大学计算机

全书围绕计算与计算机科学的特点、形态、历史渊源、发展变化、应用技术以及计算思维等方面内容及其内在的关联进行介绍，为了便于对知识深化和拓展，各章后附有相应的扩展阅读材料。

本书是21世纪高等学校计算机基础实用系列教材之一，结合了教育部对新工科人才培养的新思想、新要求、新标准以及教学实践。本书以计算与计算机科学的特点、形态、历史渊源、发展变化、应用技术等基础理论为知识结构，具体从基础理论、计算机体系结构、计算机软件、问题求解、算法设计、数据管理和网络技术等方面多维度进行阐述，共分为计算与计算思维、计算机的理论基础、计算机技术、计算机方法学、数据管理技术和计算机网络6章，为了便于对知识深化和拓展，各章后附有相应的阅读材料。全书整体结构体系严谨、文字叙述清晰流畅、内容描述循序渐进，具有涉及专业知识广泛、概念层次明确的特点。通过本书的学习，读者可以系统性地认识计算机科学本质，学习计算机专业理论和关键技术，增强对计算思维的理解，培养计算机技术应用能力。本书可作为高等院校非计算机专业学生的“大学计算机”课程的教材，也可作为相关教学人员、工程技术人员及计算机爱好者的学习参考书。

第1章 计算与计算思维
1.1 计算需求及技术演变
1.1.1 早期的计算
1.1.2 现代计算机
1.1.3 计算及技术的应用
1.1.4 未来计算机
1.2 计算思维
1.2.1 科学思维
1.2.2 计算思维的定义
1.2.3 计算思维的应用
1.3 计算技术在中国的发展
1.3.1 中国古代的计算
1.3.2 中国的计算机
1.3.3 中国计算机技术的进展
阅读材料 华罗庚与中国计算机的发展
集成电路
第2章 计算机的理论基础
2.1 数制
2.1.1 进位计数制
2.1.2 计算机中的数制
2.2 数据存储的组织方式
2.2.1 数据单位
2.2.2 数据的存储
2.2.3 存储编址
2.3 数据表示
2.3.1 数值型数据
2.3.2 字符数据
2.3.3 声音数据
2.3.4 图像数据
2.3.5 视频数据
2.4 数据结构
2.4.1 逻辑结构
2.4.2 存储结构
2.4.3 基本操作
2.4.4 典型的数据结构
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计算机中加法的实现
第3章 计算机技术
3.1 计算机体系结构
3.1.1 图灵理论模型
3.1.2 冯·诺依曼结构
3.2 计算机的主要部件
3.2.1 CPU
3.2.2 存储器
3.2.3 外部设备
3.2.4 总线
3.3 计算机软件
3.3.1 基本概念
3.3.2 操作系统
3.3.3 从机器语言到高级语言
3.4 软件工程
3.4.1 软件危机
3.4.2 软件工程定义
3.4.3 软件生命周期
3.4.4 软件开发模型
阅读材料 国产中央处理器的发展
智能手机操作系统
第4章 计算机方法学
4.1 问题求解
4.1.1 基本模式
4.1.2 借助计算机的求解过程
4.1.3 两种问题求解过程的比较
4.2 问题的抽象
4.2.1 哥尼斯堡七桥问题
4.2.2 数学模型
4.3 认识算法
4.3.1 什么是算法
4.3.2 算法的描述
4.3.3 算法的评价
4.4 算法设计
4.4.1 穷举法
4.4.2 分治法
4.4.3 动态规划法
4.4.4 递归法
4.4.5 递推法
4.4.6 贪心法
4.4.7 回溯法
4.5 程序设计基础
4.5.1 基本概念
4.5.2 结构化程序设计
4.5.3 面向对象程序设计
阅读材料 《九章算术》之更相减损术
排序算法
第5章 数据管理技术
5.1 数据管理
5.1.1 信息与数据
5.1.2 数据管理的变迁
5.2 数据库基础
5.2.1 基本概念
5.2.2 数据抽象
5.2.3 数据库的体系结构
5.3 关系代数和结构化查询语言
5.3.1 关系代数
5.3.2 结构化查询语言
5.4 数据库及应用
5.4.1 常见的数据库
5.4.2 新型数据库技术
5.4.3 数据库的典型应用
阅读材料 大数据应用
国产数据库发展现状
第6章 计算机网络
6.1 网络基础知识
6.1.1 计算机网络的起源与发展
6.1.2 计算机网络的分类
6.1.3 计算机网络的功能
6.1.4 网络协议与体系结构
6.1.5 网络传输介质及关键设备
6.2 局域网
6.2.1 局域网标准
6.2.2 以太网
6.2.3 无线局域网
6.3 因特网
6.3.1 因特网的发展史
6.3.2 因特网的关键技术
6.3.3 IP地址
6.3.4 IP
6.3.5 传输层协议
6.3.6 域名系统
6.4 因特网服务及对人类的影响
6.4.1 因特网服务
6.4.2 网络空间安全
阅读材料 物联网
卫星互联网
参考文献

