计算机科学导论

河南省精品课程教材，通俗易懂，注重理论、兼顾实践、科学导学。 

根据计算机科学与技术专业、网络工程专业、软件工程专业以及信息管理与信息系统专业的规范和应用型本科院校的教学需求特点，本着“通俗易懂，注重理论、兼顾实践、科学导学”的原则，本书从计算机硬件、软件、网络和应用等几个方面对计算机科学与技术专业课程和相关知识点进行了介绍。主要内容包括计算机专业知识体系、计算机发展史、计算机体系结构、计算机网络、操作系统、软件与程序设计、数据库、软件工程、人工智能、计算机安全、计算机新技术和应用。

甘勇，男，1965年5月出生。中共党员。研究生学历，郑州轻工业学院计算机与通信工程系学院教授，院长。担任中国计算机学会微机专委常委 、河南省计算机学会理事、河南省高校计算机教育研究会副理事长、郑州市青联委员、河南省软件行业协会常务理事。荣获过河南省优秀专家、河南省管优秀青年科技专家、河南省跨世纪学术和技术带头人培养对象、河南省优秀教师等荣誉称号。

第1章  概述 1
1.1  计算机发展前史 1
1.2  计算机的发展与应用 6
1.2.1　电子计算机的发展 6
1.2.2　计算机的应用领域 8
1.3  计算机模型 10
1.3.1　图灵模型 10
1.3.2　冯?诺依曼模型 11
1.4  计算机应用系统的计算模式 12
1.4.1　单主机计算模式 13
1.4.2　分布式客户/服务器计算模式 13
1.4.3　浏览器/服务器计算模式 14
1.4.4　新的计算模式 14
1.5  计算学科 17
1.5.1　计算学科的历史背景 17
1.5.2　计算学科领域的分化及主要内容 18
1.6  小结 20
第2章  计算基础 23
2.1  数制 23
2.1.1　数制的定义 23
2.1.2　数制的规律 24
2.1.3　常用的数制 24
2.1.4　二进制数 26
2.1.5　数制转换 29
2.2  数据存储的组织方式 32
2.2.1　数据存储单位 33
2.2.2　存储设备结构 33
2.2.3　编址与地址 34
2.3  数值在计算机中的表示 34
2.3.1　数的定点和浮点表示 35
2.3.2　数的编码表示 35
2.3.3　计算机中数的浮点表示 37
2.4  信息编码 39
2.4.1　二—十进制编码（BCD码） 39
2.4.2　字符编码 39
2.4.3　汉字编码 41
2.4.4　多媒体信息编码 43
2.5  小结 45
第3章  计算机组成 48
3.1  计算机的系统组成 48
3.1.1　计算机的硬件系统 49
3.1.2　计算机的软件系统 55
3.1.3　计算机软硬件系统之间的关系 57
3.2  计算机的工作原理 57
3.2.1　计算机指令 57
3.2.2　计算机的工作原理 58
3.3  计算机的性能评价 59
3.4  小结 60
第4章  计算机网络 61
4.1  计算机网络概述 61
4.1.1　计算机网络的概念 61
4.1.2　计算机网络的组成 62
4.1.3　计算机网络的发展 62
4.1.4　计算机网络的分类 63
4.1.5　计算机网络体系结构 64
4.1.6　网络服务应用模式 66
4.2  网络中间系统 67
4.2.1　网络传输介质 67
4.2.2　网络接口卡 70
4.2.3　集线器 70
4.2.4　交换机 71
4.2.5　路由器 71
4.3  计算机局域网 72
4.3.1　局域网概述 72
4.3.2　载波侦听多路访问/冲突检测协议 73
4.3.3　以太网 74
4.4  Internet的基础知识 75
4.4.1　Internet的概述 75
4.4.2　Internet的接入 77
4.4.3　IP地址与MAC地址 78
4.4.4　WWW服务 85
4.4.5　域名系统 88
4.4.6　电子邮件 91
4.4.7　文件传输 91
4.4.8　远程登录服务 92
4.4.9　Intranet 92
4.5  小结 92
第5章  程序设计语言 96
5.1  程序设计概述 96
5.1.1　什么是程序 96
5.1.2　程序设计的步骤 97
5.1.3　程序设计语言的发展 98
5.2  程序设计语言模式 99
5.2.1　过程式模式 99
5.2.2　面向对象模式 100
5.2.3　函数式模式 101
5.2.4　逻辑式模式 101
5.3  程序编译过程 102
5.3.1　编译过程概述 102
5.3.2　词法分析 102
5.3.3　语法分析 103
5.3.4　语义分析和中间代码生成 103
5.3.5　目标代码优化 103
5.3.6　目标代码生成 104
5.3.7　表格管理和出错管理 104
5.4  过程式语言的共同概念 104
5.4.1　基本数据类型 104
5.4.2　变量和常量 105
5.4.3　运算符与表达式 105
5.4.4　控制结构 105
5.4.5　函数 107
5.5  面向对象语言的特性 107
5.5.1　面向对象的基本概念 108
5.5.2　面向对象的特征 108
