計算機科學導論：計算思維視角

目錄
**篇 計算機科學總論
第1章 計算機科學概述 3
1.1 引言 3
1.1.1 計算機科學的定義 3
1.1.2 圖靈模型和馮？諾依曼模型 8
1.1.3 計算機系統(tǒng)組成 11
1.2 計算思維和計算機科學 15
1.2.1 邏輯思維 16
1.2.2 系統(tǒng)思維 17
1.2.3 算法思維 19
1.2.4 網(wǎng)絡(luò)思維 20
1.2.5 數(shù)據(jù)思維 22
1.2.6 智能思維 25
1.3 計算機的發(fā)展歷程 27
1.4 計算機科學與技術(shù)學科知識體系 31
1.5 計算機的應(yīng)用與發(fā)展趨勢 34
1.6 本章小結(jié) 37
第2章 社會與道德問題 39
2.1 道德原則 39
2.2 知識產(chǎn)權(quán) 43
2.3 隱私保護 46
2.4 計算機犯罪 49
第二篇 數(shù)理邏輯思維基礎(chǔ)
第3章 數(shù)的表示、存儲與運算 55
3.1 計算機數(shù)據(jù)組織簡介 55
3.2 數(shù)的表示及進制轉(zhuǎn)換 56
3.2.1 數(shù)的表示 56
3.2.2 進制轉(zhuǎn)換 58
3.3 數(shù)的碼制 60
3.3.1 原碼 61
3.3.2 反碼 61
3.3.3 補碼 62
3.4 定點數(shù)和浮點數(shù) 65
3.4.1 定點數(shù) 65
3.4.2 浮點數(shù) 66
3.4.3 二進制小數(shù) 66
3.4.4 IEEE浮點表示 68
3.5 十進制數(shù)的編碼 70
3.5.1 有權(quán)碼 70
3.5.2 無權(quán)碼 70
3.6 數(shù)的存儲 71
3.6.1 數(shù)字存儲 72
3.6.2 文本存儲 74
3.6.3 音頻存儲 76
3.6.4 圖像存儲 77
3.7 數(shù)據(jù)運算 81
3.7.1 移位運算 81
3.7.2 算術(shù)運算 84
第4章 數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 89
4.1 基本邏輯關(guān)系 89
4.2 邏輯函數(shù) 89
4.2.1 基本邏輯運算 89
4.2.2 邏輯函數(shù)基本定理 91
4.2.3 邏輯函數(shù)基本運算規(guī)則 92
4.3 邏輯函數(shù)標準型 93
4.3.1 邏輯函數(shù)的兩種標準形式 94
4.3.2 將邏輯函數(shù)化為標準型 95
第三篇 計算機系統(tǒng)（系統(tǒng)思維）
第5章 計算機硬件 101
5.1 引言 101
5.2 馮？諾依曼模型 101
5.2.1 五個部件 102
5.2.2 存儲的程序概念 103
5.2.3 指令的順序執(zhí)行 103
5.3 中央處理單元 104
5.3.1 算術(shù)邏輯單元 104
5.3.2 寄存器組 105
5.3.3 控制單元 105
5.4 分層存儲體系 105
5.4.1 地址空間 106
5.4.2 存儲器的類型 106
5.4.3 存儲器的層次結(jié)構(gòu) 107
5.4.4 高速緩沖存儲器 108
5.5 輸入/輸出系統(tǒng) 109
5.5.1 非存儲設(shè)備 109
5.5.2 存儲設(shè)備 111
5.6 計算機硬件擴展技術(shù) 114
5.6.1 多核技術(shù) 114
5.6.2 高性能計算機 115
5.6.3 并行計算機 116
5.6.4 分布式系統(tǒng) 118
第6章 計算機軟件 120
6.1 引言 120
6.2 操作系統(tǒng)基本概念 121
6.2.1 操作系統(tǒng)的目標 122
6.2.2 操作系統(tǒng)的作用 123
6.2.3 推動操作系統(tǒng)發(fā)展的主要動力 124
6.3 操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程 126
6.3.1 未配置操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng) 126
6.3.2 單道批處理系統(tǒng) 127
6.3.3 多道批處理系統(tǒng) 129
6.3.4 分時系統(tǒng) 130
6.3.5 實時系統(tǒng) 132
6.3.6 微機操作系統(tǒng)的發(fā)展 133
6.4 操作系統(tǒng)的組成 135
6.4.1 并發(fā) 136
6.4.2 共享 136
6.4.3 虛擬 137
6.4.4 異步 139
6.5 操作系統(tǒng)的功能 139
6.5.1 處理機管理功能 139
6.5.2 存儲器管理功能 141
6.5.3 設(shè)備管理功能 142
6.5.4 文件管理功能 143
6.5.5 操作系統(tǒng)與用戶之間的接口 144
6.5.6 現(xiàn)代操作系統(tǒng)的新功能 145
6.6 主流操作系統(tǒng) 146
6.6.1 UNIX 146
6.6.2 Linux 148
6.6.3 Windows 149
6.6.4 Mac OS 150
6.7 計算機軟件設(shè)計方法 152
