计算机科学概论（原书第5版）

目　录

Computer Science Illuminated, Fifth Edition

出版者的话

译者序

前言

第一部分　基础篇

第1章　全景图  2

1.1　计算系统  2

1.1.1　计算系统的分层  3

1.1.2　抽象  4

1.2　计算的历史  5

1.2.1　计算硬件简史  5

1.2.2　计算软件简史  12

1.2.3　预言  16

1.3　计算工具与计算学科  16

小结  18

道德问题：the Tenth Strand 18

练习  19

思考题  20

第二部分　信息层

第2章　二进制数值与记数系统  22

2.1　数字与计算  22

2.2　位置记数法  23

2.2.1　二进制、八进制和十六进制 26

2.2.2　其他记数系统中的运算 27

2.2.3　以2的幂为基数的记数系统  27

2.2.4　把十进制数转换成其他数制的数 29

2.2.5　二进制数值与计算机 29

小结  31

道德问题：the Tenth Strand的知识单元  31

练习  33

思考题  34

第3章　数据表示法  35

3.1　数据与计算机  35

3.1.1　模拟数据与数字数据 36

3.1.2　二进制表示法  38

3.2　数字数据表示法  39

3.2.1　负数表示法  39

3.2.2　实数表示法  42

3.3　文本表示法  44

3.3.1　ASCII字符集  45

3.3.2　Unicode字符集  45

3.3.3　文本压缩  46

3.4　音频数据表示法  49

3.4.1　音频格式  50

3.4.2　MP3音频格式  50

3.5　图像与图形表示法  51

3.5.1　颜色表示法  51

3.5.2　数字化图像与图形 52

3.5.3　图形的矢量表示法 53

3.6　视频表示法  53

小结  55

道德问题：道德准则  55

练习  56

思考题  58

第三部分　硬件层

第4章　门和电路  60

4.1　计算机和电学  60

4.2　门  62

4.2.1　非门  62

4.2.2　与门  63

4.2.3　或门  63

4.2.4　异或门  64

4.2.5　与非门和或非门  64

4.2.6　门处理回顾  65

4.2.7　具有更多输入的门 65

4.3　门的构造  66

4.4　电路  67

4.4.1　组合电路  68

4.4.2　加法器  70

4.4.3　多路复用器  71

4.5　存储器电路  72

4.6　集成电路  73

4.7　CPU芯片  73

小结  74

道德问题：这些违反道德规范吗？ 74

练习  75

思考题  77

第5章　计算部件  78

5.1　独立的计算机部件  78

5.2　存储程序的概念  82

5.2.1　冯·诺伊曼体系结构 82

5.2.2　读取-执行周期  87

5.2.3　RAM和ROM  88

5.2.4　二级存储设备  89

5.2.5　触摸屏  92

5.3　嵌入式系统  93

5.4　并行体系结构  94

5.4.1　并行计算  94

5.4.2　并行硬件分类  95

小结  96

道德问题：数字鸿沟  96

练习  97

思考题  98

第四部分　程序设计层

第6章　低级程序设计语言与伪代码  102

6.1　计算机操作  102

6.2　机器语言  103

6.3　一个程序实例  108

6.3.1　手工模拟  109

6.3.2　Pep/8模拟程序  109

6.4　汇编语言  111

6.4.1　Pep/8汇编语言  112

6.4.2　汇编器指令  112

6.4.3　Hello程序的汇编语言版本  113

6.4.4　一个新程序  113

6.4.5　具有分支的程序 115

6.4.6　具有循环的程序 116

6.5　表达算法  118

6.5.1　伪代码的功能  118

6.5.2　执行伪代码算法 121

6.5.3　写伪代码算法  123

6.5.4　翻译伪代码算法 124

6.6　测试  125

小结  126

道德问题：版权与软件盗版  127

练习  127

思考题  129

第7章　问题求解与算法设计  130

7.1　如何解决问题  130

7.1.1　提出问题  130

7.1.2　寻找熟悉的情况 132

7.1.3　分治法  132

7.1.4　算法  133

7.1.5　计算机问题求解过程 133

7.1.6　方法总结  134

7.1.7　测试算法  135

7.2　有简单参数的算法  135

7.2.1　带有选择的算法 135

7.2.2　带有循环的算法 136

