計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)概論

前言

自計(jì)算機(jī)誕生以來，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到了各行各業(yè)，并且應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)展。在我國，計(jì)算機(jī)專業(yè)教育隨著計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)校最多，計(jì)算機(jī)專業(yè)的在校學(xué)生人數(shù)最多。本書作為計(jì)算學(xué)科（或稱計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算學(xué)科發(fā)展的歷史為線索，涉及手工計(jì)算、機(jī)械計(jì)算、電子計(jì)算、智能計(jì)算和生物計(jì)算，力求闡明計(jì)算學(xué)科發(fā)展的歷史必然性。橫的方面，對計(jì)算學(xué)科發(fā)展的每個歷史階段，討論其計(jì)算方法和計(jì)算工具。計(jì)算方法是計(jì)算的思想與靈魂，計(jì)算工具用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算方法，計(jì)算工具的發(fā)展又催生新的計(jì)算方法產(chǎn)生。因此，計(jì)算方法與計(jì)算工具的發(fā)展變化成為計(jì)算學(xué)科發(fā)展的根本動力。本書共分7章。第1章介紹計(jì)算的概念及計(jì)算學(xué)科的基本內(nèi)容。以CC2004為基礎(chǔ)，介紹了計(jì)算學(xué)科的專業(yè)方向和知識領(lǐng)域，以及我國計(jì)算機(jī)學(xué)科的專業(yè)設(shè)置。第2章討論手工計(jì)算。從計(jì)算需求、工具的角度來認(rèn)識手工計(jì)算； 從計(jì)算能力、方便性、存儲特征等角度來探討手工計(jì)算的特點(diǎn)，并說明它們在計(jì)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(jì)算的機(jī)械化。概括討論機(jī)械式計(jì)算的歷史和思想方法、計(jì)算機(jī)械化的意義以及對計(jì)算學(xué)科發(fā)展的影響，指出人類對計(jì)算機(jī)械化、自動化的渴求與探索。從帕斯卡的機(jī)械式加法機(jī)到朱斯的系列計(jì)算裝置來討論計(jì)算技術(shù)與計(jì)算工具的發(fā)展變化過程。第4章討論計(jì)算的自動化——計(jì)算機(jī)硬件。從計(jì)算理論（計(jì)算技術(shù)）和計(jì)算硬件（計(jì)算工具）的角度論述數(shù)字電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的歷史必然性，指出數(shù)字電子計(jì)算機(jī)應(yīng)具備的功能和性能，以及為達(dá)到這樣的功能與性能而形成的計(jì)算機(jī)硬件的基本組成、工作原理與實(shí)現(xiàn)方法。第5章介紹計(jì)算自動化過程中的計(jì)算機(jī)軟件。從方便管理和使用的角度介紹計(jì)算機(jī)軟件組成與開發(fā)技術(shù)的發(fā)展。從計(jì)算過程的抽象、表示和實(shí)現(xiàn)方法等方面闡述了計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的思想和過程。第6章討論計(jì)算的智能化。從人類邏輯思維過程模擬的角度介紹了計(jì)算智能化的原理，以人工智能、專家系統(tǒng)為例介紹了計(jì)算智能化的思想與實(shí)現(xiàn)方法。最后討論了第五代計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)失敗的原因。第7章討論了生物計(jì)算模型。生物體的并行計(jì)算能力是現(xiàn)代數(shù)字電子計(jì)算機(jī)無法比擬的。本章討論了3種典型的生物計(jì)算模型（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、DNA計(jì)算與膜計(jì)算）的思想、原理、方法及實(shí)現(xiàn)技術(shù)。DNA計(jì)算與膜計(jì)算的研究歷史很短，要實(shí)現(xiàn)通用計(jì)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(jì)算是從2000年才開始研究的生物計(jì)算模型。它把細(xì)胞層面上的化學(xué)反應(yīng)與物質(zhì)流動性當(dāng)做計(jì)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(jì)算過程，而物質(zhì)在不同膜之間流動則相對于通常意義計(jì)算系統(tǒng)中的消息傳遞，整個生物體的皮膚相當(dāng)于一個計(jì)算系統(tǒng)。已有的研究表明，膜計(jì)算可以以極大的并行度來實(shí)現(xiàn)，從而獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的計(jì)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(jì)算技術(shù)與計(jì)算機(jī)的發(fā)展史為主線，介紹各發(fā)展階段的計(jì)算需求以及為適應(yīng)這樣的需求所采用的主要計(jì)算技術(shù)、計(jì)算方法、關(guān)鍵人物及貢獻(xiàn)，由此勾畫出計(jì)算學(xué)科的基本輪廓，并分析了目前計(jì)算技術(shù)中存在的問題，介紹計(jì)算及計(jì)算機(jī)未來的發(fā)展方向。    