6.7.1 軟件工程基本概念 152
6.7.2 軟件開發(fā)模型 154
6.7.3 軟件開發(fā)步驟 161
第四篇 程序基礎(chǔ)及算法（算法思維）
第7章 高級程序設(shè)計基礎(chǔ) 167
7.1 程序設(shè)計簡介 167
7.1.1 程序設(shè)計范型 167
7.1.2 程序設(shè)計語言 169
7.1.3 程序設(shè)計步驟 171
7.2 程序的編譯過程 171
7.2.1 源程序、目標程序和可執(zhí)行程序的概念 171
7.2.2 程序開發(fā)步驟 172
7.3 數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu) 173
7.3.1 基本數(shù)據(jù)類型 174
7.3.2 運算符和表達式 175
7.3.3 數(shù)組 180
7.3.4 指針 185
7.3.5 結(jié)構(gòu)體與共用體 188
7.4 程序的組織結(jié)構(gòu) 191
7.4.1 順序結(jié)構(gòu) 191
7.4.2 選擇結(jié)構(gòu) 192
7.4.3 循環(huán)結(jié)構(gòu) 195
7.4.4 函數(shù) 197
第8章 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法 201
8.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡介 201
8.2 三大基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 204
8.2.1 線性表 204
8.2.2 樹 210
8.2.3 圖 216
8.3 數(shù)據(jù)操作 228
8.3.1 查找 228
8.3.2 排序 237
8.4 算法概念及描述 245
8.4.1 算法的定義 245
8.4.2 算法的特性 245
8.4.3 算法的效率度量方法 247
8.5 常用算法 248
8.5.1 遞推算法 248
8.5.2 遞歸算法 249
8.5.3 窮舉算法 252
8.6 算法的分析與評價 252
8.6.1 時間復雜度 253
8.6.2 空間復雜度 256
第五篇 網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)（網(wǎng)絡(luò)思維）
第9章 計算機網(wǎng)絡(luò) 261
9.1 數(shù)字通信基礎(chǔ) 261
9.1.1 數(shù)字通信信號處理 261
9.1.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 262
9.1.3 基本的數(shù)字通信術(shù)語 263
9.1.4 有關(guān)信道的基本概念 263
9.1.5 計算機網(wǎng)絡(luò) 264
9.1.6 開放式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 265
9.1.7 TCP/IP 266
9.1.8 高層協(xié)議 267
9.2 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層 268
9.2.1 物理層的基本概念 268
9.2.2 物理層下面的傳輸媒體 269
9.2.3 信道復用技術(shù) 271
9.2.4 數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念 271
9.2.5 數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù) 272
9.2.6 常見的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 273
9.3 網(wǎng)際層 274
9.3.1 概述 274
9.3.2 網(wǎng)際協(xié)議IP 275
9.4 傳輸層 278
9.4.1 概述 279
9.4.2 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 280
9.4.3 傳輸控制協(xié)議 281
9.5 應(yīng)用層 283
9.5.1 域名系統(tǒng) 283
9.5.2 文件傳輸協(xié)議 284
9.5.3 遠程終端協(xié)議 284
9.5.4 萬維網(wǎng) 285
9.5.5 電子郵件 285
9.6 網(wǎng)絡(luò)安全 286
9.6.1 計算機網(wǎng)絡(luò)面臨的安全性威脅 286
9.6.2 安全的計算機網(wǎng)絡(luò) 286
9.6.3 密碼學 287
9.6.4 數(shù)字簽名 288
第10章 移動通信與無線網(wǎng)絡(luò) 289
10.1 無線移動通信基礎(chǔ) 289
10.1.1 蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) 289
10.1.2 蜂窩系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施 291
