第1章  計算機繫統1

1.1  初識計算機1

1.1.1  計算機的功能2

1.1.2  計算機的發展3

1.2  計算機繫統的構成6

1.2.1  計算機硬件繫統6

1.2.2  計算機軟件繫統13

1.3  計算機的工作原理15

1.3.1  馮·諾依曼原理16

1.3.2  計算機的啟動17

1.3.3  計算機的計算原理18

1.4  計算機網絡與安全21

1.5  計算機科學基礎導學22

1.5.1  計算機繫統的分層模型22

1.5.2  學習思路23

1.6  思考題24

第2章  操作繫統30

2.1  操作繫統基礎30

2.1.1  操作繫統概述30

2.1.2  操作繫統的結構和核心概念30

2.1.3  操作繫統分類31

2.2  操作繫統的功能34

2.2.1  設備管理34

2.2.2  存儲管理35

2.2.3  進程管理35

2.2.4  文件管理36

2.3  操作繫統舉例——Windows 1036計算機科學基礎目錄

2.3.1  Windows文件管理36

2.3.2  程序管理42

2.3.3  硬件管理47

2.3.4  常用小工具48

2.3.5  輸入法的安裝與設置51

2.3.6  使用技巧52

2.4  思考題58

第3章  數據的表示與存儲65

3.1  數據在計算機中的表示65

3.1.1  數制65

3.1.2  二進制67

3.1.3  二進制運算67

3.1.4  進制的轉換68

3.1.5  數值在計算機中的表示與存儲71

3.2  字符的編碼76

3.2.1  ASCII碼76

3.2.2  漢字的表示77

3.3  多媒體數據的表示80

3.3.1  圖形與圖像80

3.3.2  音頻84

3.3.3  視頻86

3.3.4  動畫87

3.4  數據的存儲87

3.4.1  數據存儲基礎88

3.4.2  單一類型數據存儲89

3.4.3  復合類型數據存儲——面向對像90

3.4.4  復合類型數據存儲——結構化93

3.5  思考題94

第4章  數據管理示例100

4.1  Excel電子表格101

4.1.1  Excel基礎知識101

4.1.2  Excel數據和公式103

4.1.3  Excel表的結構化106

4.1.4  Excel函數108

4.1.5  Excel圖表111

4.1.6  Excel數據管理和分析112

4.2  Access數據庫115

4.2.1  數據庫基礎知識115

4.2.2  Access基礎知識117

4.2.3  數據庫及表119

4.2.4  查詢123

4.2.5  關繫數據語言SQL 127

4.3  非結構化數據處理示例130

4.4  思考題132

第5章  算法基礎135

5.1  算法的概念135

5.1.1  算法概述135

5.1.2  算法的定義及特性136

5.1.3  算法要素137

5.2  算法的表示137

5.2.1  自然語言137

5.2.2  偽代碼138

5.2.3  流程圖140

5.3  常用的基本算法141

5.3.1  迭代法141

5.3.2  遞歸法143

5.3.3  蠻力法144

5.3.4  排序算法146

5.3.5  查找算法148

5.4  算法效率150

5.4.1  分析框架150

5.4.2  時間復雜度150

5.4.3  空間復雜度153

5.5  算法可視化工具Raptor153

5.5.1  Raptor簡介153

5.5.2  Raptor使用基礎154

5.5.3  基本控制結構的表示156

5.6  思考題160

第6章  Python程序設計167

6.1  程序設計概述167

6.1.1  程序167

6.1.2  程序設計與程序設計語言168

6.1.3  數據與數據結構168

6.1.4  程序設計的基本步驟169

6.2  Python語言基礎169

6.2.1  引例169

6.2.2  輸入與輸出171

6.2.3  標識符與變量172

6.2.4  數據類型及運算173

6.3  Python程序控制結構180

6.3.1  分支結構180

6.3.2  循環結構182

6.3.3  程序控制結構應用實例184

6.4  Python函數與模塊185

6.4.1  常用模塊中的函數186

6.4.2  用戶自定義函數187

6.4.3  匿名函數188

6.4.4  遞歸函數188

6.5  Python數據庫編程189

6.5.1  數據庫編程的基本步驟190

6.5.2  數據庫編程實例190

6.6  Python非結構化數據處理192

6.6.1  網絡爬蟲應用實例192

6.6.2  中文文本分析實例196

6.7  思考題198

第7章  互聯網技術及應用206

7.1  網絡基礎206

7.1.1  網絡的定義206

7.1.2  網絡的功能207

7.1.3  網絡的性能指標208

7.1.4  網絡的分類210

7.2  Internet基礎216

7.2.1  因特網與互聯網216

