本書以計算為主線，以數據及其表示為獨特的視角，充分展示了計算機科學的全貌，包括其歷史發展、技術特點、科學基礎和未來前景。本書包括9章，主要內容為：計算繫統，二進制和數字邏輯，數據表示，算法，編程語言和程序，數據庫，網絡與網絡計算，大數據，先進計算。通俗的表達、生動的示例和大量的圖表有助於讀者對計算和數據相關抽像知識的理解。本書可以作為高等院校大學計算機及相關課程的教材，也可以作為計算機和相關專業的計算機入門課程的教材。

陸漢權，男，浙江大學教授，長期從事全校計算機基礎教學工作，熱愛教學，認真負責。在教學過程中，注重因材施教，尤其是他強調的計算機方法學習與解決各專業問題相結合的理念，深受學生認同，激發了學生學習計算機基礎知識的興趣。主持了*家級教改項目，並獲得了國家和省級教學成果獎。

目 錄
第1章 計算繫統 1
1．1 計算機繫統 1
1．1．1 硬件 1
1．1．2 軟件 3
1．2 計算機簡史 3
1．2．1 硬件史 3
1．2．2 軟件史 4
1．3 計算機模型 5
1．3．1 數據處理機模型 5
1．3．2 現代計算機模型 6
1．4 計算機組成 8
1．4．1 CPU 8
1．4．2 存儲器 9
1．4．3 輸入和輸出 12
1．5 操作繫統 13
1．5．1 計算機的核心 13
1．5．2 資源調度 14
1．5．3 文件繫統 17
1．6 計算機網絡 18
1．7 數據和信息 19
本章小結 20
第2章 二進制和數字邏輯 26
2．1 數據的表示 26
2．2 數制 27
2．3 二進制數 29
2．4 二進制運算 30
2．5 數字邏輯 33
2．5．1 基本邏輯關繫 33
2．5．2 邏輯代數 34
2．6 邏輯電路 36
2．6．1 門電路 36
2．6．2 加法器 37
2．6．3 電路 38
2．6．4 集成電路 39
本章小結 40
習題2 41
第3章 數據表示 46
3．1 數據概述 46
3．2 文本和文檔 47
3．2．1 ASCII 48
3．2．2 Unicode編碼 48
3．2．3 漢字編碼 49
3．2．4 文檔 50
3．3 數據壓縮 50
3．3．1 霍夫曼編碼 51
3．3．2 行程長度編碼 52
3．3．3 有損壓縮 52
3．4 音頻數據 53
3．4．1 音頻數據采集 53
3．4．2 音頻數據格式 55
3．4．3 計算機語音 56
3．5 圖形和圖像 57
3．5．1 圖像的表示 57
3．5．2 3D技術 60
3．6 視頻和動畫 61
3．6．1 視頻數據 61
3．6．2 動畫 62
本章小結 63
習題3 64
第4章 算法 68
4．1 算法概述 68
4．2 算法的三種結構 69
4．3 算法的表示和發現 71
4．4 算法舉例 73
4．4．1 基本算法 73
4．4．2 迭代 75
4．4．3 遞歸 75
4．4．4 排序 77
4．4．5 查找 78
4．4．6 搜索圖 79
4．5 算法的方法學 80
4．5．1 貪心法 80
4．5．2 分治法 82
4．5．3 動態規劃 83
4．5．4 回溯法 85
4．6 抽像數據表達 87
本章小結 88
習題4 89
第5章 編程語言和程序 93
5．1 程序概述 93
5．2 編程語言 94
5．2．1 機器語言和彙編語言 94
5．2．2 面向過程的高級語言 95
5．2．3 面向對像的程序設計語言 97
5．2．4 其他語言 99
5．3 程序的程序：翻譯繫統 100
5．4 高級編程語言 101
5．4．1 數據類型 101
5．4．2 運算操作 103
5．4．3 基本語句 105
5．4．4 控制語句 106
5．4．5 函數和方法 107
5．5 程序編寫 108
本章小結 110
習題5 111
第6章 數據庫 114
6．1 數據庫概述 114
6．1．1 文件管理 114
6．1．2 數據庫方法 115
6．1．3 數據庫管理繫統 116
6．2 關繫數據庫 117
6．2．1 關繫 117
6．2．2 關繫運算 119
6．2．3 SQL 120
6．2．4 事務 122
6．3 非關繫數據庫 122
6．4 其他數據庫技術 124
6．5 構建信息繫統 125
6．5．1 數據庫設計 125
6．5．2 訪問接口和數據轉換 126
6．5．3 訪問結構 127
本章小結 128
習題6 129
第7章 網絡與網絡計算 132
7．1 通信基礎 132
7．1．1 調制解調 132
7．1．2 網絡介質 133
7．1．3 無線通信 134
7．1．4 帶寬 136
7．1．5 壓縮和校驗 137
7．2 網絡技術 137
7．2．1 網絡訪問 138
7．2．2 網絡類型 139
7．2．3 網絡硬件 141
7．2．4 網絡協議 142
7．3 互聯網 143
7．3．1 TCP/IP 144
7．3．2 互聯網基本概念 146
7．3．3 萬維網Web 149
7．3．4 互聯網服務 152
7．3．5 5G和物聯網 154
7．4 網絡數據 155
7．5 雲計算 158
7．6 網絡安全 160
7．6．1 病毒和黑客 160
7．6．2 隱私保護 162
7．6．3 密碼保護 163
7．6．4 電子簽名 165
本章小結 166
習題7 168
第8章 大數據 173
8．1 大數據概述 173
8．2 R簡介 174
8．3 大數據預處理 176
8．4 數據分析方法 177
8．4．1 聚類分析 177
8．4．2 關聯分析 179
8．4．3 回歸分析 182
8．5 數據挖掘 185
8．5．1 分類 186
8．5．2 時間序列分析 188
8．5．3 文本分析 190
8．6 大數據處理工具 192
8．6．1 Hadoop 192
8．6．2 MapReduce 193
本章小結 194
習題8 195
第9章 先進計算 197
9．1 高性能計算 197
9．2 人工智能 198
9．2．1 圖靈測試 198
9．2．2 強人工智能和弱人工智能 199
9．2．3 哪些問題需要智能計算 200
9．2．4 啟發法 201
9．2．5 知識表達 202
9．2．6 神經網絡 203
9．2．7 機器人 204
9．2．8 自然語言處理 205
9．2．9 人工智能算法簡介 206
9．3 機器學習和深度學習 207
9．3．1 機器學習 208
9．3．2 深度學習 208
9．4 虛擬現實 209
9．5 計算理論 210
9．5．1 圖靈機 210
9．5．2 停機問題 212
9．5．3 P和NP問題 213
本章小結 215
習題9 215
附錄A ASCII表 218

