本書是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材的修訂版。全書共分9章：計算思維概述、算法基礎、計算機的硬件基礎、計算機繫統的硬件結構、數據的組織與管理、計算機繫統的軟件、計算機繫統及應用、計算機信息安全及職業道德、計算機導論實驗。附錄還給出了專業學習指南。本書為任課老師免費提供電子教案、習題參考答案和實驗用程序等教學資源。本書適合作為計算機專業本科和專科入門教材，也可作為非計算機專業的“計算機基礎”教材，也是計算機初學者的理想入門讀物。

王玉龍，北方工業大學教授，長期從事計算機專業教育工作，發表論文多篇，編寫教材多部，入選國家級規劃教材多部。

目 錄

第1章 計算思維概述 1
1．1 計算機發展概述 1
1．1．1 歷史回顧 1
1．1．2 發展現狀 2
1．1．3 發展趨勢 8
1．2 什麼是計算思維 9
1．2．1 計算機的發展與思維方式的
變化 9
1．2．2 思維與科學思維 11
1．2．3 計算思維的定義 12
1．2．4 計算思維的特性 12
1．3 計算機求解問題的過程 13
1．3．1 問題的描述 13
1．3．2 建立數學模型 13
1．3．3 算法設計 14
1．3．4 算法的正確性證明 14
1．3．5 算法分析 14
1．3．6 算法的程序實現 15
習題1 15
第2章 算法基礎 16
2．1 計算科學的典型問題 16
2．1．1 排序問題 16
2．1．2 漢諾塔問題 16
2．1．3 n皇後問題 17
2．1．4 旅行商問題 17
2．1．5 學習算法的意義 18
2．2 算法初步 18
2．2．1 算法概念 18
2．2．2 算法特征 19
2．2．3 算法描述 20
2．3 算法結構 21
2．2．5 算法設計方法 23
2．2．6 算法分析 25
習題2 26
第3章 計算機的硬件基礎 27
3．1 計算機的基本組成及其工作
原理 27
3．1．1 計算機的基本組成 27
3．1．2 計算機的基本工作原理 28
3．2 信息在計算機中的表示 31
3．2．1 數值數據 31
3．2．2 字符數據 39
3．2．3 聲音數據 41
3．2．4 圖像和圖形數據 41
3．2．5 視頻數據 42
3．3 運算基礎 43
3．3．1 四則運算 43
3．3．2 補碼加減運算 44
3．3．3 十進制數運算 46
3．3．4 邏輯運算 47
3．4 邏輯代數及邏輯電路 49
3．4．1 邏輯代數的初步知識 49
3．4．2 基本邏輯電路 51
3．4．3 基本邏輯部件 57
習題3 64
第4章 計算機繫統的硬件結構 67
4．1 中央處理器（CPU） 67
4．1．1 運算器 67
4．1．2 控制器 70
4．1．3 CPU典型結構舉例 74
4．1．4 多核CPU和GPU 78
4．2 主存儲器 81
4．2．1 主存儲器概述 81
4．2．2 半導體存儲器 84
4．2．3 用芯片組成一個存儲器 87
4．3 輔助存儲器 89
4．3．1 磁表面存儲器 89
4．3．2 光盤存儲器 93
4．3．3 可移動外存儲器 95
4．3．4 計算機的存儲體繫 95
4．4 輸入/輸出繫統 97
4．4．1 輸入設備 97
4．4．2 輸出設備 99
4．4．3 輸入/輸出接口 102
4．4．4 輸入/輸出控制方式 104
4．5 指令繫統及執行 106
4．5．1 指令繫統 106
4．5．2 總線 110
4．5．3 計算機的時標繫統 112
4．5．4 計算機的整機工作原理 113
4．5．5 計算機的性能評價 118
4．6 計算機的繫統結構 119
4．6．1 並行處理的概念 119
4．6．2 流水線處理機繫統 120
4．6．3 並行處理機繫統 122
4．6．4 多處理機繫統 123
4．6．5 數據流計算機 123
4．6．6 精簡指令繫統計算機 124
習題4 125
第5章 數據的組織與管理 128
5．1 數據結構基礎 128
5．1．1 基本概念 128
5．1．2 線性表 130
5．1．3 圖 133
5．1．4 樹 134
5．2 數據庫繫統 136
5．2．1 什麼是數據庫 137
5．2．2 數據模型 138
5．2．3 數據庫的基本結構形式―
數據表 140
5．2．4 數據庫語言 141
5．2．4 數據庫設計 143
5．2．5 數據庫技術的發展 146
習題5 150
第6章 計算機繫統的軟件 152
6．1 計算機軟件概述 152
6．1．1 什麼是軟件 152
6．1．2 軟件的分類 153
6．1．3 常用軟件簡介 153
6．1．4 計算機繫統的組成 154
6．2 程序設計語言 156
6．2．1 程序設計語言發展概述 156
6．2．2 程序設計基礎 159
6．2．3 面向對像程序設計 168
6．3 操作繫統 172
6．3．1 操作繫統概述 172
6．3．2 處理器管理 177
6．3．3 存儲管理 183
6．3．4 設備管理 187
6．3．5 文件管理 191
6．4 編譯繫統 197
6．4．1 編譯原理概述 197
6．4．2 詞法分析 199
6．4．3 語法分析 201
6．4．4 中間代碼生成 203
6．4．5 代碼優化 204
6．4．6 目標代碼生成 205
6．4．7 表格管理和出錯處理 206
6．5 軟件工程 207
6．5．1 軟件工程概述 207
6．5．2 軟件開發模型 209
習題6 213
第7章 計算機繫統及應用 215
7．1 計算機網絡 215
7．1．1 計算機網絡的組成 215
7．1．2 計算機網絡的分類 218
7．1．3 網絡中數據傳輸的基本
原理 221
7．1．4 網絡通信協議 223
7．1．5 計算機網絡示例 225
7．1．6 互聯網Internet簡介 227
7．1．7 互聯網新技術 233
7．1．8 無線網 235
7．1．9 物聯網 238
7．1．10 雲計算 239
7．2 多媒體技術 241
7．2．1 基本概念 242
7．2．2 多媒體關鍵技術 245
7．2．3 多媒體計算機繫統 249
7．2．4 Windows多媒體環境 252
7．2．5 多媒體技術的應用
與發展 254
7．3 虛擬現實 255
7．3．1 什麼是虛擬現實 255
7．3．2 VR的發展歷程 257
7．3．3 VR繫統結構 259
7．3．4 構造VR繫統的主要軟/硬件
設備 259
7．3．5 VR的應用繫統 261
7．4 人工智能 264
7．4．1 什麼是人工智能 265
7．4．2 人工智能的主要研究方向
與應用領域 266
7．4．3 專家繫統 270
7．4．4 人工神經網絡 275
習題7 279
第8章 計算機信息安全及職業道德 281
8．1 計算機信息安全概述 281
8．1．1 什麼是計算機信息安全 281
8．1．2 威脅計算機網絡安全的
主要因素 282
8．2 計算機病毒 284
8．2．1 病毒的定義和特點 284
8．2．2 三種有影響的病毒 285
8．2．3 病毒的分類 285
8．2．4 反病毒技術概述 287
8．3 計算機黑客 289