7.2.2  TCP/IP217

7.2.3  DNS服務222

7.2.4  FTP服務224

7.3  互聯網新技術225

7.3.1  物聯網225

7.3.2  雲計算228

7.3.3  大數據232

7.3.4  人工智能239

7.4  思考題244

第8章  信息安全250

8.1  病毒與防火牆250

8.1.1  計算機病毒250

8.1.2  防火牆253

8.2  密碼學基礎256

8.2.1  密碼學概述256

8.2.2  對稱加密257

8.2.3  非對稱加密258

8.2.4  哈希算法259

8.3  密碼技術及應用260

8.3.1  數字簽名260

8.3.2  區塊鏈262

8.3.3  比特幣264

8.4  生活中的密碼與加密269

8.4.1  密碼269

8.4.2  設置個人密碼269

8.4.3  加密文件271

8.5  信息安全案例剖析274

8.5.1  支付寶的數字證書274

8.5.2  恢復誤刪的數據275

8.5.3  免費WiFi成詐騙“新領地”276

8.5.4  防範惡意軟件279

8.5.5  二維碼安全280

8.6  思考題282

附錄AASCII碼一覽表289

一、 繫列教材背景
人類已經進入智能時代,雲計算、大數據、物聯網、人工智能、機器人、量子計算等是這個時代重要的技術熱點。為了適應和滿足時代發展對人纔培養的需要,2017年2月以來,積極推進新工科建設,先後形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”,並發布了《高等教育司關於開展新工科研究與實踐的通知》《辦公廳關於新工科研究與實踐項目的通知》,全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗,助力高等教育強國建設。新工科有兩個內涵: 一是新的工科專業;二是傳統工科專業的新需求。新工科建設將促進一批新專業的發展,這批新專業有的是依托於現有計算機類專業派生、擴展而成的,有的是多個專業有機整合而成的。由計算機類專業派生、擴展形成的新工科專業有計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程、物聯網工程、信息管理與信息繫統、數據科學與大數據技術等。由計算機類學科交叉融合形成的新工科專業有網絡空間安全、人工智能、機器人工程、數字媒體技術、智能科學與技術等。
在新工科建設的“九個一批”中,明確提出“建設一批體現產業和技術發展的新課程”“建設一批產業急需的新興工科專業”。新課程和新專業的持續建設,都需要以適應新工科教育的教材作為支撐。由於各個專業之間的課程相互交叉,但是又不能相互包含,所以在選題方向上,既考慮由計算機類專業派生、擴展形成的新工科專業的選題,又考慮由計算機類專業交叉融合形成的新工科專業的選題,特別是網絡空間安全專業、智能科學與技術專業的選題。基於此,清華大學出版社計劃出版“面向新工科專業建設計算機繫列教材”。
二、 教材定位
教材使用對像為“211工程”高校或同等水平及以上高校計算機類專業及相關專業學生。計算機科學基礎出版說明三、 教材編寫原則
(1) 借鋻Computer Science Curricula 2013(以下簡稱CS2013)。CS2013的核心知識領域包括算法與復雜度、體繫結構與組織、計算科學、離散結構、圖形學與可視化、人機交互、信息保障與安全、信息管理、智能繫統、網絡與通信、操作繫統、基於平臺的開發、並行與分布式計算、程序設計語言、軟件開發基礎、軟件工程、繫統基礎、社會問題與專業實踐等內容。
(2) 處理好理論與技能培養的關繫,注重理論與實踐相結合,加強對學生思維方式的訓練和計算思維的培養。計算機專業學生能力的培養特別強調理論學習、計算思維培養和實踐訓練。本繫列教材以“重視理論,加強計算思維培養,突出案例和實踐應用”為主要目標。
(3) 為便於教學,在紙質教材的基礎上,融合多種形式的教學輔助材料。每本教材可以有主教材、教師用書、習題解答、實驗指導等。特別是在數字資源建設方面,可以結合當前出版融合的趨勢,做好立體化教材建設,可考慮加上微課、微視頻、二維碼、MOOC等擴展資源。
四、 教材特點1. 滿足新工科專業建設的需要繫列教材涵蓋計算機科學與技術、軟件工程、物聯網工程、數據科學與大數據技術、網絡空間安全、人工智能等專業的課程。
2. 案例體現傳統工科專業的新需求
編寫時,以案例驅動,任務引導,特別是有一些新應用場景的案例。
3. 循序漸進,內容全面
講解基礎知識和實用案例時,由簡單到復雜,循序漸進,繫統講解。
4. 資源豐富,立體化建設
除了教學課件外,還可以提供教學大綱、教學計劃、微視頻等擴展資源,以方便教學。
五、 優先出版1. 精品課程配套教材主要包括或省級的精品課程和精品資源共享課的配套教材。
2. 傳統優秀改版教材
對於已經出版、得到市場認可的優秀教材,由於新技術的發展,計劃給圖書配上新的教學形式、教學資源的改版教材。
3. 前沿技術與熱點教材
反映計算機前沿和當前熱點的相關教材，例如雲計算、大數據、人工智能、物聯網、網絡空間安全等方面的教材。
六、 聯繫方式
聯繫人: 白立軍
聯繫電話: 01083470179
聯繫和投稿郵箱: bailj@tup.tsinghua.edu.cn

