電腦科學概論(第3版)(普通高等教育“十一五”國家級規劃教材　國家精品課程　國家精品資源共享課程　配套教材)

赵欢，湖南长沙人，1967年9月出生，博士，教授，博士生导师，现任湖南大学信息科学与工程学院副院长，美国加州大学San Diego分校访问学者。教育部文科计算机基础教学指导委员会委员，工业和信息化人才教育与培养指导委员会委员。曾获湖南省三八红旗手称号，湖南大学第 二届“天语教师奖”及第四届“刘銮雄本科教学杰出教师奖”。精品课程和国家精品资源共享课“计算机系统组成与体系结构”负责人，省级教学团队“计算机体系结构”主要成员。研究方向为嵌入式计算机系统、语音信息处理。主持国家自然科学基金、湖南省自然科学基金重点项目、湖南省工业支撑科技计划重点项目等各类科研项目20余项，发表科研论文60篇，其中SCI/EI收录30篇，获省科技进步奖2项、专利/软件著作权7项；主持省部级以上教改项目2项，获湖南省省教学成果1项，主编出版十五/十一五规划教材4本，其他教材5本。

目　錄

第 一部分　基礎理論

第 1章　計算的歷史與未來　2

1.1　電腦的史前時代　2

1.1.1　石頭計算到算盤　2

1.1.2　計算尺和計算器　3

1.2　機械式電腦　4

1.2.1　施卡德電腦　5

1.2.2　帕斯卡加法機　5

1.2.3　萊布尼茲乘法機　6

1.3　卡片時代　7

1.3.1　“編織”的程序：自動編織機　7

1.3.2　穿孔製表機　8

1.4　程式化電腦的萌芽：差分機和分析機　9

1.4.1　差分機　9

1.4.2　分析機　11

1.5　模擬電腦　12

1.6　早期的數字電腦　13

1.6.1　Z系列電腦　13

1.6.2　ABC電腦　14

1.6.3　巨人電腦　16

1.6.4　Mark系列電腦　17

1.7　現代電子電腦　18

1.7.1　電子管時代　18

1.7.2　晶體管時代　21

1.7.3　集成電路時代　23

1.7.4　大規模集成電路時代：微處理器時代　24

1.7.5　後PC時代　27

1.7.6　下一代電腦　30

1.8　奠定現代電腦理論基礎的重要人物和思想　33

1.8.1　布爾及邏輯代數　34

1.8.2　香農及電腦開關電路　34

1.8.3　圖靈及圖靈機、圖靈測試　35

1.8.4　維納及電腦設計五原則　37

1.8.5　馮·諾依曼及馮 諾依曼結構　37

1.9　電腦的發展趨勢　39

1.9.1　高性能計算　40

1.9.2　普適計算　43

1.9.3　中國信息技術未來增長點　44

小結　47

習題　47

本章參考文獻　49

第 2章　電腦組成與工作原理　51

2.1　電腦系統的組成　51

2.1.1　電腦硬件系統　52

2.1.2　電腦軟件系統　61

2.2　電腦的工作原理　63

2.2.1　馮·諾依曼結構的硬件組成　63

2.2.2　總線訪問　68

2.2.3　指令執行過程　69

2.2.4　電腦工作過程　70

2.3　電腦常用的數制及機內信息表示　71

2.3.1　數制及其轉換　71

2.3.2　電腦內信息的表示　73

小結　77

習題　78

本章參考文獻　79

第3章　操作系統　81

3.1　操作系統概述　81

3.1.1　操作系統概念　81

3.1.2　操作系統歷史　83

3.1.3　操作系統結構　84

3.2　操作系統的功能模塊　85

3.2.1　用戶界面　85

3.2.2　進程管理　86

3.2.3　存儲管理　93

3.2.4　文件管理　98

3.2.5　I/O管理　98

3.3　常見操作系統　98

小結　100

習題　101

本章參考文獻　103

第4章　電腦網絡　104

4.1　電腦網絡概述　104

4.1.1　電腦網絡起源　104

4.1.2　電腦網絡定義　106

4.1.3　數據傳輸　107

4.2　網絡分類　107

4.2.1　按距離分　107

4.2.2　按網絡交換功能分　109

4.2.3　常見局域網　110

4.3　網絡服務模型　116

4.3.1　終端網絡模型　116

4.3.2　C/S模型　117

4.3.3　P2P網絡模型　117

4.4　電腦網絡體系結構　118

4.4.1　ISO/OSI　118

4.4.2　TCP/IP　120

4.5　網絡互連和Internet　122

4.5.1　Internet概述　124

4.5.2　IP地址　124

4.5.3　Internet提供的服務　127

小結　129

習題　130

本章參考文獻　131

第5章　算法　132

5.1　算法的概念　132

5.1.1　概述　132

5.1.2　算法的定義　133

5.1.3　算法的基本性質　135

5.1.4　算法的基本結構　135