5.5.3　面向对象的特点 109
5.6  当下主流语言的介绍 109
5.6.1　Ｃ语言 109
5.6.6　C  110
5.6.3　Java 111
5.6.4　Python 111
5.6.5　C# 112
5.6.6　PHP 113
5.6.7　JavaScript 113
5.6.8　Perl 114
5.6.9　Visual Basic.NET 114
5.6.10　Ruby 115
5.7  小结 115
第6章  算法与数据结构 116
6.1  算法概述 116
6.1.1  算法及特性 116
6.1.2  算法的描述方式 117
6.1.3  算法的度量 119
6.2  数据结构概述 120
6.2.1  什么是数据结构 120
6.2.2  数据结构的基本术语 120
6.3  线性结构 121
6.3.1  线性表 121
6.3.2  栈 123
6.3.3  队列 123
6.3.4  串 123
6.4  树状结构 124
6.4.1  树 124
6.4.2  二叉树 125
6.4.3  树的存储 127
6.4.4  树和森林的遍历 128
6.5  图 128
6.5.1  图的定义与术语 128
6.5.2  图的存储 129
5.5.3  图的遍历 130
6.5.4  小生成树 131
6.5.5  短路径 132
6.6  排序 132
6.7  计算思维与算法设计技巧 134
6.7.1  计算思维 134
6.7.2  贪心算法 134
6.7.3  分治算法 135
6.7.4  动态规划 136
6.7.5  回溯算法 136
6.7.6  分支界限法 137
6.6  小结 138
第7章  数据库技术概述 140
7.1  数据库系统概述 140
7.1.1  数据库的基本概念 140
7.1.2  数据管理技术的发展 142
7.1.3  数据库系统的构成 144
7.1  数据模型 145
7.2.1  数据模型的三要素 145
7.2.2  数据模型的分类 146
7.2.3  概念模型与逻辑模型 146
7.2.4  实体联系模型 147
7.2.5  常见逻辑模型介绍 147
7.3  关系数据库基本概念 148
7.3.1  关系模型基本概念 149
7.3.2  关系模型的规范化 150
7.4  关系数据库设计 151
7.4.1  系统规划 151
7.4.2  需求分析 152
7.4.3  概念设计 152
7.4.4  逻辑设计 153
7.4.5  物理设计 153
7.4.6  系统实现 154
7.4.7  运行与维护 154
7.5  结构化查询语言 155
7.5.1  数据定义 156
7.5.2  数据查询 157
7.5.3  数据操纵 158
7.5.4  数据控制 158
7.6  数据库管理软件介绍 159
7.7  小结 161
第8章  软件工程 163
8.1  软件工程概述 163
8.1.1  软件的定义 163
8.1.2  软件危机 164
8.1.1  软件工程的定义 165
8.2  软件开发模型 166
8.2.1  软件生存周期 166
8.2.2  瀑布模型 167
8.2.3  原型模型 168
8.2.4  增量模型 168
8.2.5  螺旋模型 168
8.3  软件开发方法 169
8.3.1  结构化方法 169
8.3.2  面向对象的软件开发方法 170
8.4  软件开发过程 170
8.4.1  可行性研究 170
8.4.2  需求分析 171
7.4.3  总体设计 174
8.4.4  详细设计 177
8.4.5  编码实现 180
8.5  软件质量 180
8.5.1  软件可靠性 180
8.5.2  软件质量的度量 181
8.5.3  软件评审 182
8.6  软件维护 182
8.6.1  软件维护的定义 182
8.6.2  软件维护的分类 182
8.7  软件项目管理 183
8.7.1  软件开发成本估算 183
8.7.2  风险分析 184
8.7.3  软件开发进度安排 184
8.7.4  软件项目的组织 184
8.8  小结 185
第9章  操作系统 186
9.1  操作系统概述 186
9.2  操作系统的发展史 187
9.1.2  手工操作（无操作系统） 187
9.2.2  批处理系统 187
9.2.3  多道程序系统（多道批处理系统） 188
9.2.4  分时系统 189
9.2.5  实时系统 189
9.2.6  通用操作系统 190
9.2.7  操作系统的进一步发展 190
9.3  操作系统的特征 191
9.4  操作系统的功能 192
9.4.1  处理机管理 192
9.4.2  存储管理 195
9.4.3  设备管理 198
9.4.4  文件管理 199
9.4.5  用户接口 201
9.5  操作系统的分类 201
9.6  主流操作系统 202
9.7  未来操作系统发展趋势 204
9.8  小结 204