前 言

超級計算機在新聞報道中常常被簡稱為“超算”。根據TOP500榜單定期發布的世界最快的超級計算機排行榜，我國的天河繫列（2009年）和神威（Sunway，2016年）超級計算機曾經先後占據世界第一的位置累計5年之久，而目前最新的排行榜中位列第一的是美國IBM的Summit。神威是世界上第一臺運算速度超過10億億次的超級計算機，Summit則是第一臺運算速度超過20億億次的超算機器。中美兩國都在研發100億億次的超算機器。神威和Summit這類運算速度極快的機器，能夠解決過去被認為不可能計算的復雜任務，也能夠模擬自然環境、探知未來世界和宇宙空間等。中美在網絡技術發展方面也在逐力，華為公司被美國列入“實體名單”，很大原因在於華為是第5代移動數據網絡技術的領先者。不可否認，數據網絡原創地是美國，但中國作為後來者已經在應用方面成了事實上的領先者。不僅如此，人工智能將是接下來角逐的領域之一。

上述現實也充分說明了人類社會發展到數字時代，國家之間的競爭已經進入了非傳統領域。無論主觀意願如何，我們都將融入數字世界。顯而易見，僅僅會使用計算機和手機是遠遠不夠的。要能夠從容應對這個被計算機主導的技術化社會，就需要有相關的、寬泛的知識背景，而不是簡單地會上網和使用流行的應用軟件。

本書前後有多個版本，書名從最初的《計算機導論》到今天的《數據與計算》，也蘊含著計算技術的發展從計算機器到深層次的應用，如大數據、智能計算等。另一方面，本書的主要讀者是大學新生，他們都是計算機和互聯網的“原住民”。他們誕生之時，互聯網已經開始快速發展，而計算機特別是個人計算機早就是最流行的消費類電子產品了。從這個意義上說，他們更應該去理解信息社會特征，掌握計算機科學的基礎知識。即使單純將計算機視為工具的讀者，也肯定明白這個道理：用好工具的前提是了解工具的原理。

