計算機科學導論

“計算機科學導論”是計算機類專業的必修課程，
可以引導剛剛進入大學的新生對計算機基礎知識及研究方向有一個宏觀的認識，
從而為其係統地學習計算機類專業的後續課程打基礎。
本書是學習計算機類專業知識的引導教材，也是大學計算機類專業的基礎課程教材，
其內容涉及計算機科學的諸多方面，結構嚴謹、層次分明、敘述準確。
全書內容包括概述、計算基礎、計算機系統、程序設計基礎、算法、數據結構、軟件工程、
操作系統、數據庫基礎、多媒體處理技術、計算機網絡、計算機新技術、計算機與職業素養。
本書密切結合“計算機科學導論”課程的基本教學要求，
在介紹計算機科學相關基本概念和理論的同時兼顧計算機技術和理論的*新發展成果。
通過本書的學習，學生可以較全面地掌握計算機軟/硬件技術與網絡技術的基本概念，
以及軟/硬件系統的基本工作原理，並且能夠對計算機科學的基本理論、學科知識體系、方法，
以及與其他學科之間的關係進行系統了解，為後續課程的學習奠定基礎。
此外，本書融入了思政教育的理念，強化思政內涵，
引導學生開闊視野，培養學生的價值選擇能力，
幫助學生樹立正確的理想信念和職業道德意識，提升學生綜合素質。
 本書可作為高校計算機類專業“計算機科學導論”課程的教材，
也可作為電子信息類專業學生或其他計算機愛好者了解、
學習計算機科學知識的參考書。

金保華

教授，計算機與通信工程學院院長，主要從事人工智能、計算機輔助決策系統等方面的研究。
近年來，主持或參加縱向及橫向課題十餘項，發表論文30餘篇，主編或參編教材6部，
主持省科技進步獎1項，通過省部級成果鑑定6項，主持省級教學成果鑑定1項，獲得軟件著作權3項。
自工作以來，先後主持和參加了國家“十一五”科技支撐計劃“省級應急平台與城市應急聯動應用與示範項目”、
河南省科技攻關項目“安全生產應急指揮平台關鍵係數研究”、以及各類教改項目等。
主持的教改項目“卓越工程師培養校企專業共建模式研究與改革”獲得河南省教學成果二等獎，
參加的“安全生產應急救援指揮系統的研究與開發”獲河南省科技進步獎三等獎。

