高等学校教材·计算机科学与技术：计算机科学技术前沿选讲_张凯著_9787302213079

《计算机科学技术前沿选讲》从计算机硬件、软件、网络与安全、生物与智能、计算机应用五个方面介绍计算机科学技术及相关学科的发展前沿，内容涉及计算机发展、现代存储技术、集成电路与芯片、超级计算机、量子计算机、纳米器件、机器人、现代软件设计技术、软件产品线、网构软件、可信计算、演化计算、软件编程、软件进化、4GL、软件酶、知件与智幻体、光通信、卫星通信、超高速网络、网络生态、网格计算、人工免疫、分子机器、生物芯片、生物信息学、生物计算机、人工生命、人机一体化、“合成人”、计算可视化、核磁共振成像、普适计算、虚拟仪器、数字制造、数字地球与数字城市、智能交通等，共40个专题。
《计算机科学技术前沿选讲》可作为高等院校计算机专业的教材或教学参考书，也可以作为软件、电子、通信、自动化等专业的教材或教学参考书，还可以作为相关专业技术人员的参考资料，也可供信息学科的爱好者阅读。

　　清华大学出版社一直希望出版一本面向“计算机科学与技术”专业本科生的教材——《计算机科学技术前沿选讲》，这种想法与作者不谋而合。由于目前市面上这类教材的欠缺，作为一名高校计算机专业的教师，与同行一样，深感该课程教学的不便。
作者认为“计算机科学技术前沿选讲”这门课涉及的知识和相关信息，计算机专业的在校本科生应该了解和掌握。这一点与绝大多数该专业高校教师的想法一致。然而，由于计算机及相关信息学科发展很快，类似的教材非常少，也不好写。其结果是在师资力量较强的高校，学术水平较高的老师轮番上阵，而师资力量较弱的高校，只好勉强应付或干脆放弃这门课的教学。显然，这与规范化的教学工作是相违背的。
在与清华大学出版社的沟通中，作者介绍了本书在构思方面的三大特色，一是着眼于计算机专业本身，以该领域的知识为重点展开教学；二是放眼“大”信息学科，将计算机学科拓展到更广泛的信息学科领域；三是立足一般高等院校（非985高校之类的著名大学）计算机专业的本科生。这种构思源于目前全国不同高校“计算机科学技术前沿选讲”课程的教学现状。据了解，目前该课程的教学现状大致分为三类：一是国内著名大学，比如清华和北大等，师资力量雄厚，可以轻松解决问题；二是“985高校”，其高水平的师资力量也可以解决好这一问题；三是一般高校的教材和师资都相对比较困难。作者希望本书规范化的计算机科学技术前沿选讲“模块”对其他院校的计算机专业本科生和教师有一点点帮助。编者的想法得到清华大学出版社的认同。
这本书的内容共分五个部分，第一部分计算机硬件，第二部分计算机软件，第三部分网络与安全，第四部分生物与智能，第五部分计算机应用，共40讲。
第一部分包括电子计算机发明准备、电子计算机发展简史、计算机发展趋势、巨磁电阻效应与硬盘、有机光存储材料与光盘、集成电路与芯片、芯片设计与制造、超级计算机、量子计算机、纳米器件、机器人的发展，共11讲。
第二部分包括CMM与敏捷软件设计、软件产品线与网构软件、可信计算、演化计算与软件基因编程、软件进化论、4GL与软件开发工具酶、知件与智幻体，共7讲。
第三部分包括光通信与其他应用、全球卫星通信、超高速网络、网络生态与青少年上网、网格计算、人工免疫与计算机病毒、信息对抗，共7讲。
第四部分包括分子机器、生物芯片、生物信息学、生物计算机、人工生命、人工智能、人机接口与一体化、“合成人”计划，共8讲。
第五部分包括计算可视化与虚拟现实、核磁共振成像与CT、电子成像技术、普适计算、虚拟仪器与数字制造、数字地球与数字城市、智能交通，共7讲。
本书由中南财经政法大学计算机系的张凯教授编写，刘爱芳同志进行了全书的文字核对工作。该书的讲稿在本校3届本科生中进行过试讲，效果较好，学生学习和试读后提出了一些宝贵意见。在此，对所有关心本书的学者、同仁、学生表示感谢。
本书在编写过程中，参考和引用了大量国内外的著作、论文和研究报告。由于篇幅有限，本书各章节仅仅列举了主要文献。作者向所有被参考和引用论著的作者表示由衷的感谢，他们的辛勤劳动成果为本书提供了丰富的资料。如果有的资料没有查到出处或因疏忽而未列出，请原作者原谅，并请告知我们，以便于在再版时补上。最后，再一次感谢很多学者前期的研究成果为本书提供的支撑材料。
由于这本书是对“计算机科学与技术”专业本科生教材的一种新探索，望读者对本书的不足之处提出宝贵意见。
本教材的课件已经完成。全书100多道思考题将印在本书的最后，它可以作为学生课后的练习，也可供任课老师选作期末考试题。如果需要课件和思考题的电子版，请到清华大学出版社下载，或直接与作者联系，我们将尽量满足您的要求。谢谢！

