机网络技术发展展望414

阅读材料416

参考文献428

第11章计算机科学前沿技术429

11.1人工智能429

11.1.1人工智能的产生429

11.1.2人工智能主要研究内容435

11.1.3人工智能发展与应用展望438

11.2人工神经网络440

11.2.1多层感知神经网络441

11.2.2自组织竞争型神经网络442

11.2.3Hopfield神经网络442

11.3深度学习444

11.3.1神经网络与深度学习的发展历程444

11.3.2生活中的深度学习445

11.3.3卷积神经网络的构成445

11.3.4卷积神经网络的结构448

11.4区块链456

11.4.1比特币456

11.4.2区块链技术461

11.4.3结束语470

11.5云计算470

11.5.1云计算简介471

11.5.2云计算的特点472

11.5.3云计算技术分类473

11.6大数据476

11.6.1大数据的概念和特征476

11.6.2大数据的产生和数据类型477

11.6.3大数据计算模式和系统478

11.6.4大数据的主要技术层面和技术内容478

11.6.5大数据的典型应用480

科学人物481

参考文献487