大學計算機——計算、構造與設計（第2版）

成書過程

修訂情況

該教材為“大學計算機”國家精品資源共享課程專用教材和MOOC課程參考教材。

該次修訂，綜合了由MOOC平台論壇上學習者的反饋建議和實際教學的體會，在原教材內容基礎上，增加了有關數據結構方面的描述。

該教材主要由吳寧（第1～3章）、崔舒寧（第5～8章）和夏秦（第4章）編寫，吳寧負責統稿。在編寫過程中得到首屆國家級教學名師馮博琴教授的指點以及同事陳文革、楊振平、謝濤、賈應智等老師的幫助。

出版工作

2016年9月1日，該教材由清華大學出版社出版。

出版社工作人員

責任編輯	封面設計	責任校對	責任印製
焦虹、戰曉雷	常雪影	時翠蘭	王靜怡

內容簡介

全書共包括8章。

第1章首先帶領讀者走進計算機，了解計算機的組成和整體結構。然後從計算模型入手，講述計算與可計算性基本理論、計算工具的發展以及基於計算機進行問題求解的一般過程。

第2章從馮·諾依曼提出的二值符號體系出發，講述計算機為什麼採用二進制，以及不同信息在計算機中的表示與編碼。從開關元件特性與0和1的對應引出邏輯的概念。

第3章從基本邏輯運算及其門電路入手，藉助推理和“搭積木”的思維模式，解析系統的“構造”過程。

第4章從套用的角度講述網路技術的一些基礎知識。

第5章和第6章是C語言編程技術。利用計算機解決各種問題，掌握一門程式設計語言、具備一定的編程能力。

第7章是算法分析與設計，講述算法的描述、算法複雜性評價及一些簡單算法的設計方法，以幫助讀者進一步理解第1章所述的可計算性理論，同時，通過編程實現，使讀者理解什麼是算法，以及如何設計算法。