5.2　算法的表示　138

5.2.1　自然語言　138

5.2.2　流程圖　139

5.2.3　偽碼　141

5.3　基本算法　145

5.3.1　求和　145

5.3.2　求積　146

5.3.3　求**大值和**小值　146

5.3.4　排序　147

5.3.5　查找　148

5.4　算法效率　149

5.4.1　算法的規模　149

5.4.2　時間復雜度　150

5.4.3　空間復雜度　151

小結　151

習題　152

本章參考文獻　152

第6章　程序設計語言　153

6.1　程序設計語言概述　153

6.1.1　什麽是程序語言　153

6.1.2　程序語言的發展歷史　154

6.1.3　程序語言的分類　155

6.1.4　機器語言　156

6.1.5　匯編語言　157

6.1.6　語言　158

6.2　程序語言的類型　160

6.2.1　常用程序語言　160

6.2.2　過程化語言　162

6.2.3　函數式語言　162

6.2.4　邏輯式語言　163

6.2.5　面向對象語言　164

6.2.6　專用語言　165

6.3　程序設計的基本概念　166

6.3.1　標識符　167

6.3.2　變量與數據類型　167

6.3.3　常量和文字　168

6.3.4　表達式和賦值語句　169

6.3.5　控制語句　170

6.3.6　註釋　172

6.4　程序單元　173

6.4.1　過程　173

6.4.2　參數　173

6.4.3　函數　174

6.4.4　輸入與輸出　175

6.5　程序設計語言的執行　175

6.5.1　程序翻譯　176

6.5.2　鏈接程序　177

6.5.3　集成開發環境　178

6.6　話題　178

6.6.1　面向對象程序設計　178

6.6.2　程序語言的發展趨勢　181

小結　181

習題　182

本章參考文獻　184

第7章　數據結構　185

7.1　概述　185

7.1.1　數據結構與算法　185

7.1.2　數據的邏輯結構　186

7.1.3　數據的存儲結構　187

7.1.4　數據的運算　188

7.2　線性表　188

7.2.1　基於數組的實現　188

7.2.2　基於鏈表的實現　189

7.3　堆棧　190

7.3.1　堆棧的基本概念　190

7.3.2　棧的實現　191

7.3.3　棧的基本操作　191

7.3.4　棧的應用　192

7.4　隊列　192

7.4.1　隊列的基本概念　192

7.4.2　隊列的實現　193

7.4.3　隊列的基本操作　194

7.4.4　隊列的應用　194

7.5　樹　195

7.5.1　二叉樹的基本概念　195

7.5.2　二叉樹的實現　197

7.5.3　二叉樹的遍歷　197

7.5.4　二叉檢索樹　198

7.6　圖　199

7.6.1　圖的定義和術語　199

7.6.2　圖的實現　201

7.6.3　圖的遍歷　201

7.6.4　圖的**短路徑問題　203

7.7　基本算法　204

7.7.1　查找　204

7.7.2　排序　206

小結　208

習題　209

本章參考文獻　211

第8章　文件系統　212

8.1　文件系統的基本概念　212

8.1.1　文件命名　212

8.1.2　文件訪問　213

8.2　文件結構　214

8.2.1　順序文件　214

8.2.2　索引文件　215

8.2.3　散列文件　215

8.3　Windows文件系統　216

8.3.1　Windows文件系統概述　217

8.3.2　FAT32文件系統　217

8.3.3　NTFS文件系統　217

8.4　Linux文件系統　218

8.4.1　Linux文件系統概述　219

8.4.2　虛擬文件系統VFS　220

8.4.3　EXT2文件系統　221

8.5　Google文件系統　221

8.5.1　Google文件系統概述　222

8.5.2　Google文件系統的結構　222

8.5.3　主服務器Master的操作　223

小結　224

習題　225

本章參考文獻　225

第9章　數據庫系統　227

9.1　數據庫系統的基本概念　227

9.1.1　數據庫管理系統概述　228

9.1.2　數據庫模式　228

9.1.3　數據模型　229

9.2　關系數據庫系統　233

9.2.1　關系數據庫的設計　234

9.2.2　關系的操作　236

9.2.3　結構化查詢語言　237

9.3　面向對象數據庫　240

9.3.1　面向對象數據庫簡介　240

9.3.2　面向對象數據庫語言　241

9.3.3　面向對象數據庫基本技術　241

