《计算机科学基础》课件导引

《计算机科学基础》课件PPT导引欢迎来到《计算机科学基础》课程的课件导引本课程旨在为学生提供计PPT算机科学的基本概念、原理和技术通过本课程的学习，学生将掌握计算机硬件、软件、数据表示、算法、网络和数据库等方面的知识，为后续的专业课程打下坚实的基础本导引将帮助您更好地理解课程内容和学习方法学习目标和课程大纲本课程的学习目标是使学生能够理解计算机科学的基本概念和原理，掌握计算机硬件、软件、数据表示、算法、网络和数据库等方面的知识，具备分析和解决计算机科学问题的能力课程大纲包括计算机硬件基础、计算机软件基础、数据表示与运算、算法与程序设计、计算机网络基础、数据库系统基础和信息系统与社会等七个模块每个模块都包含多个主题，涵盖了计算机科学的核心内容掌握基础概念熟悉硬件组成12理解计算机科学的基本术语和核心概念了解计算机硬件的组成和工作原理掌握软件开发理解网络原理34熟悉软件开发的基本流程和程序设计语言掌握计算机网络的基本原理和协议计算机硬件基础

1.计算机硬件是计算机系统的物理组成部分，包括中央处理器（）、内存CPU、存储设备和输入输出设备等计算机硬件基础是学习计算机科学的重要前提，理解硬件的工作原理有助于更好地理解软件的运行机制本模块将介绍计算机硬件的各个组成部分及其功能硬件基础是计算机科学的基石，深入理解硬件有助于优化软件设计和性能中央处理器内存存储设备计算机的核心部件，负用于存储程序和数据的用于长期存储程序和数责指令的执行和数据的临时存储器据的设备，如硬盘、固处理态硬盘等的构成和工作原理CPU中央处理器（）是计算机的核心部件，负责指令的执行和数据的处理由运算器、控制器、寄存器和高速缓存等组成运算CPU CPU器负责执行算术和逻辑运算，控制器负责指令的读取和执行，寄存器用于存储临时数据，高速缓存用于提高数据访问速度的工CPU作原理是读取指令、解码指令、执行指令和存储结果，不断循环执行，完成各种计算任务理解的工作原理对于优化程序性能至CPU关重要运算器控制器寄存器高速缓存执行算术和逻辑运算负责指令的读取和执行用于存储临时数据提高数据访问速度内存的分类和特性内存是计算机中用于存储程序和数据的临时存储器，分为随机存取存储器（）和只读存储器RAM（）两种主要类型可以进行读写操作，用于存储程序运行时的数据，具有易失性ROM RAM只能进行读取操作，用于存储计算机启动时的基本程序，具有非易失性又分为静态ROM RAM（）和动态（），速度快但成本高，速度慢但成本低理RAM SRAMRAM DRAMSRAM DRAM解内存的分类和特性有助于合理配置计算机的内存资源RAM随机存取存储器，可读写，易失性ROM只读存储器，不可写，非易失性SRAM静态，速度快，成本高RAMDRAM动态，速度慢，成本低RAM存储设备的种类和应用存储设备是计算机中用于长期存储程序和数据的设备，包括硬盘、固态硬盘、盘、光盘等硬盘是U传统的机械存储设备，容量大但速度慢固态硬盘是新型的电子存储设备，速度快但成本高盘是U便携式存储设备，容量小但方便携带光盘是光学存储设备，容量适中但易损坏不同的存储设备适用于不同的应用场景，选择合适的存储设备可以提高计算机的性能和可靠性了解不同存储设备的特性有助于优化数据存储方案硬盘容量大，速度慢，成本低固态硬盘速度快，成本高，容量相对较小盘U便携，容量小，方便携带光盘容量适中，易损坏，成本低输入输出设备的类型输入输出设备是计算机与外部世界进行交互的接口，包括键盘、鼠标、显示器、打印机、扫描仪等键盘和鼠标是常用的输入设备，用于向计算机输入指令和数据显示器是常用的输出设备，用于显示计算机的处理结果打印机和扫描仪用于实现纸质文档的输入输出不同的输入输出设备适用于不同的应用场景，选择合适的输入输出设备可以提高计算机的使用效率和用户体验熟悉各种输入输出设备有助于更好地利用计算机资源键盘1常用的输入设备，用于输入文本和指令鼠标2常用的输入设备，用于控制光标和选择对象显示器3常用的输出设备，用于显示计算机的处理结果打印机4用于将计算机的处理结果打印到纸上集成电路的发展历程集成电路（）是将大量的电子元件集成在一块芯片上的微型电路，是现代电子设备的核心部件集成电路的发展经历了小规模集成电路（IC