     计算机技术 第3章 计算机(computer)俗称电脑,是一种用于高速计算的电子计算机器。计算机具有数据 存储记忆功能,是可以按照程序自动、高速运行并处理海量数据的现代化智能电子设备。计 算机技术的内容非常广泛,通常是指计算机领域中所运用的技术方法和技术手段,具有明显 的综合特性。它与电子工程、应用物理、机械工程、现代通信技术和数学等紧密结合,并随着 相关技术的发展而快速发展。 计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统两大部分组成。其中,计算机硬件系 统相关技术包括计算机体系结构、计算机部件技术、计算机器件技术和计算机组装技术等几 方面;计算机软件系统相关技术包括操作系统、程序设计语言以及软件应用技术等。 3.计算机体系结构 1 3.1 图灵理论模型 1. 阿兰·图灵(AlanTuring,以下简称图灵,1912 年6月23 日—1954 年6月7日)如 图3-1所示。他是英国有名的数学家和逻辑学家,被称为计算机 科学之父、人工智能之父,是计算机逻辑的奠基者,被永远载入计 算机的发展史中。图灵对电子计算机发展的主要贡献有两个:一 是建立图灵机(Turingmachine)理论模型;二是提出定义机器智 能的图灵测试(Turingtest)。 1936 年,图灵发表了一篇论文———《论可计算的数及其在密 码问题的应用》,首次提出了一种抽象逻辑机的通用模型,现在人 们就把这个模型机称为图灵机,缩写为TM 。 图灵的基本思想是用机器来模拟用纸笔进行数学运算的过图3-1 阿兰·图灵 程,他把过程看作两种简单的动作: (1)在纸上写上或擦除某个符号; (2)把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置。 而在每个阶段,要决定下一步的动作,依赖于当前所关注的纸上某个位置的符号和当前 思维的状态。 为了模拟这种运算过程,图灵构造的TM 由以下几部分组成:一个处理器P、一个读写 头W/R、一条存储带M和一套控制规则TABLE 组成,如图3-2所示。其中,M是一条无 限长的带,被分成一个接一个单元,从最左单元开始依次被编号为0,1,2,…, 向右延伸直至 大学计算机 无穷。读写头W/R可以在M上左右移动,它能读出当前所指单元上的符号,并能改变当前 单元上的符号。P是一个有限状态控制器,能使W/R左移或右移,并且控制针对M上的符 号进行修改或读出。控制规则TABLE 根据当前机器所处的状态以及当前读写头所指的单 元上的符号来确定读写头下一步的动作。图灵通过把非本质的东西丢掉,将整个计算过程 局限在了少数非常简单的操作上。 98 图3-2 图灵机原理 那么,图灵机怎样进行运算呢? 例如,做加法3+2=? 开始先把最左单元放上特殊的 符号B,表示分割空格,它不属于输入符号集。然后写上3个“1,(”) 用B分割后再写上2个“1,(”) 接着再填一个B,相加时,只要把中间的B修改为“1,(”) 而把最右边的“1”修改为B,于是 机器把两个B之间的“1”读出就得到3+2=5。由于计算过程的直观概念可以看成是能用 机器实现的有限指令序列,因此图灵机被认为是过程的形式定义,图灵认为这样的一台机器 就能模拟人类所能进行的任何计算过程。 显然,图灵机每一部分都是有限的,因此仅仅是理论模型。如果问“哪家公司生产图灵 机?” 那将令人啼笑皆非。那么,这个理论模型是否有实际意义呢? 理论已经证明,如果图灵 机不能解决的计算问题,那么实际计算机也不可能解决。只有图灵机能够解决的计算问题, 实际计算机才有可能解决。当然,还有些问题是图灵机可以解决而实际计算机还不能实现 的。图灵机的计算能力概括了数字计算机的计算能力,它能识别的语言属于递归可枚举集 合,它能计算的问题称为部分递归函数的整数函数。图灵给可计算性下了一个严格的数学 定义,在这个基础上发展了可计算性理论。 因此,可以认为图灵机对数字计算机的一般结构、可实现性和局限性产生了意义深远的 影响。直到今天,人们还在研究各种形式的图灵机,如可逆TM 、化学TM,甚至酶TM 、细胞 TM,以便解决理论计算机科学中的许多所谓基本极限问题。 图灵在对人工智能的研究中,提出了一个叫作图灵测试的实验,尝试定出一个决定机器 是否有智能的标准。1950 年10 月,图灵发表了另一篇题为《机器能思考吗》的论文,其中提 出了一种用于判定机器是否具有智能的试验方法,即图灵测试。测试由计算机、被测试的人 3)主存储器 主存储器是计算机硬件的一个重要部件。它是CPU 能够直接随机存取的存储器,简 称主存。主存储器一般采用半导体存储器,用来存储计算机运行期间较常用的大量的程序 和数据。 目前主存储器已采用大规模集成电路构成,主要是随机存储器(RAM )。其内容可以根 据需要随时按地址读出或写入,通过某种电触发器的状态进行存储。断电后信息无法