計算機科學(xué)與技術(shù)概論

前言

自計算機誕生以來，計算機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到了各行各業(yè)，并且應(yīng)用將進一步擴展。在我國，計算機專業(yè)教育隨著計算機技術(shù)的發(fā)展已成為我國高校中最大的專業(yè)，開設(shè)計算機專業(yè)的學(xué)校最多，計算機專業(yè)的在校學(xué)生人數(shù)最多。本書作為計算學(xué)科（或稱計算機學(xué)科）導(dǎo)論性課程的教材，在內(nèi)容組織上主要考慮了3個方面的因素。首先，計算機科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為我們提供了大量的素材，要思考如何使選擇的素材既適合于導(dǎo)論性質(zhì)又能反映學(xué)科的整體發(fā)展。其次，計算學(xué)科的每個學(xué)科方向都涉及大量的知識，一本導(dǎo)論性的書不應(yīng)該面面俱到，成為后繼課程的索引。第三，計算學(xué)科的發(fā)展非常迅速，導(dǎo)論性課程應(yīng)該在介紹學(xué)科基本知識的同時關(guān)注學(xué)科的發(fā)展方向，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。為此，本教材按計算學(xué)科發(fā)展的縱橫兩個方面來組織內(nèi)容?？v的方面，以計算學(xué)科發(fā)展的歷史為線索，涉及手工計算、機械計算、電子計算、智能計算和生物計算，力求闡明計算學(xué)科發(fā)展的歷史必然性。橫的方面，對計算學(xué)科發(fā)展的每個歷史階段，討論其計算方法和計算工具。計算方法是計算的思想與靈魂，計算工具用于實現(xiàn)計算方法，計算工具的發(fā)展又催生新的計算方法產(chǎn)生。因此，計算方法與計算工具的發(fā)展變化成為計算學(xué)科發(fā)展的根本動力。本書共分7章。第1章介紹計算的概念及計算學(xué)科的基本內(nèi)容。以CC2004為基礎(chǔ)，介紹了計算學(xué)科的專業(yè)方向和知識領(lǐng)域，以及我國計算機學(xué)科的專業(yè)設(shè)置。第2章討論手工計算。從計算需求、工具的角度來認識手工計算； 從計算能力、方便性、存儲特征等角度來探討手工計算的特點，并說明它們在計算學(xué)科形成發(fā)展中的啟迪、影響、作用，以及可供借鑒的思想和方法。第3章討論計算的機械化。概括討論機械式計算的歷史和思想方法、計算機械化的意義以及對計算學(xué)科發(fā)展的影響，指出人類對計算機械化、自動化的渴求與探索。從帕斯卡的機械式加法機到朱斯的系列計算裝置來討論計算技術(shù)與計算工具的發(fā)展變化過程。第4章討論計算的自動化——計算機硬件。從計算理論（計算技術(shù)）和計算硬件（計算工具）的角度論述數(shù)字電子計算機出現(xiàn)的歷史必然性，指出數(shù)字電子計算機應(yīng)具備的功能和性能，以及為達到這樣的功能與性能而形成的計算機硬件的基本組成、工作原理與實現(xiàn)方法。第5章介紹計算自動化過程中的計算機軟件。從方便管理和使用的角度介紹計算機軟件組成與開發(fā)技術(shù)的發(fā)展。從計算過程的抽象、表示和實現(xiàn)方法等方面闡述了計算機軟件設(shè)計的思想和過程。第6章討論計算的智能化。從人類邏輯思維過程模擬的角度介紹了計算智能化的原理，以人工智能、專家系統(tǒng)為例介紹了計算智能化的思想與實現(xiàn)方法。最后討論了第五代計算機的研究開發(fā)過程，給出了它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)，分析了第五代計算機失敗的原因。第7章討論了生物計算模型。生物體的并行計算能力是現(xiàn)代數(shù)字電子計算機無法比擬的。本章討論了3種典型的生物計算模型（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、DNA計算與膜計算）的思想、原理、方法及實現(xiàn)技術(shù)。DNA計算與膜計算的研究歷史很短，要實現(xiàn)通用計算硬件還有許多的困難，但是它們的思想和原理是可以借鑒的。膜計算是從2000年才開始研究的生物計算模型。它把細胞層面上的化學(xué)反應(yīng)與物質(zhì)流動性當做計算過程來抽象，膜內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)就是我們通常理解的計算過程，而物質(zhì)在不同膜之間流動則相對于通常意義計算系統(tǒng)中的消息傳遞，整個生物體的皮膚相當于一個計算系統(tǒng)。已有的研究表明，膜計算可以以極大的并行度來實現(xiàn)，從而獲得遠遠超過傳統(tǒng)電子計算機的計算能力。使用本書需要36~~48學(xué)時，第6、第7章可作為選講的內(nèi)容。講授的過程中應(yīng)注意增加一些科學(xué)家的故事、重要的歷史事件等內(nèi)容，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，同時讓學(xué)生感受科學(xué)家思考問題的方法。在本書的編寫和出版過程中得到了清華大學(xué)出版社和重慶大學(xué)教材出版基金的大力支持。在此對所有支持本書出版的領(lǐng)導(dǎo)、老師、學(xué)生和朋友們表示衷心的感謝。由于時間緊迫，加之筆者水平有限，錯誤和筆誤在所難免，敬請廣大讀者批評指正。

