計算概論

前言

　　21世紀是知識經(jīng)濟的時代，是人才競爭的時代。隨著21世紀的到來，人類已步人信息社會，信息產(chǎn)業(yè)正成為全球經(jīng)濟的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。計算機科學與技術(shù)在信息產(chǎn)業(yè)中占據(jù)了最重要的地位，這就對培養(yǎng)21世紀高素質(zhì)創(chuàng)新型計算機專業(yè)人才提出了迫切的要求?！　榱伺囵B(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，必須建立高水平的教學計劃和課程體系。在20多年跟蹤分析ACM和IEEE計算機課程體系的基礎(chǔ)上，緊跟計算機科學與技術(shù)的發(fā)展潮流，及時制定并修正教學計劃和課程體系是尤其重要的。計算機科學與技術(shù)的發(fā)展對高水平人才的要求，需要我們從總體上優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，精煉教學內(nèi)容，拓寬專業(yè)基礎(chǔ)，加強教學實踐，特別注重綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，形成“基礎(chǔ)課程精深，專業(yè)課程寬新”的格局。　　為了適應(yīng)計算機科學與技術(shù)學科發(fā)展和計算機教學計劃的需要，要采取多種措施鼓勵長期從事計算機教學和科技前沿研究的專家教授積極參與計算機專業(yè)教材的編著和更新，在教材中及時反映學科前沿的研究成果與發(fā)展趨勢，以高水平的科研促進教材建設(shè)。同時適當引進國外先進的原版教材?！　榱颂岣呓虒W質(zhì)量，需要不斷改革教學方法與手段，倡導(dǎo)因材施教，強調(diào)知識的總結(jié)、梳理、推演和挖掘，通過加快教案的不斷更新，使學生掌握教材中未及時反映的學科發(fā)展新動向，進一步拓寬視野。教學與科研相結(jié)合是培養(yǎng)學生實踐能力的有效途徑。高水平的科研可以為教學提供最先進的高新技術(shù)平臺和創(chuàng)造性的工作環(huán)境，使學生得以接觸最先進的計算機理論、技術(shù)和環(huán)境。高水平的科研還可以為高水平人才的素質(zhì)教育提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。學生在課題研究中不但能了解科學研究的艱辛和科研工作者的奉獻精神，而且能熏陶和培養(yǎng)良好的科研作風，鍛煉和培養(yǎng)攻關(guān)能力和協(xié)作精神。　　進入21世紀，我國高等教育進入了前所未有的大發(fā)展時期，時代的進步與發(fā)展對高等教育質(zhì)量提出了更高、更新的要求。2001年8月，教育部頒發(fā)了《關(guān)于加強高等學校本科教學工作，提高教學質(zhì)量的若干意見》。文件指出，本科教育是高等教育的主體和基礎(chǔ)，抓好本科教學是提高整個高等教育質(zhì)量的重點和關(guān)鍵。隨著高等教育的普及和高等學校的擴招，在校大學本科計算機專業(yè)學生的人數(shù)將大量上升，對適合21世紀大學本科計算機科學與技術(shù)學科課程體系要求的，并且適合中國學生學習的計算機專業(yè)教材的需求量也將急劇增加。為此，中國計算機學會和清華大學出版社共同規(guī)劃了面向全國高等院校計算機專業(yè)本科生的“21世紀大學本科計算機專業(yè)系列教材”。本系列教材借鑒美國ACM和IEEE最新制定的Cornputing.Curricula 2005（簡稱CC2005）課程體系，反映當代計算機科學與技術(shù)學科水平和計算機科學技術(shù)的新發(fā)展、新技術(shù)，并且結(jié)合中國計算機教育改革成果和中國國情。