本書力求具有較好的可讀性，尤其考慮到很多讀者是非計算機專業的學生，他們今後的專業學習也將與計算機密切相關。毫不誇張地說，無論哪個專業，計算機都是不可或缺的學習、研究的重要工具，也是工作和生活的重要幫手。

本書從2015年開始以“數據與計算”為名，就是突出其數據組織和表達的抽像特點，介紹建立在數據之上的各種計算過程、方法，以幫助“原住民”們更好地理解計算機這個機器的計算能力。

本書安排的主題是從計算機器開始。其實這並不是新概念，恰恰是“舊觀念”：計算機的重要貢獻者馮·諾依曼就是以“數字計算機器”描述計算機的。第1章介紹的是具體的計算機。在計算機科學中，計算機這個硬件裝置可能是唯一能夠被觸摸的實體。從實體機器到抽像的數據概念，這樣有利於理解計算，有利於理解數據的抽像表達。因此第2章就自然過渡到計算需要的數，引出了二進制和相關的二值邏輯表達，介紹邏輯關繫實現了算術計算。二進制和數字邏輯是計算機科學的最重要的基礎內容。計算機中的所有數據都是二進制的，如何使用二進制數表示各種不同的對像，如文本、文檔和多媒體數據，即為第3章所介紹的內容。

任何一種數據表示都需要有相關的算法，第4章會介紹算法的基本知識。算法的概念很重要，社會學家把人分為“數據提供者”和“算法設計者”，其中的內涵不言而喻。算法有趣、有用，也深刻地揭示了計算機的本質就是按照人類預先設定好的步驟去完成任務。算法源於數學，已經成為計算機科學的基石。如果把編程語言和算法集合起來，就是今天成千上萬的應用程序。第5章介紹了編程語言和程序，這裡充分展示出計算抽像的另一面：形式化表達。盡管算法和程序的邏輯關繫很簡單，但由簡單到復雜的算法和程序的設計過程，也充分展示出人類聰明纔智的巔峰：大型程序的復雜性堪比人類已知的復雜工程。

本書後續幾章都是圍繞應用展開的：第6章的數據庫、第7章的網絡與網絡計算、第8章的大數據、第9章的先進計算。超算、人工智能和計算理論、計算復雜性等作為本書的內容，也留下了很多待解的疑問。未來有很多是不確定的，在計算領域也是如此。

相關計算機安全、虛擬化世界等問題，本書在第7章中進行了介紹。尤其是計算機與網絡安全、隱私、數據保護等相關技術和社會問題，這些都是“原住民”們應該知道其技術背景和進一步思考其深遠影響的大問題。

最後是寫給本書的主要讀者——大學新生的。

首先，你們需要學習的東西遠遠超過書本上提供的。你們已經熟悉如何從網絡中獲取知識，但需要了解這些“知識”的來源及其正確性、真偽性。

其次，理解知識比了解知識更重要，理解計算機、理解信息、理解數據，不僅僅是概念，重要的是它們對你的影響。設想，你是否可以一整天不使用手機、不使用計算機？

再次，學習很重要，你們需要學會學習。書中的很多名詞、術語真的難記，不要緊，理解即可。知識需要積累，隻有積累了足夠的知識，纔能重構你的思維，纔能從已有的知識中發現解決問題的新方法。本書提出了很多問題，有些有意沒給出解答，有的解答也可能是含糊的，也許這些問題是沒有答案的。希望你們能夠認真地低頭看書，然後抬頭思考。有很多問題值得追問“為什麼”。

感謝您閱讀或使用本書，希望本書沒有讓您失望。也希望讀者能夠發現和糾正書中的各種錯誤，無論是觀點錯誤，還是概念錯誤，包括錯別字，作者都真誠地歡迎並接受，並將在今後的重印或修訂中予以糾正。

感謝電子工業出版社長期以來對本書的鼎力相助。

感謝作者所任教的浙江大學計算機學院的很多老師。有他們對本書的指導和鼓勵，作者纔有寫作本書的動力。

陸漢權

2019年6月於浙江大學