8．3．1 什麼是計算機黑客 289
8．3．2 黑客的主要攻擊手段 289
8．4 計算機犯罪 290
8．5 防火牆的基本概念 291
8．5．1 什麼是防火牆 291
8．5．2 包過濾路由器 292
8．5．3 應用級網關 293
8．5．4 防火牆產品簡介 294
8．6 計算機職業道德 294
8．6．1 職業道德的基本範疇 295
8．6．2 計算機職業道德教育的
重要性 295
8．6．3 信息使用的道德規範 295
習題8 296
第9章 計算機導論實驗 297
9．1 計算機硬件實驗 297
9．2 Office辦公軟件實驗 300
9．3 操作繫統文件管理實驗 306
9．4 網絡綜合應用實驗 308
9．5 多媒體綜合應用實驗 309
9．6 Access數據庫應用實驗 311
附錄 專業學習指南 315
附錄A 計算機科學與技術專業知識
體繫與科學方法論 315
附錄B 計算機科學與技術專業的
職業類別 319
附錄C 計算機行業背景知識 321
附錄D 常見英文計算機縮略語
對照表 324
參考文獻 326

前 言

《計算機導論—基於計算思維視角（第4版）》是在前三版的《計算機導論》基礎上修訂而成的。《計算機導論》第一版作為國家“九五”規劃教材於1997年出版，至2004年9月已印刷21次；《計算機導論》第2版於2005年1月出版，至2008年9月已印刷9次；《計算機導論》第3版作為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，於2009年7月出版，至2015年7月已印刷10次。從《計算機導論》一書的出版情況看，該書尚受讀者歡迎，其原因是該書的內容能切合教育部制定的對該課程的基本要求：《計算機導論》應為新生提供一個關於計算機科學與技術學科的入門介紹，使學生能對該學科有一個整體的認識，並了解該專業的學生應具有的基本知識和技能。短短的幾年過去了，計算機科學技術的飛速發展，對該專業的學生要掌握的計算機科學的“整體認識”及應培養的“能力素質”發生了較大的變化，為適應這一變化，《計算機導論》一書得以重新修訂。