內(nèi)容概要

　　《計算概論（第2版）》是一本軟件和硬件知識豐富而全面的計算機入門教材，其內(nèi)容重點不是放在計算機的具體操作說明上，也不是表面地講一些技術(shù)發(fā)展狀況，而是在計算機和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)知識和技術(shù)原理上，努力從概念層面作全面清晰的講解。結(jié)合具體的例子，講解軟件和硬件組成的相關(guān)概念，以深入淺出的文字說明其工作原理?！队嬎愀耪摚ǖ?版）》的內(nèi)容包括4個方面：
信息技術(shù)發(fā)展概貌、計算機互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機的組成原理、程序設(shè)計方法。本教材“立足基礎(chǔ)、因材施教、強化實踐”。
　　《計算概論（第2版）》適合作為高等學校理工專業(yè)本科生的計算概論、計算機導(dǎo)論等計算機入門課程的教學用書，也可以作為參與計算機和信息科學競賽項目的參考書。

作者簡介

　　許卓群，北京大學信息科學技術(shù)學院網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)研究所教授、博導(dǎo)。北京大學數(shù)學力學系計算數(shù)學專業(yè)畢業(yè)。多年承擔北京大學“計算概論”課程教學任務(wù)，出版了《計算概淪》和《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》，后者獲1992年國家優(yōu)秀教材獎。曾擔任教育部高等學校計算機科學與技術(shù)教學指導(dǎo)委員會副主任（1985-2000）。，主要研究方向為人工智能、互聯(lián)網(wǎng)信息共享技術(shù)、并行編譯技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、輔助決策以及計算網(wǎng)格等。
　　李文新，北京大學博士，香港理工大學博士，北京大學信息科學技術(shù)學院教授、基礎(chǔ)教育部副主任，北京大學計算機實驗教學中心主任。中國計算機學會人工智能與模式識別專委會委員、信息學奧賽科學委員會委員，北京市科協(xié)青少年科技教育協(xié)會副理事長。ACM／ICPC國際大學生程序設(shè)計競賽亞洲區(qū)教練及競賽指導(dǎo)委員會委員、北京大學ACM競賽代表隊領(lǐng)隊，2006年獲ACM／ICPC組織頒發(fā)的“區(qū)域發(fā)展杰出貢獻獎”。主要研究領(lǐng)域為人工智能、生物特征識別技術(shù)，是國際上最早從事自動化掌紋識別的研究者之一。
　　羅英偉，1999年獲北京大學理學博士學位，北京大學信息科學技術(shù)學院網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)研究所教授。主要研究方向為系統(tǒng)虛擬化、地理信息系統(tǒng)。中國計算機學會高級會員，體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件專委會委員，ACM／IEEE會員。在國內(nèi)外期刊和國際會議上發(fā)表學術(shù)論文80余篇。目前承擔本科公共基礎(chǔ)課“計算概論”、選修課“網(wǎng)絡(luò)存儲與系統(tǒng)虛擬化技術(shù)”和研究生選修課“空間信息系統(tǒng)與輔助設(shè)計”等課程的教學任務(wù)。
　　汪小林，2001年獲北京大學理學博士學位，北京大學信息科學技術(shù)學院網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)研究所副教授。主要研究方向為系統(tǒng)虛擬化、地理信息系統(tǒng)。在國內(nèi)外期刊和國際會議上發(fā)表學術(shù)論文50余篇。目前承擔本科專業(yè)必修課“算法設(shè)計與分析”、公共基礎(chǔ)課“計算概論”等課程的教學任務(wù)。

