本书以扩展的计算思维为主线，融入课程思政，理论与应用相结合，参照中国计算机学会、国际计算机协会以及美国电气与电子工程师协会的计算学科定义和建议，对计算机科学与技术进行科学、系统地阐述。全书共7篇14章，从计算思维涉及的逻辑思维、系统思维、算法思维、网络思维、数据思维和智能思维六个方面展开，具体阐述计算机科学相关定义，社会与道德问题，数的表示、存储与运算，数字逻辑与数字系统，计算机硬件，计算机软件，高级程序设计基础，数据结构与算法，计算机网络，移动通信与无线网络，数据库系统，大数据技术，机器学习和人工智能14个专题知识，目的是让读者了解计算机科学与技术学科的全貌，并对计算思维有深刻的认知。

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目录
第一篇 计算机科学总论
第1章 计算机科学概述 3
1.1 引言 3
1.1.1 计算机科学的定义 3
1.1.2 图灵模型和冯？诺依曼模型 8
1.1.3 计算机系统组成 11
1.2 计算思维和计算机科学 15
1.2.1 逻辑思维 16
1.2.2 系统思维 17
1.2.3 算法思维 19
1.2.4 网络思维 20
1.2.5 数据思维 22
1.2.6 智能思维 25
1.3 计算机的发展历程 27
1.4 计算机科学与技术学科知识体系 31
1.5 计算机的应用与发展趋势 34
1.6 本章小结 37
第2章 社会与道德问题 39
2.1 道德原则 39
2.2 知识产权 43
2.3 隐私保护 46
2.4 计算机犯罪 49
第二篇 数理逻辑思维基础
第3章 数的表示、存储与运算 55
3.1 计算机数据组织简介 55
3.2 数的表示及进制转换 56
3.2.1 数的表示 56
3.2.2 进制转换 58
3.3 数的码制 60
3.3.1 原码 61
3.3.2 反码 61
3.3.3 补码 62
3.4 定点数和浮点数 65
3.4.1 定点数 65
3.4.2 浮点数 66
3.4.3 二进制小数 66
3.4.4 IEEE浮点表示 68
3.5 十进制数的编码 70
3.5.1 有权码 70
3.5.2 无权码 70
3.6 数的存储 71
3.6.1 数字存储 72
3.6.2 文本存储 74
3.6.3 音频存储 76
3.6.4 图像存储 77
3.7 数据运算 81
3.7.1 移位运算 81
3.7.2 算术运算 84
第4章 数字逻辑与数字系统 89
4.1 基本逻辑关系 89
4.2 逻辑函数 89
4.2.1 基本逻辑运算 89
4.2.2 逻辑函数基本定理 91
4.2.3 逻辑函数基本运算规则 92
4.3 逻辑函数标准型 93
4.3.1 逻辑函数的两种标准形式 94
4.3.2 将逻辑函数化为标准型 95
第三篇 计算机系统（系统思维）
第5章 计算机硬件 101
5.1 引言 101
5.2 冯？诺依曼模型 101
5.2.1 五个部件 102
5.2.2 存储的程序概念 103
5.2.3 指令的顺序执行 103
5.3 中央处理单元 104
5.3.1 算术逻辑单元 104
5.3.2 寄存器组 105
5.3.3 控制单元 105
5.4 分层存储体系 105
5.4.1 地址空间 106
5.4.2 存储器的类型 106
5.4.3 存储器的层次结构 107
5.4.4 高速缓冲存储器 108
5.5 输入/输出系统 109
5.5.1 非存储设备 109
5.5.2 存储设备 111
5.6 计算机硬件扩展技术 114
5.6.1 多核技术 114
5.6.2 高性能计算机 115
5.6.3 并行计算机 116
5.6.4 分布式系统 118
第6章 计算机软件 120
6.1 引言 120
6.2 操作系统基本概念 121
6.2.1 操作系统的目标 122
6.2.2 操作系统的作用 123
6.2.3 推动操作系统发展的主要动力 124
6.3 操作系统的发展历程 126
6.3.1 未配置操作系统的计算机系统 126
6.3.2 单道批处理系统 127
6.3.3 多道批处理系统 129
6.3.4 分时系统 130
6.3.5 实时系统 132