在摩爾定律的驅動下，2010年集成電路的最小線寬從32納米開始跨入驚人的22納米量級，一個大頭針大小的圓頭上可以集成1億個晶體管，使芯片的處理能力不再是應用的瓶頸。強大而廉價的處理能力，不僅提供了卓越的計算功能和海量的存儲能力，而且提供了足夠的通信帶寬，解除了信息技術基礎技術平臺對應用發展的制約，由此促使了虛擬技術、智能化工具以及雲計算、大數據、移動互聯網和物聯網等新技術應用的快速發展。這一發展具有顛覆性的影響，正在徹底改變科技和社會的方方面面，也改變著人們的思維方式。2012年，教育部組織申報大學計算機課程改革項目，要求大學計算機教學的總體建設目標應該定位在普及計算機文化，培養專業應用能力，訓練計算思維能力上。如何將計算思維融入大學計算機教育，已得到計算機教育工作者的廣泛關注。

本次修訂，將保持前三版的基本風格，盡量寫成一本既通俗又嚴謹的計算機科學的入門教材。在教材內容組織上強調計算思維能力的培養。當然，計算思維能力的訓練要通過計算機專業的完整教學計劃及課程改革來實現，非一門課程所能完成。為此，新版教材名稱調整為《計算機導論—基於計算思維視角（第4版）》。

本次主要修訂內容如下：

（1）增加新的一章“計算思維概述”。在簡要介紹計算機科學的發展進程基礎上，說明計算思維提出的背景，講述計算思維的定義、特征及與其他科學的關繫,簡述用計算思維求解問題的途徑，說明培養計算思維能力的重要性。

（2）全書進行了“吐故納新”，包括：對經典的基礎內容進行精簡，對陳舊的內容進行刪除，並增加計算機科學的新技術、新發展。

（3）按培養學生計算思維能力的要求，對全書內容進行重新編排。

修訂後的《計算機導論—基於計算思維視角（第4版）》分為9章，保留了原有的計算機導論實驗及4個附錄，供教師與學生參考。此外，為任課教師提供下列教學資源：電子教案、習題參考答案、實驗用軟件及模擬試題等。任課老師可通過華信教育資源網http://www. hxedu.com.cn免費注冊下載。

本書力求處理好下列三方面的關繫:

首先，是課程內容的廣度與深度的關繫。廣度是本課程的基本要求，而深度則是為廣度服務的，應以講清楚各的基本概念為目的。

其次，是課程內容的深度與讀者對像的關繫。本課程的對像是“初學者”，而隨著微型計算機及計算機網絡的普及，這些“初學者”中的大多數都已具有計算機的某些知識或使用經歷。因此，本教材在內容深度上雖是“入門”性的，但必須是繫統和嚴謹的，並區別於一般的計算機科普讀物。

第三，是課程內容與授課時間的關繫。本課程的授課總學時約32學時，按這些學時數要求寫出一本全面介紹計算機繫統的教材難度相當大。解決這一難點的簡單辦法是適當地多寫些，任課教師根據教學要求及給予的學時數，少講或精講某些內容，或部分內容供學生自學。例如，“計算機網絡及其應用”部分內容可少講或不講。“計算機信息安全及職業道德”部分內容可以用講座方式作簡單介紹，書中帶“※”號的內容可少講或不講；“計算機應用”部分內容可以用講座方式作簡單介紹，或供學生自學；“計算機導論實驗”可由學生自行上機完成，老師負責指導，並向老師提交實驗報告；附錄內容用可作為入學新生的專業教育參考資料，本書以二維碼方式呈現，學生用手機掃描二維碼即可獲取學習內容。

本次修訂由王玉龍、方英蘭兩位老師合作完成。在編寫本書過程中，得到電子工業出版社童占梅編審的大力支持與幫助，北方工業大學吳樂明老師完成了本書的校對與錄入工作，在此對她們表示衷心的感謝。此外，還要感謝為本書的前幾版編寫做出貢獻的付曉玲、劉高軍等諸位老師。

教材總是落後於科學發展的現實，在本次修訂中，難免出現錯誤或不妥之處，懇請廣大讀者提出寶貴的意見。

編著者