書籍目錄

第1章 計算機與信息社會
1.1 信息與信息服務(wù)
1.1.1 信息服務(wù)
1.1.2 數(shù)據(jù)是編碼的信息
1.1.3 二進制信息編碼
1.1.4 信息編碼長度
1.1.5 信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和國際互聯(lián)網(wǎng)
1.1.6 計算機發(fā)展的四代歷程
1.1.7 大規(guī)模集成電路與摩爾定律
1.1.8 微型計算機
1.1.9 人和機器的雙向互動
1.2 數(shù)字計算機的主要特征
1.2.1 計算機的基本組成
1.2.2 CPU和主存儲器
1.2.3 數(shù)據(jù)——整數(shù)的二進制編碼
1.2.4 程序——匯編程序語言及高級程序語言
1.3 國際互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成
1.3.1 局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)
1.3.2 局域網(wǎng)與路由器
1.3.3 無線網(wǎng)
1.4 CPU的二進制算術(shù)運算和邏輯運算
1.4.1 定點數(shù)與浮點數(shù)
1.4.2 負數(shù)的表示法
1.4.3 CPU的二進制邏輯運算
1.5 習題
第2章 互聯(lián)網(wǎng)與信息共享
2.1 互聯(lián)網(wǎng)的歷史發(fā)展
2.2 互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議
2.2.1 通信協(xié)議棧
2.2.2 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議
2.2.3 傳輸層協(xié)議
2.3 互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用
2.3.1 電子郵件收發(fā)
2.3.2 遠程文件傳輸
2.3.3 網(wǎng)頁瀏覽
2.3.4 即時通信
2.3.5 P2P文件共享
2.4 接入互聯(lián)網(wǎng)
2.4.1 通過小區(qū)寬帶或校園網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)
2.4.2 通過ADSL接入因特網(wǎng)
2.5 組建自己的局域網(wǎng)
2.6 習題
第3章 計算機的基本組成
3.1 計算機的硬件組成
3.1.1 計算機的邏輯結(jié)構(gòu)
3.1.2 計算機的主要部件
3.1.3 計算機外圍設(shè)備
3.1.4 網(wǎng)絡(luò)計算機
3.2 計算機的軟件組成
3.2.1 系統(tǒng)軟件
3.2.2 應(yīng)用軟件
3.3 計算機硬件與軟件的協(xié)同工作
3.4 購買自己的計算機
3.4.1 選擇硬件
3.4.2 安裝操作系統(tǒng)
3.4.3 安裝應(yīng)用軟件
3.5 有關(guān)計算機發(fā)展的人物和組織
3.5.1 圖靈和圖靈獎
3.5.2 馮·諾依曼
3.5.3 計算機界具有影響力的兩大國際學術(shù)組織
3.6 習題
第4章 信息表示與信息輸入輸出
4.1 計算機能幫我們做什么
4.1.1 閱讀與寫作
4.1.2 音樂
4.1.3 圖片
4.1.4 動畫與電影
4.1.5 游戲
4.2 信息表示及信息輸入輸出
4.2.1 二進制信息編碼
4.2.2 信息輸入輸出的本質(zhì)
4.2.3 計算機系統(tǒng)的信息交換環(huán)境
4.3 信息的編碼及其輸入與輸出
4.3.1 數(shù)值的表示范圍和精度
4.3.2 指令編碼
4.3.3 聲音編碼及其輸入與輸出
4.3.4 顏色編碼及其展示
4.3.5 圖形／圖像編碼及其輸人與輸出
4.3.6 字符編碼及其輸入與輸出
4.3.7 動畫／影像編碼
4.3.8 基本的編碼規(guī)則
4.3.9 復(fù)雜編碼
4.4 多媒體技術(shù)
4.4.1 多媒體技術(shù)的基本概念
4.4.2 多媒體信息的壓縮編碼
4.4.3 多媒體應(yīng)用軟件
4.5 人機交互
4.5.1 圖形用戶界面
4.5.2 人機交互技術(shù)的發(fā)展
4.6 習題
第5章 信息存儲
5.1 存儲設(shè)備的性能指標
5.2 計算機存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
5.3 磁盤的結(jié)構(gòu)與工作原理
5.3.1 磁介質(zhì)的存儲原理
5.3.2 磁盤的盤片
5.3.3 磁盤的結(jié)構(gòu)
5.3.4 磁盤的使用
5.4 其他存儲設(shè)備
5.4.1 磁帶及磁帶機
5.4.2 光盤存儲
5.4.3 閃存技術(shù)
5.5 習題
第6章 CPU的信息處理
6.1 圖靈機
6.1.1 圖靈機模型
6.1.2 圖靈機計算舉例
6.1.3 計算機科學理論的發(fā)展里：
6.2 指令系統(tǒng)
6.2.1 指令系統(tǒng)簡介
6.2.2 指令編碼
6.3 中央處理器
6.3.1 CPU的組成
6.3.2 指令的執(zhí)行
6.3.3 程序中斷
6.4 主存儲器及其與CPU的信息交換
6.4.1 主存儲器的組成
6.4.2 存儲單元及存儲地址
6.4.3 存儲總線與數(shù)據(jù)傳輸
6.5 習題
第7章 計算機軟件與硬件的協(xié)同工作
7.1 計算機中的信息資源與信息服務(wù)
7.1.1 硬件資源與軟件資源
7.1.2 資源管理和信息服務(wù)
7.1.3 虛擬服務(wù)技術(shù)
7.2 操作系統(tǒng)
7.2.1 操作系統(tǒng)的主要功能和當前流行的操作系統(tǒng)類型
7.2.2 CPU管理和任務(wù)管理
7.2.3 I／O外部設(shè)備管理
7.2.4 存儲資源管理
7.2.5 用戶界面
7.3 文件系統(tǒng)
7.3.1 文件和文件夾
7.3.2 目錄結(jié)構(gòu)下的文件訪問
7.3.3 硬盤的文件存儲結(jié)構(gòu)
7.3.4 Windows資源管理器
7.3.5 NTFS
7.4 Windows操作系統(tǒng)的維護管理
7.4.1 磁盤管理工具
7.4.2 磁盤碎片整理工具
……
第8章 程序設(shè)計——入門篇
第9章 程序設(shè)計——基本框架
第10章 程序設(shè)計——數(shù)組和結(jié)構(gòu)
第11章 程序設(shè)計——函數(shù)
第12章 問題分析與算法設(shè)計
參考文獻