SSI）、中规模集成电路（）、大规模集成电路（）和超大规模集成电路（）等阶段集成电路的集成度不断提高，体积不断缩小，功MSI LSIVLSI耗不断降低，性能不断提升，推动了计算机技术的快速发展了解集成电路的发展历程有助于理解计算机技术的演进过程SSI MSI1小规模集成电路中规模集成电路2VLSI4LSI3超大规模集成电路大规模集成电路计算机软件基础

2.计算机软件是计算机系统中用于控制硬件运行和实现各种功能的程序和数据计算机软件基础是学习计算机科学的重要组成部分，理解软件的定义、分类和开发流程有助于更好地编写和维护程序本模块将介绍操作系统的定义和功能、系统软件和应用软件的分类、软件开发的基本流程和程序设计语言的发展等内容软件是计算机系统的灵魂，掌握软件基础是成为一名合格的计算机科学专业人员的必要条件操作系统系统软件12计算机系统的核心软件，负责用于支持计算机系统运行的基管理和控制硬件资源础软件，如编译器、链接器等应用软件3用于实现特定功能的软件，如办公软件、游戏软件等操作系统的定义和功能操作系统（）是计算机系统的核心软件，负责管理和控制硬件资源，为用OS户提供友好的交互界面操作系统的主要功能包括进程管理、内存管理、文件系统管理、设备管理和网络管理等进程管理负责创建、调度和销毁进程，内存管理负责分配和回收内存资源，文件系统管理负责组织和管理文件，设备管理负责控制和管理外部设备，网络管理负责实现网络通信理解操作系统的定义和功能有助于更好地使用和维护计算机系统进程管理内存管理文件系统管理负责创建、调度和销毁负责分配和回收内存资负责组织和管理文件进程源和操作系统对比Windows Linux和是两种常用的操作系统，是微软公司开发的商业操作系统，是开源操作系统易于使用Windows LinuxWindows LinuxWindows，界面友好，应用软件丰富，但安全性相对较差安全性高，稳定性好，可定制性强，但使用难度较高，应用软件相对较少Linux主要用于个人电脑和服务器，主要用于服务器和嵌入式设备选择合适的操作系统取决于用户的需求和偏好了解两Windows Linux种操作系统的特点有助于更好地选择和使用操作系统Windows Linux易于使用，界面友好，应用软件丰富，但安全性相对较差安全性高，稳定性好，可定制性强，但使用难度较高，应用软件相对较少系统软件和应用软件计算机软件分为系统软件和应用软件两大类系统软件是用于支持计算机系统运行的基础软件，包括操作系统、编译器、链接器、驱动程序等应用软件是用于实现特定功能的软件，包括办公软件、游戏软件、图像处理软件、视频编辑软件等系统软件是计算机系统的核心，负责管理和控制硬件资源，应用软件是用户与计算机交互的桥梁，负责实现用户的各种需求理解系统软件和应用软件的分类有助于更好地使用和开发软件系统软件支持计算机系统运行的基础软件应用软件实现特定功能的软件软件开发的基本流程软件开发是一个复杂的过程，包括需求分析、概要设计、详细设计、编码、测试和维护等阶段需求分析是确定软件需要实现的功能和性能指标，概要设计是确定软件的总体结构和模块划分，详细设计是确定软件的每个模块的具体实现方法，编码是将设计转化为可执行的程序代码，测试是检验软件是否满足需求和性能指标，维护是修复软件的缺陷和改进软件的功能理解软件开发的基本流程有助于更好地参与软件开发项目需求分析1确