第8章為數據結構基礎，除介紹數據的邏輯結構、存儲結構等基本概念外，主要講述利用C語言實現線性表、棧和佇列的設計方法。

教材目錄

1.1走進計算機1

1.1.1計算機系統構成2

1.1.2主機與主機板4

1.1.3計算機的主要性能指標11

1.2圖靈機模型與計算問題12

1.2.1圖靈機模型12

1.2.2圖靈機構造示例16

1.2.3計算與可計算性理論18

*1.3計算工具的發展與啟示21

1.3.1電子計算機的誕生和發展21

1.3.2微型計算機的發展23

1.3.3未來計算機的發展24

*1.4基於計算機的問題求解26

1.4.1需求分析與模型建立27

1.4.2模組設計28

1.4.3程式編碼與調試29

1.4.4系統測試31

*1.5計算機科學研究前沿技術簡介32

1.5.1高性能計算32

1.5.2普適計算34

1.5.3雲計算35

1.5.4人工智慧35

1.5.5物聯網36

習題37

第2章信息的表示編碼39

2.1計算機與二進制39

2.2計算機中的信息表示與編碼42

2.2.1什麼是信息42

2.2.2數值信息表示43

2.2.3文字信息表示45

2.2.4聲音信息的表示48

2.2.5圖像信息的表示51

2.3計算機中的數制53

2.3.1常用記數制53

2.3.2各種數制之間的轉換55

2.4二進制數的表示和運算58

2.4.1二進制數的表示58

2.4.2二進制數的算術運算61

2.4.3機器數的表示和運算63

*2.5計算機中信息處理的一般過程67

2.5.1信息採集67

2.5.2信息表示和壓縮68

2.5.3信息存儲和組織68

2.5.4信息的傳輸69

2.5.5信息檢索70

習題70

第3章系統軟硬體構造72

3.1邏輯代數基礎72

3.1.1關於邏輯73

3.1.2基本邏輯運算75

3.1.3其他邏輯運算77

3.2邏輯電路78

3.2.1基本邏輯門78

3.2.2其他常用邏輯門80

3.2.3觸發器81

3.2.4加法器84

3.3馮·諾依曼結構86

3.3.1程式和指令86

3.3.2馮·諾依曼計算機基本結構87

3.4馮·諾依曼計算機基本原理88

3.4.1指令的執行過程88

3.4.2微型計算機的一般工作過程91

3.4.3圖靈機與計算機94

3.4.4馮·諾依曼結構的局限性98

*3.4.5哈佛結構99

3.5作業系統100

3.5.1作業系統概述100

3.5.2處理器管理103

3.5.3存儲器管理108

*3.5.4檔案管理111

*3.5.5其他功能115

習題117

第4章計算機網路及套用119

4.1計算機網路基礎知識119

4.1.1概述119

4.1.2網路體系結構和協定126

4.1.3網路套用模式130

4.2網際網路135

4.2.1網際網路基礎知識135

4.2.2常見的網際網路套用148

4.3區域網路156

4.3.1區域網路結構和標準156

4.3.2區域網路設備157

*4.4網路安全159

4.4.1網路安全概念159

4.4.2密碼學基礎及套用162

4.4.3網路安全技術172

習題175

第5章C程式設計基礎178

5.1程式設計基礎178

5.1.1什麼是程式設計178

5.1.2程式設計語言179

5.1.3程式的編譯181

5.1.4C程式基本結構182

5.2使用Eclipse和VisualStudio編譯C程式183

5.2.1使用Eclipse編譯C程式183

5.2.2使用VisualStudio編譯C程式186

5.3輸入和輸出函式189

5.4C程式的基本要素190

5.4.1C語言字元集、標識符和辭彙190

5.4.2注釋191

5.4.3C源程式結構191

5.5數據類型192

5.5.1常量194

5.5.2變數198

5.5.3類型修飾符199

5.6運算符和表達式199

5.6.1算術運算符和算術表達式200

5.6.2關係運算符和關係表達式200

5.6.3邏輯運算符和邏輯表達式201

5.6.4賦值運算符和賦值表達式201

5.6.5自增運算符和自減運算符202

5.6.6問號表達式和逗號表達式203

*5.6.7位運算表達式204

5.6.8表達式中各運算符的運算順序207

5.6.9不同類型數據之間的混合算術運算209

5.6.10typedef語句210

5.6.11運算符與表達式例題211

5.7控制結構215

5.7.1順序結構215

5.7.2選擇結構215

5.7.3循環結構216

5.7.4其他控制轉移語句218

5.7.5控制結構例題221

5.8套用示例226

習題230

第6章數組、函式和指針232

6.1數組232

6.1.1一維數組233

6.1.2二維數組235

6.1.3多維數組236

6.2字元型數組和字元串處理庫函式237

6.2.1字元型數組的定義和初始化237

6.2.2字元串的輸入與輸出238

6.2.3字元串處理庫函式239

6.3結構體類型241

6.3.1結構體類型的定義243

6.3.2結構體類型變數的使用243

6.3.3數組和結構體244

6.4數組套用示例245

6.5函式251

6.5.1函式的定義252

6.5.2函式的調用253

6.5.3函式原型255

6.5.4函式間的參數傳遞255

6.5.5局部變數和全局變數257

6.5.6遞歸函式258

6.5.7帶參數的main函式261

6.5.8C語言的庫函式262

6.6變數的存儲類別262

6.6.1自動變數262

6.6.2靜態變數263

6.6.3暫存器變數264

6.6.4外部變數264

6.6.5多源程式檔案程式中的全局變數說明264

6.7函式套用示例266

6.8地址與指針268

6.8.1地址268

6.8.2指針269

6.9指針運算270

6.9.1*和&運算符270

6.9.2指針變數算術運算272

6.9.3指針變數比較運算273

6.9.4指針變數下標運算273

6.10指針與數組273

6.10.1指向數組的指針273

*6.10.2指向多維數組的指針277

6.10.3指針數組278

6.11指針與函式280

6.11.1指針作為函式的參數280

6.11.2返回指針的函式281

*6.11.3指向函式的指針282

6.12動態存儲分配283

*6.13指向指針的指針285

6.14結構體與指針287

6.15指針的初始化287

6.16void和const類型的指針288

6.17指針套用示例289

6.18預處理命令292

6.18.1無參數宏292

6.18.2帶參宏定義294

6.18.3檔案包含295

*6.18.4條件編譯295

習題296

第7章算法分析與設計301

7.1算法的基本概念301

7.2算法的描述方法302

7.2.1算法的自然語言描述303

7.2.2算法的偽代碼描述303

7.2.3算法的流程圖描述304

7.3算法的複雜性評價306

7.3.1算法的時間複雜度306

7.3.2算法的空間複雜度307

7.4查找算法307

7.4.1順序查找308

7.4.2折半查找309

7.5排序算法310

7.5.1冒泡排序311

7.5.2選擇排序313

7.5.3快速排序314

*7.6常用算法簡介317

7.6.1遞歸與分治317

7.6.2動態規劃318

7.6.3貪心算法321

7.6.4回溯法323

習題324

第8章數據結構基礎326

8.1數據與數據結構326

8.1.1數據326

8.1.2數據結構327

8.2線性表330

8.2.1線性表的邏輯結構及運算330

8.2.2順序線性表331

8.2.3鍊表338

8.3棧和佇列347

8.3.1棧347

8.3.2佇列352

8.4圖和樹359

8.4.1圖的基本概念359

8.4.2帶權圖和最短路徑361

8.4.3樹的基本概念364

8.4.4二叉樹366

8.4.5樹的遍歷367

習題368

附錄A常用外設及設備驅動程式369

A.1輸入設備369

A.1.1鍵盤369

A.1.2滑鼠370

A.2輸出設備371

A.2.1顯示器371

A.2.2印表機372

A.3設備驅動程式373

A.3.1設備驅動程式的一般概念373

A.3.2硬體設備的“即插即用”概念374

附錄B標準ASCII碼錶及控制符號376

附錄C聲音和圖像信息的數位化378

C.1聲音信息的數位化378

C.1.1聲音的基本參數378

C.1.2聲音信號的數位化379

C.2圖像信息的數位化380

C.2.1圖像的數位化380

C.2.2圖像的主要性能參數381

參考文獻382

（註：目錄排版順序為從左列至右列）

教學資源

配套教材

該教材有配套教材——《大學計算機——計算、構造與設計實驗指導》。

書名	書號	出版社	出版時間	作者
《大學計算機——計算、構造與設計實驗指導》	9787302446460	清華大學出版社	2016.09.01	吳寧

課程資源

該教材主體內容配有教學微視頻及包括動畫演示案例、線上作業練習等各類輔助教學和學習的網路數字資源。

教材特色

該教材繼續保持了“基礎+問題求解”的整體架構，全書以“計算思維能力”培養為出發點，圍繞計算、構造、設計三大主題進行內容組織，將核心聚焦到計算模型與信息編碼、系統構造與抽象、算法與數據結構設計三大模組，強調自底向上的構造思維能力、邏輯分析能力與編程實現能力。

大學計算機——計算、構造與設計（第2版）

基本介紹