章節(jié)摘錄

　　信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展又進一步推動計算機的廣泛應(yīng)用。計算機的高速加工信息能力是非常驚人的，但如果沒有足夠的信息處理任務(wù)和大量的數(shù)據(jù)流人，計算機再好也是巧婦難做無米之炊，只能放在一邊當擺設(shè)。信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)扮演著信息源泉的角色，同時還扮演著為大眾提供信息服務(wù)平臺，通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)向信息服務(wù)設(shè)備（服務(wù)器）提出各種各樣的信息處理任務(wù)?！　〕斯娛褂玫膰H互聯(lián)網(wǎng)之外，信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也包括那些從屬于企事業(yè)單位，為內(nèi)部業(yè)務(wù)發(fā)展需要而建立的內(nèi)部信息網(wǎng)絡(luò)，還包括支持家庭生活的信息網(wǎng)絡(luò)。信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)是計算機網(wǎng)絡(luò)，它由如下三個主要部分組成：　?。?）互相連接的多臺計算機或高級家電設(shè)備?！　。?）互聯(lián)線路或無線通信介質(zhì)?！　。?）網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)軟件?！　⌒畔⒒ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)采用了計算機互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)。它和電話通信、電視廣播等傳統(tǒng)的信息傳播技術(shù)相比，有以下優(yōu)點：　　（1）它采用數(shù)字式信息傳遞方式。和模擬式信號傳輸技術(shù)相比，數(shù)字式傳輸更為精確可靠，便于直接進入計算機。　?。?）由于計算機的參與，具有很強的能力來支持多種多樣的信息傳輸要求?！　。?）讓人可以雙向交互地參與信息交流過程。　　采用計算機互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠把各種各樣有著自己特點的計算機，通過高速通信線路互相連接起來，互通信息。這些計算機為高速、可靠和互動式的信息交流奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。國際互聯(lián)網(wǎng)就是在這種計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上發(fā)展起來的?！　H互聯(lián)網(wǎng)主要有兩方面的優(yōu)點。首先，在信息的傳遞和交流方面快速高效。過去也許要一個星期才能達到的遠距離信件交換，現(xiàn)在幾乎在一瞬間就能通過因特網(wǎng)上的電子郵件交換而實現(xiàn)。形象地用“地球村”來形容這種全球范圍的高效信息交流能力是非常恰當?shù)?。其次，在信息共享能力方面，國際互聯(lián)網(wǎng)的能力也在飛速發(fā)展。上面說的“信息傳遞”和這里的“信息共享”在概念上是有所不同的。前者主要指人們通過電子郵件或者文件傳遞的遠程信息交流，互聯(lián)網(wǎng)為他們提供信息傳遞服務(wù)。而后者“信息共享”則強調(diào)為公眾在互聯(lián)網(wǎng)上提供天氣查詢、交通查詢、社區(qū)討論以及娛樂服務(wù)等提供信息共享。多媒體信息的瀏覽和下載、電子商城購物等也都是信息共享。人們在互聯(lián)網(wǎng)上組建自己的博客（Blog）網(wǎng)頁，讓讀者共同享用?！　H互聯(lián)網(wǎng)是一個提供信息服務(wù)和信息消費的市場，大致分為信息服務(wù)提供者和信息消費者兩類群體：服務(wù)提供者是信息源（信息流動的源頭），另一類則是使用信息的客戶（信息流的到達點）。信息源負責收集數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)和維護數(shù)據(jù)，是一個或多個信息庫的維護者。其中存儲的信息很多是收集于在時間上和空間上分布的事件，在事件發(fā)生的當時，數(shù)據(jù)被實時地記錄下來?！　H互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是基于開放的互聯(lián)信息網(wǎng)絡(luò)標準。任何計算機網(wǎng)絡(luò)，只要符合國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組織（IETF）所制定的標準，（經(jīng)過一定的注冊手續(xù)）都可以申請連接到國際互聯(lián)網(wǎng)上。國際互聯(lián)網(wǎng)的英文詞（Internct）直譯的意思是網(wǎng)際網(wǎng)，也就是說，它是通過網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)而成的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