本書適合作為高等院校計(jì)算機(jī)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(jì)算的概念　　1.1.1　計(jì)算與計(jì)算模型　　1.1.2　計(jì)算的復(fù)雜性　　1.1.3　計(jì)算的要素　1.2　計(jì)算學(xué)科　　1.2.1　計(jì)算作為一門學(xué)科　　1.2.2　計(jì)算學(xué)科的知識領(lǐng)域　　1.2.3　計(jì)算學(xué)科的二維定義矩陣　1.3　計(jì)算學(xué)科與計(jì)算機(jī)學(xué)科　　1.3.1  計(jì)算學(xué)科與計(jì)算機(jī)學(xué)科的關(guān)系　　1.3.2　我國計(jì)算機(jī)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(jì)算　2.1　記數(shù)與計(jì)算的需求　　2.1.1  實(shí)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(jì)算盤指法　　2.2.5　算盤小結(jié)　2.3　數(shù)與計(jì)算式　　2.3.1  中國數(shù)字與數(shù)碼　　2.3.2　阿拉伯?dāng)?shù)碼　　2.3.3　數(shù)制的發(fā)展　　2.3.4　十進(jìn)制與二進(jìn)制　　2.3.5　計(jì)算式　2.4　本章小結(jié)　思考題第3章　計(jì)算的機(jī)械化　3.1　手動齒輪計(jì)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(jī)械計(jì)算器的商業(yè)化　3.2　程序控制計(jì)算機(jī)　　3.2.1　杰卡德提花機(jī)　　3.2.2  巴貝奇的差分機(jī)和分析機(jī)　3.3　模擬計(jì)算機(jī)　3.4　機(jī)電計(jì)算機(jī)　　3.4.1　機(jī)電計(jì)算機(jī)的誕生環(huán)境　　3.4.2　霍爾瑞斯的電動制表機(jī)　　3.4.3　祖斯的Z系列計(jì)算機(jī)　　3.4.4　艾肯的自動順序控制計(jì)算機(jī)　3.5　數(shù)據(jù)的存儲與輸入輸出　3.6　計(jì)算的復(fù)雜性思考　3.7　本章小結(jié)　思考題第4章　計(jì)算的自動化——計(jì)算機(jī)硬件　4.1　可計(jì)算性與圖靈機(jī)　　4.1.1  可計(jì)算性理論的研究　　4.1.2　圖靈等的貢獻(xiàn)　　4.1.3　Y演算　4.2  EN1AC——第一臺數(shù)字電子計(jì)算機(jī)　　4.2.1  電子管的發(fā)明　　4.2.2　ABC計(jì)算機(jī)　　4.2.3　EN1AC的誕生　4.3　馮·諾依曼與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)　　4.3.1　馮·諾依曼介入EN1AC的改進(jìn)前后　……第5章　計(jì)算的自動化——計(jì)算機(jī)軟件第6章　計(jì)算的智能化第7章　生物計(jì)算模型附錄  馮·諾依曼其人參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第2章　手工計(jì)算手工計(jì)算是人類計(jì)算歷史上的初始階段，這種計(jì)算方式中的許多方法一直延續(xù)至今。本章通過對計(jì)算的需求、工具的實(shí)踐等的探討來認(rèn)識手工計(jì)算，從計(jì)算能力、方便性、存儲特征等角度分析和研究手工計(jì)算的特點(diǎn)，并說明它在計(jì)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(jì)算的需求就已經(jīng)存在，利用計(jì)算工具幫助人類進(jìn)行計(jì)算是解決實(shí)際計(jì)算問題的必然趨勢。實(shí)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(jì)算工具的發(fā)明，數(shù)字和數(shù)制也進(jìn)一步完善，計(jì)算工具的計(jì)算能力和存儲能力得到了很大的提高。2.1 記數(shù)與計(jì)算的需求在人類進(jìn)化的遠(yuǎn)古時期，很難說記事的需求和計(jì)算的需求哪個先產(chǎn)生。遠(yuǎn)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(shí)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(jìn)行思考和認(rèn)識，是人類開蒙發(fā)智的最初的一步，認(rèn)識到形象和數(shù)可以互相換，人類就具備了能夠認(rèn)識世界的抽象能力。2.1.1 實(shí)物記數(shù)人的手指是一種天然的計(jì)算工具，也是最古老的計(jì)算工具之一。遠(yuǎn)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(jì)算速度?？墒?，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(shí)物，都逐漸成為人類用以計(jì)算的工具，這就是我們所說的實(shí)物記數(shù)。把實(shí)物作為計(jì)算工具，它的計(jì)算方法就是數(shù)小石子等實(shí)物的數(shù)量，計(jì)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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