计算机科学概论

译者序

前言

第一部分 基 础 篇

第1章 全景图 1

1.1 计算系统 1

1.1.1 计算系统的分层 2

...

译者序

前言

第一部分 基 础 篇

第1章 全景图 1

1.1 计算系统 1

1.1.1 计算系统的分层 2

1.1.2 抽象 3

1.2 计算的历史 5

1.2.1 计算硬件的简史 5

1.2.2 计算软件的简史 11

1.2.3 预言 15

1.3 计算工具和计算学科 15

小结 16

道德问题：数字化分裂 17

练习 17

思考题 18

第二部分 信 息 层

第2章 二进制数值和记数系统 21

2.1 数字和计算 21

2.2 位置记数法 22

2.2.1 二进制、八进制和十六进制 25

2.2.2 其他记数系统中的运算 26

2.2.3 以2的幂为基数的记数系统 26

2.2.4 把十进制数转换成其他数制的数 28

2.2.5 二进制数值和计算机 29

小结 30

道德问题：计算机和国家安全 30

练习 31

思考题 32

第3章 数据表示法 34

3.1 数据和计算机 34

3.1.1 模拟数据和数字数据 35

3.1.2 二进制表示法 36

3.2 数字数据的表示法 38

3.2.1 负数表示法 38

3.2.2 实数表示法 40

3.3 文本表示法 42

3.3.1 ASCII字符集 43

3.3.2 Unicode字符集 44

3.3.3 文本压缩 44

3.4 音频信息表示法 47

3.4.1 音频格式 49

3.4.2 MP3音频格式 49

3.5 图像和图形的表示法 49

3.5.1 颜色表示法 49

3.5.2 数字化图像和图形 50

3.5.3 图形的矢量表示法 52

3.6 视频表示法 53

小结 53

道德问题：MGM Studios公司和Grokster有限公司 54

练习 55

思考题 57

第三部分 硬 件 层

第4章 门和电路 59

4.1 计算机和电学 59

4.2 门 61

4.2.1 非门 61

4.2.2 与门 62

4.2.3 或门 62

4.2.4 异或门 63

4.2.5 与非门和或非门 63

4.2.6 门处理回顾 64

4.2.7 具有更多输入的门 64

4.3 门的构造 65

4.4 电路 66

4.4.1 组合电路 67

4.4.2 加法器 69

4.4.3 多路复用器 71

4.5 存储器电路 71

4.6 集成电路 72

4.7 CPU芯片 73

小结 73

道德问题：电子邮件隐私权 73

练习 74

思考题 76

第5章 计算部件 77

5.1 独立的计算机部件 77

5.2 存储程序的概念 79

5.2.1 冯·诺伊曼体系结构 80

5.2.2 读取-执行周期 84

5.2.3 RAM和ROM 85

5.2.4 二级存储设备 86

5.2.5 触摸屏 89

5.3 非冯·诺伊曼体系结构 90

小结 91

道德问题：生物信息学研究和deCODEGenetics公司的案例 92

练习 93

思考题 94

第四部分 程序设计层

第6章 问题求解和算法设计 95

6.1 问题求解 95

6.1.1 如何解决问题 96

6.1.2 应用Polya的问题求解策略 99

6.2 算法 99

6.2.1 计算机问题求解 99

6.2.2 执行算法 101

6.2.3 开发算法 102

6.3 伪代码 102

6.3.1 执行一个伪代码算法 103

6.3.2 伪代码的功能 104

6.3.3 伪代码示例 106

6.4 自顶向下设计方法 108

6.4.1 一个通用的实例 109

6.4.2 一个计算机实例 111

6.4.3 方法总结 113

6.4.4 测试算法 114

6.5 面向对象方法 114

6.5.1 面向对象 114

6.5.2 设计方法 115

6.5.3 一个通用的实例 117

6.5.4 一个计算机实例 118

6.6 几个重要思想 120

6.6.1 信息隐蔽 120

6.6.2 抽象 121

6.6.3 事物命名 122

6.6.4 程序设计语言 122

6.6.5 测试 123

小结 123

道德问题：计算机专业人员许可 124

练习 124

思考题 126

第7章 低级程序设计语言 127

7.1 计算机操作 127

7.2 抽象的分层 128

7.3 机器语言 128

7.4 一个程序实例 133

7.4.1 问题和算法 133

7.4.2 程序 134

7.5 汇编语言 137

7.5.1 Pep/7汇编语言 138

7.5.2 伪代码操作 138

7.5.3 “Hello”程序的汇编语言版本 139

7.5.4 一个新程序 140

7.5.5 具有分支的程序 142

7.5.6 具有循环的程序 144

7.6 其他重要思想 145

7.6.1 抽象 145

7.6.2 测试 146

7.6.3 测试计划实现 146

小结 147

道德问题：软件盗版和版权 148

练习 148

思考题 150

第8章 高级程序设计语言 151

8.1 翻译过程 151

8.1.1 编译器 151

8.1.2 解释器 152

8.2 程序设计语言的范型 154

8.3 命令式语言的功能性 155

8.3.1 布尔表达式 155

8.3.2 强类型化 156

8.3.3 输入/输出结构 159

8.3.4 控制结构 160

8.3.5 复合数据类型 172

8.4 面向对象语言的功能性 175

8.4.1 封装 175

8.4.2 继承 176

8.4.3 多态性 176

小结 177

道德问题：开源软件的发展 178

练习 179

思考题 180

第9章 抽象数据类型和算法 181

9.1 抽象数据类型 181

9.2 实现 182

9.2.1 基于数组的实现 182

9.2.2 链式实现 183

9.3 列表 185

9.3.1 列表的基本操作 185

9.3.2 其他列表操作 188

9.4 排序 188

9.4.1 选择排序 189

9.4.2 冒泡排序 190

9.4.3 快速排序 191

9.5 二分检索法 195

9.6 栈和队列 196

9.6.1 栈 197