目錄

第1章 概述 1
1.1　計算的歷史 1
1.2　計算機的由來 6
1.3　計算機的應用領域和發展趨勢 9
1.3.1 計算機的應用領域 9
1.3.2 計算機的發展趨勢 10
1.4　計算學科 11
1.4.1 計算學科的歷史背景 11
1.4.2 計算學科領域的分化及計算學科課程體系的核心內容 12
1.5　計算系統的層次框架 15
1.6　小結 16
習題1 16
第2章 計算基礎 19
2.1　進位計數制 19
2.1.1 十進制 20
2.1.2 二進制 21
2.1.3 八進制 21
2.1.4 十六進制 22
2.1.5 不同進制數之間的轉換 22
2.2 計算機數據存儲的組織形式 26
2.2.1 數據的存儲單位 27
2.2.2 存儲設備 27
2.2.3 編址與地址 28
2.3　數字數據的二進製表示 29
2.3.1 數的定點和浮點表示 29
2.3.2 數的編碼表示 29
2.3.3 計算機中數的浮點表示 33
2.4　文本數據的二進製表示 36
2.4.1 ASCII字符集 37
2.4.2 Unicode字符集 37
2.4.3 漢字編碼 38
2.5　音頻、圖像、視頻信息的表示 41
2.5.1 音頻信息的數字化表示 41
2.5.2 圖像、視頻信息的數字化表示 43
2.6　小結 45
習題2 45
第3章 計算機系統 48
3.1　計算機系統結構 48
3.2　計算機硬件系統 49
3.2.1 主機箱及主板 50
3.2.2 CPU 51
3.2.3 存儲器 52
3.2.4 輸入/輸出設備 55
3.2.5 總線 56
3.3　計算機軟件系統 57
3.3.1 軟件概述 57
3.3.2 軟件分類 58
3.3.3 計算機硬件和軟件的關係 59
3.3.4 計算機指令 59
3.3.5 計算機指令的執行過程 60
3.3.6 計算機的啟動過程 61
3.4　計算機性能指標 62
3.5　我國的超級計算機 64
3.6　小結 66
習題3 66
第4章 程序設計基礎 68
4.1　什麼是程序設計語言 68
4.2　程序設計語言的演化 69
4.2.1 機器語言 69
4.2.2 彙編語言 69
4.2.3 高級語言 70
4.3　高級語言類型 70
4.3.1 面向過程語言概述 70
4.3.2 面向對象語言概述 71
4.3.3 函數式語言概述 72
4.3.4 邏輯式語言概述 72
4.4　面向過程語言 72
4.4.1 變量和基本數據類型 73
4.4.2 常量 73
4.4.3 運算符與表達式 73
4.4.4 程序結構 74
4.4.5 函數 76
4.4.6 註釋 76
4.5　面向對象語言 76
4.5.1 面向對象的基本概念 76
4.5.2 面向對象的特徵 77
4.5.3 面向對象的特點 78
4.6　程序設計語言的執行過程 78
4.6.1 編輯源文件 78
4.6.2 預處理及編譯 79
4.6.3 鏈接 81
4.6.4 加載和運行 82
4.7　高級語言發展歷程 83
4.7.1 C 84
4.7.2 Java 85
4.7.3 Python 85
4.7.4 C++ 86
4.7.5 C# 87
4.7.6 JavaScript 87
4.7.7 PHP 88
4.7.8 SQL 88
4.7.9 Ruby 89
4.8　小結 89
習題4 89
第5章 算法 91
5.1　初識算法 91
5.2　算法概述 93
5.3　算法的描述工具 93
5.4　算法的基本結構 95
5.5　算法分析 98
5.6　*簡單的遞推方程求解 98
5.7　*經典算法思想概述 100
5.8　小結 104
習題5 104
第6章 數據結構 106
6.1　初識數據結構 106
6.2　數據結構概述 107
6.2.1 什麼是數據結構 107
6.2.2 數據的邏輯結構 107
6.2.3 數據的存儲結構 108
6.3　線性結構 109
6.3.1 線性表 109
6.3.2 棧 111
6.3.3 隊列 112
6.4　樹和二叉樹 112
6.4.1 樹 112
6.4.2 二叉樹 113
6.5　圖 116
6.5.1 圖的定義與術語 116
6.5.2 圖的遍歷 117
6.5.3 *小生成樹 117
6.5.4 *短路徑 118
6.6　小結 120
習題6 120
第7章 軟件工程 122
7.1　軟件與軟件危機 122
7.1.1 軟件危機的定義及典型表現 122
7.1.2 產生軟件危機的主要原因 123
7.1.3 消除軟件危機的主要措施 123
7.2　軟件工程概述及軟件生命週期 124
7.2.1 軟件工程的定義及主要目標 124
7.2.2 軟件工程的發展史 124
7.2.3 軟件生命週期 125
7.3　軟件開發過程 126
7.3.1 可行性分析 126
7.3.2 需求分析 127
7.3.3 總體設計 130
7.3.4 詳細設計 133
7.3.5 編碼實現 136
7.4　軟件測試與維護 136
7.4.1 軟件測試 136
7.4.2 軟件維護 138
7.5　軟件成本估算 139
7.5.1 估算規模 139
7.5.2 估算工作量 139
7.5.3 估算工期 139
7.5.4 估算成本 140
7.6　軟件開發規範與職業道德修養 140
7.6.1 軟件開發規範 140
7.6.2 職業道德修養 141
7.7　小結 141
習題7 141
第8章 操作系統 143
8.1　初識操作系統 143
8.1.1 操作系統的定義 143
8.1.2 計算機的啟動過程 144
8.2　操作系統的發展史 146
8.3　處理機管理 150
8.3.1 進程管理 150
8.3.2 處理機調度 153
8.4　存儲管理 155
8.4.1 內存分配與回收 155
8.4.2 內存管理的其他功能 157
8.4.3 內存中的棧和堆 158
8.5　設備管理 159
8.5.1 設備管理的功能 159
8.5.2 磁盤的性能和調度 160