6.3.6 微机操作系统的发展 133
6.4 操作系统的组成 135
6.4.1 并发 136
6.4.2 共享 136
6.4.3 虚拟 137
6.4.4 异步 139
6.5 操作系统的功能 139
6.5.1 处理机管理功能 139
6.5.2 存储器管理功能 141
6.5.3 设备管理功能 142
6.5.4 文件管理功能 143
6.5.5 操作系统与用户之间的接口 144
6.5.6 现代操作系统的新功能 145
6.6 主流操作系统 146
6.6.1 UNIX 146
6.6.2 Linux 148
6.6.3 Windows 149
6.6.4 Mac OS 150
6.7 计算机软件设计方法 152
6.7.1 软件工程基本概念 152
6.7.2 软件开发模型 154
6.7.3 软件开发步骤 161
第四篇 程序基础及算法（算法思维）
第7章 高级程序设计基础 167
7.1 程序设计简介 167
7.1.1 程序设计范型 167
7.1.2 程序设计语言 169
7.1.3 程序设计步骤 171
7.2 程序的编译过程 171
7.2.1 源程序、目标程序和可执行程序的概念 171
7.2.2 程序开发步骤 172
7.3 数据的组织结构 173
7.3.1 基本数据类型 174
7.3.2 运算符和表达式 175
7.3.3 数组 180
7.3.4 指针 185
7.3.5 结构体与共用体 188
7.4 程序的组织结构 191
7.4.1 顺序结构 191
7.4.2 选择结构 192
7.4.3 循环结构 195
7.4.4 函数 197
第8章 数据结构与算法 201
8.1 数据结构简介 201
8.2 三大基本数据结构 204
8.2.1 线性表 204
8.2.2 树 210
8.2.3 图 216
8.3 数据操作 228
8.3.1 查找 228
8.3.2 排序 237
8.4 算法概念及描述 245
8.4.1 算法的定义 245
8.4.2 算法的特性 245
8.4.3 算法的效率度量方法 247
8.5 常用算法 248
8.5.1 递推算法 248
8.5.2 递归算法 249
8.5.3 穷举算法 252
8.6 算法的分析与评价 252
8.6.1 时间复杂度 253
8.6.2 空间复杂度 256
第五篇 网络与互联（网络思维）
第9章 计算机网络 261
9.1 数字通信基础 261
9.1.1 数字通信信号处理 261
9.1.2 数据通信系统的模型 262
9.1.3 基本的数字通信术语 263
9.1.4 有关信道的基本概念 263
9.1.5 计算机网络 264
9.1.6 开放式系统与网络协议 265
9.1.7 TCP/IP 266
9.1.8 高层协议 267
9.2 物理层和数据链路层 268
9.2.1 物理层的基本概念 268
9.2.2 物理层下面的传输媒体 269
9.2.3 信道复用技术 271
9.2.4 数据链路层的基本概念 271
9.2.5 数据链路层提供的服务 272
9.2.6 常见的数据链路层协议 273
9.3 网际层 274
9.3.1 概述 274
9.3.2 网际协议IP 275
9.4 传输层 278
9.4.1 概述 279
9.4.2 用户数据报协议 280
9.4.3 传输控制协议 281
9.5 应用层 283
9.5.1 域名系统 283
9.5.2 文件传输协议 284
9.5.3 远程终端协议 284
9.5.4 万维网 285
9.5.5 电子邮件 285
9.6 网络安全 286
9.6.1 计算机网络面临的安全性威胁 286
9.6.2 安全的计算机网络 286
9.6.3 密码学 287
9.6.4 数字签名 288
第10章 移动通信与无线网络 289
10.1 无线移动通信基础 289
10.1.1 蜂窝网络基础 289
10.1.2 蜂窝系统的基础设施 291
10.2 无线个域网 293
10.2.1 蓝牙 293
10.2.2 低速WPAN 294
10.2.3 高速WPAN 295
10.3 无线局域网 295
10.3.1 IEEE 802.11 296
10.3.2 802.11局域网的物理层 296