7.3　复杂变量  139

7.3.1　数组  139

7.3.2　记录  140

7.4　搜索算法  141

7.4.1　顺序搜索  141

7.4.2　有序数组中的顺序搜索 141

7.4.3　二分检索  142

7.5　排序  144

7.5.1　选择排序  144

7.5.2　冒泡排序  145

7.5.3　插入排序  147

7.6　递归算法  147

7.6.1　子程序语句  148

7.6.2　递归阶乘  149

7.6.3　递归二分检索  149

7.6.4　快速排序  150

7.7　几个重要思想  153

7.7.1　信息隐蔽  153

7.7.2　抽象  154

7.7.3　事物命名  155

7.7.4　测试  155

小结  155

道德问题：开源软件  156

练习  157

思考题  159

第8章　抽象数据类型与子程序  160

8.1　抽象数据类型  160

8.2　栈  161

8.3　队列  161

8.4　列表  162

8.5　树  164

8.5.1　二叉树  164

8.5.2　二叉检索树  165

8.5.3　其他操作  169

8.6　图  169

8.6.1　创建图  171

8.6.2　图算法  171

8.7　子程序  176

8.7.1　参数传递  177

8.7.2　值参与引用参数 178

小结  180

道德问题：工作场所监视  180

练习  181

思考题  183

第9章　面向对象设计与高级程序设计语言  184

9.1　面向对象方法  184

9.1.1　面向对象  185

9.1.2　设计方法  185

9.1.3　一个计算机示例 187

9.2　翻译过程  189

9.2.1　编译器  190

9.2.2　解释器  190

9.3　程序设计语言的范型 192

9.3.1　命令式范型  192

9.3.2　声明式范型  193

9.4　高级程序设计语言的功能性 194

9.4.1　布尔表达式  194

9.4.2　数据归类  196

9.4.3　输入/输出结构  199

9.4.4　控制结构  200

9.5　面向对象语言的功能性 204

9.5.1　封装  204

9.5.2　类  205

9.5.3　继承  206

9.5.4　多态  207

9.6　过程设计与面向对象设计的区别 207

小结  208

道德问题：恶作剧与诈骗  209

练习  210

思考题  212

第五部分　操作系统层

第10章　操作系统  214

10.1　操作系统的角色  214

10.1.1　内存、进程与CPU管理  216

10.1.2　批处理  216

10.1.3　分时  217

10.1.4　其他OS要素  218

10.2　内存管理  218

10.2.1　单块内存管理 219

10.2.2　分区内存管理 220

10.2.3　页式内存管理 221

10.3　进程管理  223

10.3.1　进程状态  223

10.3.2　进程控制块  224

10.4　CPU调度  224

10.4.1　先到先服务  225

10.4.2　最短作业优先 226

10.4.3　轮询法  226

小结  227

道德问题：医疗隐私——健康保险携带与责任法案 228

练习  229

思考题  231

第11章　文件系统和目录  232

11.1　文件系统  232

11.1.1　文本文件和二进制文件 233

11.1.2　文件类型  233

11.1.3　文件操作  234

11.1.4　文件访问  235

11.1.5　文件保护  236

11.2　目录  237

11.2.1　目录树  237

11.2.2　路径名  239

11.3　磁盘调度  241

11.3.1　先到先服务磁盘调度法 242

11.3.2　最短寻道时间优先磁盘调度法 242

11.3.3　SCAN磁盘调度法  242

小结  243

道德问题：选择加入和选择退出 243

练习  244

思考题  246

第六部分　应用程序层

第12章　信息系统  248

12.1　信息管理  248

12.2　电子制表软件  249

12.2.1　电子数据表公式 250

12.2.2　循环引用  254

12.2.3　电子数据表分析 254

12.3　数据库管理系统  255

12.3.1　关系模型  256

12.3.2　关系  257

12.3.3　结构化查询语言 258

12.3.4　数据库设计  260

12.4　电子商务  261

小结  262

道德问题：从竞选来看政治与网络 262

练习  263