8.6　文件管理 160
8.6.1 文件 161
8.6.2 目錄管理 164
8.6.3 文件管理的其他功能 166
8.7　用戶接口 167
8.8　操作系統的分類 168
8.9　主流操作系統 169
8.9.1 Windows 169
8.9.2 UNIX 170
8.9.3 Linux 171
8.9.4 macOS 172
8.10　我國自主研發之路 172
8.10.1 國產操作系統的發展歷程 172
8.10.2 主流國產操作系統 174
8.11　操作系統未來發展趨勢 176
8.12　小結 177
習題8 177
第9章 數據庫基礎 180
9.1　數據庫技術概述 180
9.1.1 初識數據庫 180
9.1.2 數據庫的基本概念 181
9.1.3 數據庫技術的發展 182
9.1.4 數據庫系統的構成 185
9.2　數據庫系統的體系結構 186
9.2.1 三級模式 186
9.2.2 兩層映像 186
9.3　數據模型 187
9.3.1 概念層數據模型 187
9.3.2 組織層數據模型 188
9.4　關係數據庫及表結構 189
9.4.1 關係數據庫 189
9.4.2 關係型數據表 190
9.5　關係數據庫及其設計 191
9.6　結構化查詢語言 195
9.6.1 數據定義 196
9.6.2 數據查詢 197
9.6.3 數據操縱 197
9.6.4 數據控制 198
9.7　數據庫管理軟件介紹 199
9.8　國產數據庫和我國自主創新之路 201
9.8.1 國產數據庫 201
9.8.2 我國自主創新之路 203
9.9　小結 203
習題9 203
第10章 多媒體處理技術 205
10.1　初識多媒體技術 205
10.2　文本處理技術 208
10.2.1 文本概述 208
10.2.2 文本處理基礎 208
10.2.3 常用文本處理軟件 212
10.3　動畫處理技術 214
10.3.1 動畫概述 214
10.3.2 動畫處理基礎 216
10.3.3 常用動畫製作軟件 218
10.4　數字圖像處理技術 219
10.4.1 數字圖像處理概述 219
10.4.2 數字圖像處理基礎 221
10.4.3 數字圖像處理軟件 227
10.5　數字音頻處理技術 228
10.5.1 數字音頻概述 228
10.5.2 數字音頻處理基礎 229
10.5.3 數字音頻處理軟件 233
10.6　數字視頻處理技術 235
10.6.1 數字視頻概述 235
10.6.2 數字視頻處理基礎 236
10.6.3 數字視頻處理軟件 240
10.7　多媒體壓縮技術 241
10.7.1 多媒體壓縮概述 241
10.7.2 多媒體壓縮基礎 241
10.8　多媒體技術的新發展 244
10.8.1 多媒體智能化 244
10.8.2 多媒體雲計算 245
10.8.3 多媒體大數據 246
10.8.4 視頻會議系統 247
10.8.5 流媒體技術 248
10.9　國產多媒體相關產品及公司和我國自主創新之路 248
10.9.1 國產多媒體相關產品及公司 248
10.9.2 我國自主創新之路 249
10.10　小結 250
習題 10 250
第11章 計算機網絡 252
11.1　初識計算機網絡 252
11.2　計算機網絡概述 253
11.2.1 計算機網絡的概念 253
11.2.2 計算機網絡的組成 254
11.2.3 計算機網絡的發展 255
11.2.4 計算機網絡的功能與分類 256
11.2.5 計算機網絡體系結構 260
11.2.6 網絡應用模式 262
11.3　網絡中間系統 264
11.3.1 網絡傳輸介質 264
11.3.2 網絡接口卡 267
11.3.3 集線器 268
11.3.4 交換機 268
11.3.5 路由器 269
11.4　計算機局域網 270
11.4.1 局域網概述 270
11.4.2 以太網 270
11.5　Internet基礎知識 271
11.5.1 Internet概述 271
11.5.2 Internet的接入 273
11.5.3 IP地址與MAC地址 274
11.5.4 WWW服務 278
11.5.5 域名系統 281
11.5.6 電子郵件 284
11.5.7 文件傳輸 285
11.5.8 遠程登錄服務 285
11.6　國產網絡相關產品和我國自主創新之路 286
11.6.1 國產網絡相關產品 286
11.6.2 我國自主創新之路 287
11.7 小結 287
習題11 287第12章 計算機新技術 291
12.1　人工智能 291
12.1.1 實例展現 291
12.1.2 人工智能的概念 292
12.1.3 人工智能的生產和發展階段 293
12.1.4 人工智能的研究領域 294
12.1.5 人工智能的研究方法 296
12.2　雲計算與雲平台技術 297
12.2.1 實例展現 297
12.2.2 雲計算 298
12.2.3 雲平台 300
12.3　大數據技術 301
12.3.1 實例展現 301
12.3.2 大數據的基本概念和特徵 302
12.3.3 大數據的發展趨勢 302
12.3.4 大數據的處理技術 303
12.4　物聯網技術 304
12.4.1 實例展現 304
12.4.2 物聯網概述 305
12.4.3 物聯網的發展趨勢 305
12.4.4 ?物聯網關鍵技術 306
12.5　區塊鏈技術 306
12.5.1 實例展現 307
12.5.2 區塊鏈概述 307
12.5.3 區塊鏈的應用前景 309
12.5.4 區塊鏈關鍵技術 310
12.6　虛擬現實與增強現實技術 311
12.6.1 實例展現 311
12.6.2 虛擬現實與增強現實概述 312
12.6.3 虛擬現實與增強現實的發展趨勢 313
12.6.4 虛擬現實與增強現實關鍵技術 314
12.7　小結 318
習題12 318