10.2 無線個域網(wǎng) 293
10.2.1 藍牙 293
10.2.2 低速WPAN 294
10.2.3 高速WPAN 295
10.3 無線局域網(wǎng) 295
10.3.1 IEEE 802.11 296
10.3.2 802.11局域網(wǎng)的物理層 296
10.3.3 802.11局域網(wǎng)的CSMA/CA協(xié)議 297
10.4 無線城域網(wǎng)與無線廣域網(wǎng) 298
10.4.1 無線城域網(wǎng) 299
10.4.2 無線廣域網(wǎng) 299
10.5 無線自組網(wǎng)絡(luò) 300
10.6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng) 301
10.6.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 301
10.6.2 物聯(lián)網(wǎng) 302
10.7 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò) 303
第六篇 數(shù)據(jù)管理（數(shù)據(jù)思維）
第11章 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 307
11.1 數(shù)據(jù)管理簡介 307
11.1.1 數(shù)據(jù)庫的基本概念 307
11.1.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的歷史 308
11.1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點 309
11.1.4 數(shù)據(jù)模型 310
11.2 關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型 314
11.2.1 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 315
11.2.2 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)操作 315
11.2.3 關(guān)系模型的完整性約束 316
11.2.4 關(guān)系代數(shù) 318
11.3 關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計 320
11.3.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述 320
11.3.2 關(guān)系數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計 322
11.3.3 關(guān)系數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計 326
11.3.4 關(guān)系數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計 327
11.3.5 關(guān)系數(shù)據(jù)庫的安全性 328
11.3.6 關(guān)系數(shù)據(jù)庫的完整性 331
11.3.7 關(guān)系數(shù)據(jù)庫恢復技術(shù) 332
11.3.8 關(guān)系數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制 335
11.4 數(shù)據(jù)庫新進展 337
11.4.1 分布式數(shù)據(jù)庫 337
11.4.2 空間數(shù)據(jù)庫 337
11.4.3 多媒體數(shù)據(jù)庫 337
11.4.4 數(shù)據(jù)倉庫 338
11.4.5 信息存儲與檢索 338
11.4.6 超文本和超媒體 339
11.4.7 多媒體信息與多媒體系統(tǒng) 339
11.4.8 數(shù)字圖書館 340
11.4.9 數(shù)字地球與智慧城市 340
第12章 大數(shù)據(jù)技術(shù) 341
12.1 大數(shù)據(jù)的概念與特征 341
12.1.1 大數(shù)據(jù)的概念 341
12.1.2 大數(shù)據(jù)的特征 342
12.2 數(shù)據(jù)采集、管理、分析和可視化技術(shù) 344
12.2.1 數(shù)據(jù)采集與預處理 344
12.2.2 數(shù)據(jù)存儲與管理 346
12.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 348
12.2.4 數(shù)據(jù)可視化 349
12.3 大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) 350
12.3.1 NoSQL數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) 350
12.3.2 Ne