第10章  多媒体技术概述 207
10.1  多媒体的基本概念 207
10.1.1  媒体 207
10.1.2  多媒体 208
10.1.3  多媒体系统 208
10.1.4  多媒体技术 209
10.2  音频处理技术 209
10.2.1  声音的本质与听觉系统 210
10.2.2  声音信号的数字化 211
10.2.3  声音文件的存储格式 213
10.2.4  音频处理软件 214
10.3

计算机科学导论是计算机科学与技术专业学生入学学习的门专业必修课，它构建在计算学科认知模型的基础上，并以计算机科学的内容为背景，从学科思想与方法层面对计算学科进行导引，着力提高学生的计算思维能力。它来源于ACM教育委员会对“整个计算学科综述性导引”（计算机科学导论）课程构建的要求，即用严密的方式将学生引入计算学科各个富有挑战性的领域之中。本教材为学生正确认知计算学科提供方法，为今后深入学习计算机课程作铺垫。
通过计算机科学导论的学习可以让学生更好的了解计算学科各主领域的基本内容及其相应的课程设置、计算学科中的核心概念、数学方法、系统科学方法、社会和职业问题等内容。通过本课程的学习终帮助学生能够了解计算机行业的技术标准、知识产权、产业政策和法律法规，能够分析计算机工程实践的经济效益与社会效益。在计算机软硬件开发工程实践过程中具有明确的环保意识和可持续发展理念。能够理解和评价针对复杂工程问题的计算机软硬件工程实践对环境和社会可持续发展的影响。了解职业性质和责任，能够在计算机工程实践中自觉遵守职业道德和规范，具有责任感。本课程的任务是：
（1）使计算机专业的学生刚进入大学就能全面了解计算机领域的专业知识，发展及应用。使学生更好的掌握计算机硬件技术、软件技术、数据库技术、多媒体技术、网络技术、信息安全技术、职业道德、法律法规。
（2）使学生对今后学习的主要知识，专业方向有一个了解，为后继课程构建一个基本知识框架，为今后学习和掌握专业知识进行科学研究奠定基础，通过学习计算机科学导论使学生了解计算机行业的技术标准、软硬件发展知识，新技术和计算机行业发展趋势。
（3）为学生今后的专业学习做一个良好的铺垫，使学生了解相关的职业，职业道德法律法规。
全书共分12章，主要内容包括：计算机的发展过程与趋势、计算基础、计算机组成、计算机网络、程序设计语言、算法与数据结构、数据库、软件工程、操作系统、多媒体技术、社会与职业道德、计算机新技术。内容密切结合教指委对该课程的基本教学要求，同时兼顾计算机软件和硬件的发展，结构严谨，层次分明，叙述准确。各高校可根据实际教学学时、学生的基础对教学内容进行适当的选取。
本书由甘勇、尚展垒、韩丽等编著，其中郑州轻工业学院的甘勇、尚展垒任主编，郑州轻工业学的韩丽、张旭、常化文任副主编。参加本书编写的还有郑州轻工业学院的卢冰、朱会东、孟颍辉、南姣芬、王华。其中，第1章由甘勇和尚展垒编写，第2、9章张旭编写，第3章由南姣芬编写，第4章由韩丽编写，第5、6章由卢冰编写，第7、12章由王华编写，第8章由朱会东编写，第10章由常化文编写，第11章由孟颍辉编写。韩丽、张旭还负责本书的统稿和组织工作。在本书的编写过程中得到了郑州轻工业学院、河南省高等学校计算机教育研究会以及电子工业出版社的大力支持和帮助，在此由衷地向他们表示感谢！
由于编者水平有限，书中不足和疏漏之处，敬请广大读者特别是同行专家们批评指正。