計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)前沿選講

前言

清華大學(xué)出版社一直希望出版一本面向“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)本科生的教材——《計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)前沿選講》，這種想法與作者不謀而合。由于目前市面上這類教材的欠缺，作為一名高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的教師，與同行一樣，深感該課程教學(xué)的不便。作者認(rèn)為“計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)前沿選講”這門(mén)課涉及的知識(shí)和相關(guān)信息，計(jì)算機(jī)專業(yè)的在校本科生應(yīng)該了解和掌握。這一點(diǎn)與絕大多數(shù)該專業(yè)高校教師的想法一致。然而，由于計(jì)算機(jī)及相關(guān)信息學(xué)科發(fā)展很快，類似的教材非常少，也不好寫(xiě)。其結(jié)果是在師資力量較強(qiáng)的高校，學(xué)術(shù)水平較高的老師輪番上陣，而師資力量較弱的高校，只好勉強(qiáng)應(yīng)付或干脆放棄這門(mén)課的教學(xué)。顯然，這與規(guī)范化的教學(xué)工作是相違背的。在與清華大學(xué)出版社的溝通中，作者介紹了本書(shū)在構(gòu)思方面的三大特色，一是著眼于計(jì)算機(jī)專業(yè)本身，以該領(lǐng)域的知識(shí)為重點(diǎn)展開(kāi)教學(xué)；二是放眼“大”信息學(xué)科，將計(jì)算機(jī)學(xué)科拓展到更廣泛的信息學(xué)科領(lǐng)域；三是立足一般高等院校（非985高校之類的著名大學(xué)）計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科生。這種構(gòu)思源于目前全國(guó)不同高校“計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)前沿選講”課程的教學(xué)現(xiàn)狀。據(jù)了解，目前該課程的教學(xué)現(xiàn)狀大致分為三類：一是國(guó)內(nèi)著名大學(xué)，比如清華和北大等，師資力量雄厚，可以輕松解決問(wèn)題；二是“985高校”，其高水平的師資力量也可以解決好這一問(wèn)題；三是一般高校的教材和師資都相對(duì)比較困難。作者希望本書(shū)規(guī)范化的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)前沿選講“模塊”對(duì)其他院校的計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生和教師有一點(diǎn)點(diǎn)幫助。編者的想法得到清華大學(xué)出版社的認(rèn)同。這本書(shū)的內(nèi)容共分五個(gè)部分，第一部分計(jì)算機(jī)硬件，第二部分計(jì)算機(jī)軟件，第三部分網(wǎng)絡(luò)與安全，第四部分生物與智能，第五部分計(jì)算機(jī)應(yīng)用，共40講。第一部分包括電子計(jì)算機(jī)發(fā)明準(zhǔn)備、電子計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史、計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì)、巨磁電阻效應(yīng)與硬盤(pán)、有機(jī)光存儲(chǔ)材料與光盤(pán)、集成電路與芯片、芯片設(shè)計(jì)與制造、超級(jí)計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、納米器件、機(jī)器人的發(fā)展，共11講。第二部分包括CMM與敏捷軟件設(shè)計(jì)、軟件產(chǎn)品線與網(wǎng)構(gòu)軟件、可信計(jì)算、演化計(jì)算與軟件基因編程、軟件進(jìn)化論、4GL與軟件開(kāi)發(fā)工具酶、知件與智幻體，共7講。第三部分包括光通信與其他應(yīng)用、全球衛(wèi)星通信、超高速網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)生態(tài)與青少年上網(wǎng)、網(wǎng)格計(jì)算、人工免疫與計(jì)算機(jī)病毒、信息對(duì)抗，共7講。第四部分包括分子機(jī)器、生物芯片、生物信息學(xué)、生物計(jì)算機(jī)、人工生命、人工智能、人機(jī)接口與一體化、“合成人”計(jì)劃，共8講。

內(nèi)容概要

本書(shū)從計(jì)算機(jī)硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)與安全、生物與智能、計(jì)算機(jī)應(yīng)用五個(gè)方面介紹計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展前沿，內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)發(fā)展、現(xiàn)代存儲(chǔ)技術(shù)、集成電路與芯片、超級(jí)計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、納米器件、機(jī)器人、現(xiàn)代軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、軟件產(chǎn)品線、網(wǎng)構(gòu)軟件、可信計(jì)算、演化計(jì)算、軟件編程、軟件進(jìn)化、4GL、軟件酶、知件與智幻體、光通信、衛(wèi)星通信、超高速網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)生態(tài)、網(wǎng)格計(jì)算、人工免疫、分子機(jī)器、生物芯片、生物信息學(xué)、生物計(jì)算機(jī)、人工生命、人機(jī)一體化、“合成人”、計(jì)算可視化、核磁共振成像、普適計(jì)算、虛擬儀器、數(shù)字制造、數(shù)字地球與數(shù)字城市、智能交通等，共40個(gè)專題。
本書(shū)可作為高等院校計(jì)算機(jī)專業(yè)的教材或教學(xué)參考書(shū)，也可以作為軟件、電子、通信、自動(dòng)化等專業(yè)的教材或教學(xué)參考書(shū)，還可以作為相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的參考資料，也可供信息學(xué)科的愛(ài)好者閱讀。