編輯推薦

　　《計算概論（第2版）》是國家精品課程配套教材，根據(jù)教育部“高等學校計算機科學與技術(shù)專業(yè)規(guī)范”組織編寫，與美國ACM和IEEE Computing Curricula 2005同步?！　　队嬎愀耪摚ǖ?版）》特色　　《計算概論（第2版）》回答了計算機初學者最為關(guān)心的一些問題：如何迅速把握全局， 了解計算機中最基本的概念？如何抓住切入點，掌控計算機為自己服務(wù)？如何從容應(yīng)對撲面而來大量的計算機新技術(shù)，并有條不紊地將其納入自己的知識體系？《計算概論（第2版）》結(jié)合一些易懂的例子從硬件和軟件兩方面深入淺出地講解了計算機處理信息的基本原理和操控計算機的技能。透過一些典型實例講解從問題模型抽象到問題求解方法，再到代碼實現(xiàn)的程序設(shè)計一般過程。同時，也分析了適合計算機處理的問題類型及其特點和它們的計算復(fù)雜度。書中精心安排了程序設(shè)計的例題和習題，用于引導(dǎo)學生一步步學會編寫計算機程序，為后續(xù)深入學習計算機科學理論和計算機軟件技術(shù)奠定必要的基礎(chǔ)。　　國家精品課程“計算概論”教材，北京大學教學團隊編寫，內(nèi)容符合教育部高等學校計算機科學與技術(shù)專業(yè)規(guī)范，注重加強基礎(chǔ)理論知識和程序設(shè)計知識技能的講解和訓(xùn)練?！　”小傲⒆慊A(chǔ)、因材施教、強化實踐”的教學理念，重點放在計算機和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)知識及技術(shù)原理上，努力從概念層面作全面清晰的講解?！　〗Y(jié)合具體實例，講解計算機硬件和軟件組成的基本原理及相關(guān)應(yīng)用，并配有練習，適合基礎(chǔ)不同的讀者入門學習?！　樽x者在互聯(lián)網(wǎng)上提供了緊密配合教學的網(wǎng)站和富有趣味的程序設(shè)計在線練習環(huán)境。

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