“面向新工科專業建設計算機繫列教材”編委會
2019年6月
計算機科學基礎

主任：
張堯學清華大學計算機科學與技術繫教授中國工程院院士/高等學校軟件工程專業教學指導委員會主任委員
副主任：
陳剛浙江大學計算機科學與技術學院院長/教授
盧先和清華大學出版社常務副總編輯、
副社長/編審
委員： 
畢勝大連海事大學信息科學技術學院院長/教授
蔡伯根北京交通大學計算機與信息技術學院院長/教授
陳兵南京航空航天大學計算機科學與技術學院院長/教授
成秀珍山東大學計算機科學與技術學院院長/教授
丁志軍同濟大學計算機科學與技術繫繫主任/教授
董軍宇中國海洋大學信息科學與工程學院副院長/教授
馮丹華中科技大學計算機學院院長/教授
馮立功戰略支援部隊信息工程大學網絡空間安全學院院長/教授
高英華南理工大學計算機科學與工程學院副院長/教授
桂小林西安交通大學計算機科學與技術學院教授
郭衛斌華東理工大學計算機科學與工程繫繫主任/教授
郭文忠福州大學數學與計算機科學學院院長/教授
郭毅可上海大學計算機工程與科學學院院長/教授
過敏意上海交通大學計算機科學與工程繫教授
胡瑞敏西安電子科技大學網絡與信息安全學院院長/教授
黃河燕北京理工大學計算機學院院長/教授
雷蘊奇廈門大學計算機科學繫教授
李凡長蘇州大學計算機科學與技術學院院長/教授
李克秋天津大學計算機科學與技術學院院長/教授
李肯立湖南大學信息科學與工程學院院長/教授
李向陽中國科學技術大學計算機科學與技術學院執行院長/教授
梁榮華浙江工業大學計算機科學與技術學院執行院長/教授
劉延飛火箭軍工程大學基礎部副主任/教授
陸建峰南京理工大學計算機科學與工程學院副院長/教授
羅軍舟東南大學計算機科學與工程學院教授
呂建成四川大學計算機學院（軟件學院）院長/教授
呂衛鋒北京航空航天大學計算機學院院長/教授
馬志新蘭州大學信息科學與工程學院副院長/教授
毛曉光國防科技大學計算機學院副院長/教授
明仲深圳大學計算機與軟件學院院長/教授
彭進業西北大學信息科學與技術學院院長/教授
錢德沛中山大學數據科學與計算機學院院長/教授
申恆濤電子科技大學計算機科學與工程學院院長/教授
蘇森北京郵電大學計算機學院執行院長/教授
汪萌合肥工業大學計算機與信息學院院長/教授
王長波華東師範大學計算機科學與軟件工程學院常務副院長/教授
王勁松天津理工大學計算機科學與工程學院院長/教授
王良民江蘇大學計算機科學與通信工程學院院長/教授
王泉西安電子科技大學副校長/教授
王曉陽復旦大學計算機科學技術學院院長/教授
王義東北大學計算機科學與工程學院院長/教授
魏曉輝吉林大學計算機科學與技術學院院長/教授
文繼榮中國人民大學信息學院院長/教授
翁健暨南大學信息科學技術學院副校長/教授
吳卿杭州電子科技大學副校長/教授
武永衛清華大學計算機科學與技術繫副主任/教授
肖國強西南大學計算機與信息科學學院院長/教授
熊盛武武漢理工大學計算機科學與技術學院院長/教授
徐偉陸軍工程大學指揮控制工程學院院長/副教授
楊鋻雲南大學信息學院院長/教授
楊燕西南交通大學信息科學與技術學院副院長/教授
楊震北京工業大學信息學部副主任/教授
姚力北京師範大學人工智能學院執行院長/教授
葉保留河海大學計算機與信息學院院長/教授
印桂生哈爾濱工程大學計算機科學與技術學院院長/教授
袁曉潔南開大學計算機學院院長/教授
張強大連理工大學計算機科學與技術學院院長/教授
張清華重慶郵電大學計算機科學與技術學院執行院長/教授
張艷寧西北工業大學校長助理/教授
趙建平長春理工大學計算機科學技術學院院長/教授
鄭新奇 中國地質大學（北京）信息工程學院院長/教授
仲紅安徽大學計算機科學與技術學院院長/教授
周勇中國礦業大學計算機科學與技術學院院長/教授
周志華南京大學計算機科學與技術繫繫主任/教授
鄒北驥中南大學計算機學院教授
秘書長：
白立軍清華大學出版社副編審