9.6.2 队列 198

9.6.3 实现 198

9.7 树 199

9.7.1 二叉树 199

9.7.2 二叉检索树 200

9.7.3 其他操作 203

9.7.4 图 204

9.8 程序设计库 204

小结 205

道德问题：使用计算机的恶作剧和欺诈

行为 205

练习 206

思考题 208

第五部分 操作系统层

第10章 操作系统 209

10.1 操作系统的角色 209

10.1.1 内存、进程和CPU管理 211

10.1.2 批处理 211

10.1.3 分时操作 212

10.1.4 其他OS要素 213

10.2 内存管理 213

10.2.1 单块内存管理 214

10.2.2 分区内存管理 215

10.2.3 页式内存管理 216

10.3 进程管理 218

10.3.1 进程状态 218

10.3.2 进程控制块 219

10.4 CPU调度 219

10.4.1 先到先服务 220

10.4.2 最短作业优先 220

10.4.3 循环调度法 221

小结 222

道德问题：数字版权管理和关于Sony公司的根目录案件的争论 223

练习 223

思考题 226

第11章 文件系统和目录 227

11.1 文件系统 227

11.1.1 文本文件和二进制文件 228

11.1.2 文件类型 228

11.1.3 文件操作 229

11.1.4 文件访问 230

11.1.5 文件保护 231

11.2 目录 232

11.2.1 目录树 232

11.2.2 路径名 234

11.3 磁盘调度 236

11.3.1 先到先服务磁盘调度法 237

11.3.2 最短寻道时间优先磁盘调度法 237

11.3.3 SCAN磁盘调度法 238

小结 238

道德问题：垃圾邮件 239

练习 240

思考题 241

第六部分 应用程序层

第12章 信息系统 243

12.1 信息管理 243

12.2 电子制表软件 244

12.2.1 电子数据表公式 246

12.2.2 循环引用 249

12.2.3 电子数据表分析 249

12.3 数据库管理系统 250

12.3.1 关系模型 251

12.3.2 关系 253

12.3.3 结构化查询语言 254

12.3.4 数据库设计 255

12.4 信息安全 256

12.4.1 机密性、完整性和可用性 256

12.4.2 密码学 257

小结 259

道德问题：加密 260

练习 261

思考题 262

第13章 人工智能 263

13.1 思维机 263

13.1.1 图灵测试 264

13.1.2 AI问题的各个方面 265

13.2 知识表示 265

13.2.1 语义网 266

13.2.2 检索树 268

13.3 专家系统 270

13.4 神经网络 272

13.4.1 生物神经网络 272

13.4.2 人工神经网络 273

13.5 自然语言处理 274

13.5.1 语音合成 275

13.5.2 语音识别 276

13.5.3 自然语言理解 276

13.6 机器人学 277

13.6.1 感知-规划-执行范型 277

13.6.2 包孕体系结构 280

13.6.3 物理部件 281

小结 281

道德问题：HIPAA（健康保险携带和责任法案） 282

练习 283

思考题 284

第14章 模拟、图形学和其他应用

程序 285

14.1 什么是模拟 285

14.1.1 复杂系统 286

14.1.2 模型 286

14.1.3 构造模型 286

14.1.4 排队系统 287

14.1.5 气象模型 290

14.1.6 其他模型 293

14.1.7 必要的计算能力 293

14.2 计算机图形学 294

14.2.1 光的工作原理 295

14.2.2 物体形状 296

14.2.3 光模拟 296

14.2.4 复杂对象的建模 297

14.2.5 让物体动起来 302

14.3 嵌入式系统 303

14.4 电子商务 303

14.5 计算机安全 304

14.5.1 恶意代码 305

14.5.2 安全攻击 305

小结 307

道德问题：入侵大学的计算机系统，查询

录取程序中某人的录取状态 307

练习 308

思考题 309

第七部分 通 信 层

第15章 网络 311

15.1 连网 311

15.1.1 网络的类型 312

15.1.2 Internet连接 314

15.1.3 包交换 316

15.2 开放式系统和协议 317

15.2.1 开放式系统 317

15.2.2 网络协议 318

15.2.3 TCP/IP 318

15.2.4 高层协议 319

15.2.5 MIME类型 320

15.2.6 防火墙 320

15.3 网络地址 321

小结 323

道德问题：无所不在的计算 324

练习 325

思考题 326

第16章 万维网 327

16.1 Web简介 327

16.1.1 搜索引擎 329

16.1.2 即时消息 329

16.1.3 博客 329

16.1.4 cookie 330

16.2 HTML 330

16.2.1 基本的HTML格式 333

16.2.2 图像和链接 333

16.3 交互式Web页 335

16.3.1 Java小程序 335

16.3.2 Java服务器页 336

16.4 XML 337

小结 339

道德问题：写博客 340

练习 341

思考题 342

第八部分 总　结

第17章 计算的限制 345

17.1 硬件 345

17.1.1 算术运算的限制 345

17.1.2 部件的限制 350

17.1.3 通信的限制 350

17.2 软件 351

17.2.1 软件的复杂度 352

17.2.2 当前提高软件质量的方法 352

17.2.3 臭名昭著的软件错误 355

17.3 问题 357

17.3.1 算法比较 357

17.3.2 图灵机 362

17.3.3 停机问题 364

17.3.4 算法分类 365

小结 367

道德问题：深度链接 367

练习 368

思考题 369

参考文献 370