思考题  265

第13章　人工智能  266

13.1　思维机  266

13.1.1　图灵测试  267

13.1.2　AI问题的各个方面  268

13.2　知识表示  268

13.2.1　语义网  268

13.2.2　检索树  271

13.3　专家系统  273

13.4　神经网络  275

13.4.1　生物神经网络 275

13.4.2　人工神经网络 276

13.5　自然语言处理  277

13.5.1　语音合成  277

13.5.2　语音识别  278

13.5.3　自然语言理解 279

13.6　机器人学  280

13.6.1　感知-规划-执行范型  280

13.6.2　包孕体系结构 282

13.6.3　物理部件  283

小结  283

道德问题：从民众来看政治与网络 284

练习  284

思考题  286

第14章　模拟、图形学、游戏和其他应用  287

14.1　什么是模拟  287

14.1.1　复杂系统  287

14.1.2　模型  288

14.1.3　构造模型  288

14.2　特殊模型  289

14.2.1　排队系统  289

14.2.2　气象模型  292

14.2.3　计算生物学  295

14.2.4　其他模型  295

14.2.5　必要的计算能力 296

14.3　计算机图形学  296

14.3.1　光的工作原理 297

14.3.2　物体形状  298

14.3.3　光模拟  298

14.3.4　复杂对象的建模 299

14.3.5　让物体动起来 303

14.4　游戏  304

14.4.1　游戏的历史  304

14.4.2　创建虚拟世界 305

14.4.3　游戏设计与开发 305

14.4.4　游戏编程  306

小结  307

道德问题：游戏成瘾  307

练习  308

思考题  309

第七部分　通信层

第15章　网络  312

15.1　连网  312

15.1.1　网络的类型  313

15.1.2　Internet连接  315

15.1.3　包交换  317

15.2　开放式系统与协议 318

15.2.1　开放式系统  318

15.2.2　网络协议  319

15.2.3　TCP/IP 319

15.2.4　高层协议  320

15.2.5　MIME类型  321

15.2.6　防火墙  321

15.3　网络地址  322

15.4　云计算  324

小结  325

道德问题：社交网络的影响  326

练习  327

思考题  328

第16章　万维网  329

16.1　Web简介  329

16.1.1　搜索引擎  331

16.1.2　即时消息  331

16.1.3　博客  331

16.1.4　cookie 332

16.2　HTML  333

16.2.1　基本的HTML格式  335

16.2.2　图像与链接  335

16.2.3　HTML5  337

16.3　交互式网页  337

16.3.1　Java小程序  337

16.3.2　Java服务器页  338

16.4　XML  339

16.5　社交网络  341

小结  342

道德问题：赌博与互联网  344

练习  344

思考题  346

第17章　计算机安全  347

17.1　各级安全  347

17.2　阻止未授权访问  349

17.2.1　密码  349

17.2.2　验证码  351

17.2.3　指纹分析  352

17.3　恶意代码  352

17.3.1　杀毒软件  353

17.3.2　安全攻击  353

17.4　密码学  355

17.5　保护你的在线信息 357

17.5.1　安全与可移动设备 359

17.5.2　维基解密  359

小结  360

道德问题：博客  361

练习  362

思考题  363

第八部分　总结

第18章　计算的限制  366

18.1　硬件  366

18.1.1　算术运算的限制 366

18.1.2　部件的限制  370

18.1.3　通信的限制  371

18.2　软件  372

18.2.1　软件的复杂度 372

18.2.2　当前提高软件质量的方法 373

18.2.3　臭名昭著的软件错误 376

18.3　问题  377

18.3.1　算法比较  377

18.3.2　图灵机   382

18.3.3　停机问题  384

18.3.4　算法分类  386

小结  387

道德问题：Therac-25灾难剖析  387

练习  388

思考题  389

参考文献  390

索引  396