計算機通識教育課程旨在提升大學生的信息技術素養、培育其信息處理能力。信息素養的優劣是一個國家的公民終身學習能力的重要標志，是21世紀人類全球勝任力的重要組成部分。隨著信息技術的快速發展，信息技術已迅速融入一些傳統學科中，並得到廣泛而深入的應用，如生物、管理、醫療、傳播等。大學生信息素養的缺失將嚴重制約其專業的發展，所以做好計算機通識教育課程的建設和教學工作符合當今大學教育發展的需求。由於計算機通識教育課程的學時比較少，要在較短的時間內向學生展示信息技術的機理以及應用，就需要對各個知識點進行合理編排。本書的編排從基礎理論出發，以實際應用為導向，進行原理剖析和應用分析，期望讀者通過本書的閱讀能提升信息技術素養和數據處理能力。
本書圍繞數據處理和信息新技術展開，全書共8章，各章內容介紹如下。
第1章計算機繫統。從硬件到軟件，從計算機模型到未來計算機，從計算機啟動到工作原理，介紹計算機繫統的相關內容。
第2章操作繫統。除了介紹操作繫統的功能、結構、核心概念和分類外，還簡單介紹Windows 10操作繫統的使用。
第3章數據的表示與存儲。介紹當前不同類型的數據在計算機中的表示，結合常見的數據樣例進行數據存儲分析。
第4章數據管理示例。通過介紹常見的結構化和非結構化數據處理軟件，分析數據處理過程。
第5章算法基礎。主要介紹算法的概念、算法和數據之間的關繫、算法表示、常用算法的原理以及算法效率分析方法。
第6章Python程序設計。詳細介紹Python程序設計語法和典型案例，案例包括非結構化數據處理的網絡爬蟲和文本分析等。
第7章互聯網技術及應用。主要介紹互聯網基礎以及現有的網絡新技術，包括物聯網、雲計算、大數據等。
第8章信息安全。從繫統安全和數據安全兩方面分別展開，繫統安全部分介紹了病毒和防火牆的原理，數據安全部分介紹了密碼學基礎以及密碼學的應用，如數字簽名、區塊鏈、比特幣等。結合日常實際，介紹了信息安全案例，包括支付寶安全、WiFi安全、惡意軟件、二維碼安全和數據恢復等。全書內容由劉小麗規劃，第l、8章由劉小麗編寫，第2、3章由杜寶榮編寫，第4、6章由梁裡寧編寫，第5、7章由胡彥編寫，各章的習題由餘宏華整理。本書由暨南大學本科教材資助項目支持。在編寫過程中，餘宏華老師提出了不少中肯建議，同時本書的完成也離不開我校計算中心許多老師的加油打氣，在此向他們表示感謝！
本書的編寫因時間倉促，加之編者水平有限，書中難免有疏漏和不足之處，在此懇請專家和廣大讀者批評指正！

編者2020年6月