编者张凯
2009年11月20日

    3.差分机和分析机英国人查尔斯·巴贝奇研制出差分机和分析机，为现代计算机设计思想的发展奠定基础。在计算机发展史上，差分机和分析机占有重要的地位。查尔斯·巴贝奇（见图1-5）出生于1771年12月26日，19岁时考入剑桥大学三一学院攻读数学与化学。
    18世纪下半叶，法国政府决定在数学上采用十进制，因而大量数表，特别是三角函数表及有关的对数表，都要重新计算，这是一项浩繁的计算工程。法国政府的这一改革虽然没有得到全面实施，但却引起了英国人巴贝奇的兴趣。他认为可以用机器按照一定的程序去做一系列简单的计算，代替人去完成一些复杂、烦琐的计算工作。于是巴贝奇萌发出了采用机器来编制数表的想法。巴贝奇从用差分表计算数表的做法中得到启发，经过10年的努力，设计出一种能进行加减计算并完成数表编制的自动计算装置，他把它称为“差分机”。1822年，他试制出了一台样机。
    这台差分机可以保存3个5位的十进制数，并进行加法运算，还能打印结果。它是一种供制表人员使用的专用机。但是它的杰出之处是，能按照设计者的控制自动完成一连串的运算，体现了计算机最早的程序设计。这种程序设计思想的创见，为现代计算机的发展开辟了道路。
    1834年，巴贝奇又完成了一项新计算装置的构想。他考虑到，计算装置应该具有通用性，能解决数学上的各种问题。它不仅可以进行数字运算，而且还能进行逻辑运算。巴贝奇把这种装置命名为“分析机”。它是现代通用数字计算机的前身。按巴贝奇的方案，分析机以蒸汽为动力，通过大量齿轮来传动，它的内存储器的容量设计得比后来20世纪40年代出现的电子计算机ENIAC还要大一些，因为它太庞大了，所以它没有被制造出来，直到1991年，才仿制出第一台分析机。
    巴贝奇的分析机由三部分构成。第一部分是保存数据的齿轮式寄存器，巴贝奇把它称为“堆栈”，它与差分机中的相类似，但运算不在寄存器内进行，而是由新的机构来实现。第二部分是对数据进行各种运算的装置，巴贝奇把它命名为“工场”。第三部分是对操作顺序进行控制，并对所要处理的数据及输出结果加以选择的装置，它相当于现代计算机的控制器。图1-6是巴贝奇于19世纪20年代制造的差分机模型。
    为了加快运算的速度，巴贝奇设计了先进的进位装置。他估计，使用分析机完成一次50位数的加减只要1秒钟，相乘则要1分钟。计算时间约为第一台电子计算机的100倍。
    巴贝奇在分析机的计算设备上采用穿孔卡，这是人类计算技术史上的一次重大飞跃。巴贝奇曾在巴黎博览会上见过雅卡尔穿孔卡编织机。雅卡尔穿孔卡编织机要在织物上编织出各种图案，预先把经纱提升的程序在纸卡上穿孔记录下来，利用不同的穿孔卡程序织出许多复杂花纹的图案。

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