內(nèi)容概要

本書以計算技術(shù)與計算機的發(fā)展史為主線，介紹各發(fā)展階段的計算需求以及為適應(yīng)這樣的需求所采用的主要計算技術(shù)、計算方法、關(guān)鍵人物及貢獻，由此勾畫出計算學(xué)科的基本輪廓，并分析了目前計算技術(shù)中存在的問題，介紹計算及計算機未來的發(fā)展方向。    本書適合作為高等院校計算機及相關(guān)專業(yè)導(dǎo)論性課程的教材，也可供感興趣的讀者閱讀參考。本書是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材。

書籍目錄

第1章  緒論  1.1　計算的概念　　1.1.1　計算與計算模型　　1.1.2　計算的復(fù)雜性　　1.1.3　計算的要素　1.2　計算學(xué)科　　1.2.1　計算作為一門學(xué)科　　1.2.2　計算學(xué)科的知識領(lǐng)域　　1.2.3　計算學(xué)科的二維定義矩陣　1.3　計算學(xué)科與計算機學(xué)科　　1.3.1  計算學(xué)科與計算機學(xué)科的關(guān)系　　1.3.2　我國計算機學(xué)科專業(yè)設(shè)置　1.4　本章小結(jié)　思考題第2章　手工計算　2.1　記數(shù)與計算的需求　　2.1.1  實物記數(shù)　　2.1.2　結(jié)繩記數(shù)　　2.1.3　刻痕記數(shù)　　2.1.4　算籌記數(shù)　2.2　算盤　　2.2.1　算盤的發(fā)展　　2.2.2  中國算盤指法　　2.2.3  中國算盤口訣　　2.2.4　會計算盤指法　　2.2.5　算盤小結(jié)　2.3　數(shù)與計算式　　2.3.1  中國數(shù)字與數(shù)碼　　2.3.2　阿拉伯數(shù)碼　　2.3.3　數(shù)制的發(fā)展　　2.3.4　十進制與二進制　　2.3.5　計算式　2.4　本章小結(jié)　思考題第3章　計算的機械化　3.1　手動齒輪計算裝置　　3.1.1　帕斯卡的加法器　　3.1.2　萊布尼茨的乘法器　　3.1.3　機械計算器的商業(yè)化　3.2　程序控制計算機　　3.2.1　杰卡德提花機　　3.2.2  巴貝奇的差分機和分析機　3.3　模擬計算機　3.4　機電計算機　　3.4.1　機電計算機的誕生環(huán)境　　3.4.2　霍爾瑞斯的電動制表機　　3.4.3　祖斯的Z系列計算機　　3.4.4　艾肯的自動順序控制計算機　3.5　數(shù)據(jù)的存儲與輸入輸出　3.6　計算的復(fù)雜性思考　3.7　本章小結(jié)　思考題第4章　計算的自動化——計算機硬件　4.1　可計算性與圖靈機　　4.1.1  可計算性理論的研究　　4.1.2　圖靈等的貢獻　　4.1.3　Y演算　4.2  EN1AC——第一臺數(shù)字電子計算機　　4.2.1  電子管的發(fā)明　　4.2.2　ABC計算機　　4.2.3　EN1AC的誕生　4.3　馮·諾依曼與計算機體系結(jié)構(gòu)　　4.3.1　馮·諾依曼介入EN1AC的改進前后　……第5章　計算的自動化——計算機軟件第6章　計算的智能化第7章　生物計算模型附錄  馮·諾依曼其人參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第2章　手工計算手工計算是人類計算歷史上的初始階段，這種計算方式中的許多方法一直延續(xù)至今。本章通過對計算的需求、工具的實踐等的探討來認識手工計算，從計算能力、方便性、存儲特征等角度分析和研究手工計算的特點，并說明它在計算學(xué)科形成發(fā)展中的啟迪、影響和作用，以及可供借鑒的思想和方法。自從有人類活動開始，人類對計算的需求就已經(jīng)存在，利用計算工具幫助人類進行計算是解決實際計算問題的必然趨勢。實物記數(shù)能夠解決人類遇到的一些簡單問題，使人類產(chǎn)生了“數(shù)”（number）的概念。結(jié)繩（knotted string）記數(shù)的方法簡單方便，促成了數(shù)字和數(shù)制思想的誕生；隨著算籌和算盤等計算工具的發(fā)明，數(shù)字和數(shù)制也進一步完善，計算工具的計算能力和存儲能力得到了很大的提高。2.1 記數(shù)與計算的需求在人類進化的遠古時期，很難說記事的需求和計算的需求哪個先產(chǎn)生。遠古人要識別事物，不可避免地要遇到數(shù)的問題，比如：自己種群的數(shù)量、采集果實的數(shù)量、捕獲獵物的數(shù)量等，數(shù)的概念就開始誕生了，把形象變成數(shù)進行思考和認識，是人類開蒙發(fā)智的最初的一步，認識到形象和數(shù)可以互相換，人類就具備了能夠認識世界的抽象能力。2.1.1 實物記數(shù)人的手指是一種天然的計算工具，也是最古老的計算工具之一。遠古時期，人借助扳手指頭的方法，不僅獲得了數(shù)的概念，還大大提高了計算速度。可是，人的雙手要做很多事情，不能總是用來記數(shù)，于是，小石子、貝殼、竹片和樹枝等實物，都逐漸成為人類用以計算的工具，這就是我們所說的實物記數(shù)。把實物作為計算工具，它的計算方法就是數(shù)小石子等實物的數(shù)量，計算技術(shù)很簡單，就是搜集操作小石子、擺放小石子。

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