書(shū)籍目錄

第一部分  計(jì)算機(jī)硬件
第二部分  計(jì)算機(jī)軟件
第三部分  網(wǎng)絡(luò)與安全
第四部分  生物與智能
第五部分  計(jì)算機(jī)應(yīng)用
全書(shū)思考題

章節(jié)摘錄

插圖：3.差分機(jī)和分析機(jī)英國(guó)人查爾斯·巴貝奇研制出差分機(jī)和分析機(jī)，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。在計(jì)算機(jī)發(fā)展史上，差分機(jī)和分析機(jī)占有重要的地位。查爾斯·巴貝奇（見(jiàn)圖1-5）出生于1771年12月26日，19歲時(shí)考入劍橋大學(xué)三一學(xué)院攻讀數(shù)學(xué)與化學(xué)。18世紀(jì)下半葉，法國(guó)政府決定在數(shù)學(xué)上采用十進(jìn)制，因而大量數(shù)表，特別是三角函數(shù)表及有關(guān)的對(duì)數(shù)表，都要重新計(jì)算，這是一項(xiàng)浩繁的計(jì)算工程。法國(guó)政府的這一改革雖然沒(méi)有得到全面實(shí)施，但卻引起了英國(guó)人巴貝奇的興趣。他認(rèn)為可以用機(jī)器按照一定的程序去做一系列簡(jiǎn)單的計(jì)算，代替人去完成一些復(fù)雜、煩瑣的計(jì)算工作。于是巴貝奇萌發(fā)出了采用機(jī)器來(lái)編制數(shù)表的想法。巴貝奇從用差分表計(jì)算數(shù)表的做法中得到啟發(fā)，經(jīng)過(guò)10年的努力，設(shè)計(jì)出一種能進(jìn)行加減計(jì)算并完成數(shù)表編制的自動(dòng)計(jì)算裝置，他把它稱為“差分機(jī)”。1822年，他試制出了一臺(tái)樣機(jī)。這臺(tái)差分機(jī)可以保存3個(gè)5位的十進(jìn)制數(shù)，并進(jìn)行加法運(yùn)算，還能打印結(jié)果。它是一種供制表人員使用的專用機(jī)。但是它的杰出之處是，能按照設(shè)計(jì)者的控制自動(dòng)完成一連串的運(yùn)算，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)最早的程序設(shè)計(jì)。這種程序設(shè)計(jì)思想的創(chuàng)見(jiàn)，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展開(kāi)辟了道路。1834年，巴貝奇又完成了一項(xiàng)新計(jì)算裝置的構(gòu)想。他考慮到，計(jì)算裝置應(yīng)該具有通用性，能解決數(shù)學(xué)上的各種問(wèn)題。它不僅可以進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，而且還能進(jìn)行邏輯運(yùn)算。巴貝奇把這種裝置命名為“分析機(jī)”。它是現(xiàn)代通用數(shù)字計(jì)算機(jī)的前身。按巴貝奇的方案，分析機(jī)以蒸汽為動(dòng)力，通過(guò)大量齒輪來(lái)傳動(dòng)，它的內(nèi)存儲(chǔ)器的容量設(shè)計(jì)得比后來(lái)20世紀(jì)40年代出現(xiàn)的電子計(jì)算機(jī)ENIAC還要大一些，因?yàn)樗嫶罅?，所以它沒(méi)有被制造出來(lái)，直到1991年，才仿制出第一臺(tái)分析機(jī)。巴貝奇的分析機(jī)由三部分構(gòu)成。第一部分是保存數(shù)據(jù)的齒輪式寄存器，巴貝奇把它稱為“堆?！保c差分機(jī)中的相類似，但運(yùn)算不在寄存器內(nèi)進(jìn)行，而是由新的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。第二部分是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種運(yùn)算的裝置，巴貝奇把它命名為“工場(chǎng)”。第三部分是對(duì)操作順序進(jìn)行控制，并對(duì)所要處理的數(shù)據(jù)及輸出結(jié)果加以選擇的裝置，它相當(dāng)于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的控制器。圖1-6是巴貝奇于19世紀(jì)20年代制造的差分機(jī)模型。為了加快運(yùn)算的速度，巴貝奇設(shè)計(jì)了先進(jìn)的進(jìn)位裝置。他估計(jì)，使用分析機(jī)完成一次50位數(shù)的加減只要1秒鐘，相乘則要1分鐘。計(jì)算時(shí)間約為第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的100倍。巴貝奇在分析機(jī)的計(jì)算設(shè)備上采用穿孔卡，這是人類計(jì)算技術(shù)史上的一次重大飛躍。巴貝奇曾在巴黎博覽會(huì)上見(jiàn)過(guò)雅卡爾穿孔卡編織機(jī)。雅卡爾穿孔卡編織機(jī)要在織物上編織出各種圖案，預(yù)先把經(jīng)紗提升的程序在紙卡上穿孔記錄下來(lái)，利用不同的穿孔卡程序織出許多復(fù)雜花紋的圖案。

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