9.3.4　面向對象數據庫軟件　243

9.3.5　面向對象數據庫系統的優勢　243

9.4　非關系型數據庫NoSQL　244

9.4.1　NoSQL介紹　244

9.4.2　NoSQL數據庫的產品　245

9.4.3　NoSQL數據庫的特點　246

小結　247

習題　247

本章參考文獻　248

第 二部分　專題

第 10章　嵌入式計算專題　250

10.1　嵌入式系統的概念　251

10.2　嵌入式系統的構成　254

10.2.1　嵌入式硬件　254

10.2.2　嵌入式軟件　257

10.3　嵌入式計算的特點　260

10.4　嵌入式計算發展趨勢與新挑戰　262

10.4.1　嵌入式計算發展趨勢　262

10.4.2　嵌入式計算所面臨的挑戰　262

習題　263

本章參考文獻　264

第 11章　信息安全與網絡安全專題　265

11.1　信息安全與網絡安全簡介　265

11.1.1　信息安全與網絡安全的基本概念　265

11.1.2　信息安全與網絡安全的基本特徵　266

11.1.3　信息安全與網絡安全保護技術　267

11.2　信息安全技術　267

11.2.1　信息安全技術概述　267

11.2.2　密碼技術　268

11.2.3　信息隱藏技術　270

11.3　網絡安全技術　273

11.3.1　網絡安全技術概述　273

11.3.2　防火牆技術　274

11.3.3　惡意程序及其防治　276

11.3.4　入侵檢測技術　280

習題　284

本章參考文獻　285

第 12章　物聯網專題　286

12.1　物聯網概述　286

12.1.1　物聯網的概念　286

12.1.2　物聯網發展狀況　288

12.1.3　物聯網核心技術與特點　291

12.2　物聯網關鍵技術　293

12.2.1　自動識別技術與RFID　293

12.2.2　傳感器技術　295

12.2.3　網絡構建　296

12.2.4　物聯網中間件　298

12.2.5　物聯網中的智能決策　299

12.2.6　物聯網信息安全　300

12.3　物聯網綜合應用　301

12.3.1　應用、預測和市場　301

12.3.2　行業應用　302

習題　308

本章參考文獻　309

第 13章　智能信息處理專題　310

13.1　智能信息處理的產生及發展　310

13.2　模糊信息處理　311

13.3　神經網絡信息處理　312

13.4　粗集信息處理　313

13.5　計算智能　314

13.5.1　遺傳算法　314

13.5.2　模擬退火　315

13.5.3　蟻群算法　316

13.5.4　人工免疫算法　317

13.6　展望　318

習題　318

本章參考文獻　319

第 14章　大數據專題　320

14.1　大數據的相關概念　321

14.1.1　大數據的定義　321

14.1.2　大數據的4個特性　321

14.1.3　大數據與數據庫的差異　322

14.1.4　大數據的產生方式　322

14.2　大數據的處理與存儲　323

14.2.1　處理模式　323

14.2.2　處理流程　323

14.2.3　大數據相關技術　325

14.2.4　大數據工具　326

14.2.5　大數據的存儲管理　327

14.3　大數據與機器學習　328

14.3.1　大數據時代下機器學習的特點　329

14.3.2　評價指標　330

14.3.3　機器學習模型　330

14.3.4　面向數據流的機器學習　334

14.4　隱私保護與數據安全　335

14.4.1　大數據隱私問題　335

14.4.2　大數據安全挑戰　336

14.4.3　大數據安全應對策略　337

14.5　大數據的應用及發展趨勢　337

14.5.1　大數據的應用　337

14.5.2　大數據的發展趨勢　339

習題　339

本章參考文獻　340

第 15章　雲計算專題　341

15.1　雲計算概述　341

15.1.1　雲計算的演進　341

15.1.2　雲計算的定義　341

15.1.3　雲計算的特點　342

15.1.4　雲計算的類型和服務層次　343

15.2　雲計算主要技術　344

15.2.1　雲計算技術框架　344

15.2.2　雲計算的核心　345

15.2.3　雲計算關鍵技術　346

15.3　雲計算產業及應用情況　347

15.3.1　雲計算帶來的變革　347

15.3.2　雲計算的應用　349

15.3.3　雲計算的發展現狀　350

15.4　私有雲搭建技術　351

15.4.1　OpenStack簡介　352

15.4.2　CloudStack簡介　352

習題　353

本章參考文獻　354