10.3.3 802.11局域网的CSMA/CA协议 297
10.4 无线城域网与无线广域网 298
10.4.1 无线城域网 299
10.4.2 无线广域网 299
10.5 无线自组网络 300
10.6 无线传感器网络与物联网 301
10.6.1 无线传感器网络 301
10.6.2 物联网 302
10.7 卫星通信网络 303
第六篇 数据管理（数据思维）
第11章 数据库系统 307
11.1 数据管理简介 307
11.1.1 数据库的基本概念 307
11.1.2 数据库系统的历史 308
11.1.3 数据库系统的特点 309
11.1.4 数据模型 310
11.2 关系数据库模型 314
11.2.1 关系模型的数据结构 315
11.2.2 关系模型的数据操作 315
11.2.3 关系模型的完整性约束 316
11.2.4 关系代数 318
11.3 关系数据库设计 320
11.3.1 关系数据库设计概述 320
11.3.2 关系数据库概念结构设计 322
11.3.3 关系数据库逻辑结构设计 326
11.3.4 关系数据库物理结构设计 327
11.3.5 关系数据库的安全性 328
11.3.6 关系数据库的完整性 331
11.3.7 关系数据库恢复技术 332
11.3.8 关系数据库并发控制 335
11.4 数据库新进展 337
11.4.1 分布式数据库 337
11.4.2 空间数据库 337
11.4.3 多媒体数据库 337
11.4.4 数据仓库 338
11.4.5 信息存储与检索 338
11.4.6 超文本和超媒体 339
11.4.7 多媒体信息与多媒体系统 339
11.4.8 数字图书馆 340
11.4.9 数字地球与智慧城市 340
第12章 大数据技术 341
12.1 大数据的概念与特征 341
12.1.1 大数据的概念 341
12.1.2 大数据的特征 342
12.2 数据采集、管理、分析和可视化技术 344
12.2.1 数据采集与预处理 344
12.2.2 数据存储与管理 346
12.2.3 数据处理与分析 348
12.2.4 数据可视化 349
12.3 大数据管理系统 350
12.3.1 NoSQL数据管理系统 350
12.3.2 NewSQL数据库系统 351
12.3.3 MapReduce技术 352
12.3.4 大数据管理系统的新格局 352
12.4 大数据应用 354
12.4.1 互联网文本大数据管理与挖掘 354
12.4.2 基于大数据分析的用户建模 355
第七篇 机器智能（智能思维）
第13章 机器学习 361
13.1 引言 361
13.1.1 发展历程 361
13.1.2 应用现状 363
13.2 模型选择与评估 364
13.2.1 模型选择与评估方法 364
13.2.2 性能度量 367
13.2.3 性能比较检验 370
13.3 线性模型 371
13.4 经典的机器学习方法 371
13.4.1 决策树 371
13.4.2 支持向量机 374
13.4.3 贝叶斯分类 375
13.4.4 k-近邻分类 376
第14章 人工智能 378
14.1 人工智能系统 378
14.1.1 智能与人工智能 378
14.1.2 人工智能的研究目标与研究途径 380
14.1.3 人工智能研究的主要特点 380
14.1.4 人工智能的研究领域 381
14.1.5 人工智能的发展历史 381
14.2 知识表示及知识图谱 382
14.2.1 知识表示的基本概念 382
14.2.2 一阶谓词逻辑表示法 384
14.2.3 产生式表示法 387
14.2.4 语义网络表示法 387
14.2.5 框架表示法 389
14.3 确定性推理方法 390
14.3.1 推理的基本概念 390
14.3.2 推理的逻辑基础 390
14.3.3 自然演绎推理 391
14.3.4 归结演绎推理 391
14.4 不确定性推理 392
14.5 计算智能方法 392
14.5.1 遗传算法 392
14.5.2 人工神经网络 394
14.5.3 群体智能 397
参考文献 400