定软件需要实现的功能和性能指标概要设计2确定软件的总体结构和模块划分详细设计3确定软件的每个模块的具体实现方法编码4将设计转化为可执行的程序代码程序设计语言的发展程序设计语言是用于编写计算机程序的工具，经历了机器语言、汇编语言、高级语言等阶段机器语言是直接用二进制代码表示的语言，汇编语言是用助记符表示的语言，高级语言是用自然语言表示的语言高级语言又分为面向过程的语言和面向对象的语言，面向过程的语言如语言，面向对象的语言如和程序设计语言的发展使得编写计算机程序更加容易和高效了解程序设计语C Java Python言的发展有助于选择合适的编程语言机器语言汇编语言高级语言二进制代码表示的语言助记符表示的语言自然语言表示的语言数据表示与运算

3.数据表示与运算是计算机科学的基础，包括数制及其转换、数据的二进制表示、算术运算的二进制实现、逻辑运算的应用和编码技术与数据压缩等内容理解数据表示与运算的原理有助于更好地理解计算机的工作方式和优化程序性能计算机内部使用二进制表示数据，进行各种运算，掌握二进制的表示方法和运算规则是计算机科学学习的重要内容编码技术1逻辑运算2算术运算3二进制4数制转换5数制及其转换数制是表示数值的方法，包括二进制、八进制、十进制和十六进制等二进制是计算机内部使用的数制，八进制和十六进制是二进制的简写形式，十进制是人们常用的数制不同的数制之间可以进行转换，例如二进制转换为十进制，十进制转换为二进制掌握数制及其转换的方法是计算机科学学习的重要内容，有助于理解计算机内部的数据表示和运算方式熟悉数制转换可以简化编程和数据处理二进制八进制十进制十六进制计算机内部使用的数制二进制的简写形式人们常用的数制二进制的简写形式数据的二进制表示计算机内部使用二进制表示数据，包括整数、浮点数、字符和字符串等整数可以用原码、反码和补码表示，浮点数可以用标准表示，字符可以用码或码表示，字符串IEEE754ASCII Unicode可以用字符数组或字符串对象表示理解数据的二进制表示方法有助于更好地理解计算机内部的数据存储和运算方式掌握二进制表示对于优化数据结构和算法至关重要整数原码、反码和补码浮点数标准IEEE754字符码或码ASCII Unicode字符串字符数组或字符串对象算术运算的二进制实现计算机内部使用二进制进行算术运算，包括加法、减法、乘法和除法等加法可以用加法器实现，减法可以用补码加法实现，乘法可以用移位和加法实现，除法可以用移位和减法实现理解算术运算的二进制实现方法有助于更好地理解计算机内部的运算过程和优化程序性能掌握二进制运算可以提高编程效率和代码质量加法1加法器实现减法2补码加法实现乘法3移位和加法实现除法4移位和减法实现逻辑运算的应用计算机内部使用逻辑运算进行条件判断和控制流程，包括与、或、非、异或等逻辑运算可以用于实现各种逻辑功能，如条件判断、循环控制、位运算等理解逻辑运算的应用有助于更好地编写程序和优化程序逻辑掌握逻辑运算可以提高编程能力和解决问题的效率与两个条件都为真时结果为真或两个条件有一个为真时结果为真非条件为真时结果为假，条件为假时结果为真异或两个条件不同时结果为真，相同时结果为假编码技术与数据压缩编码技术是将数据转换为特定格式的方法，包括码、码、编码等数据压缩是将数据减少存储空间的方法，包括无损压缩ASCII UnicodeUTF-8和有损压缩无损压缩可以完全恢复原始数据，如压缩，有损压缩会损失部分数据，但可以大大减小文件大小，如压缩理解编码技ZIP JPEG术和数据压缩的原理有助于更好地存储和传输数据掌握编码技术和数据压缩可以提高数据处理效率和存储空间利用率码码ASCII Unicode1常用的字符编码支持多种语言的字符编码2ZIP压缩4UTF-83无损压缩，可以完全恢复原始数据常用的编码实现方式Unicode算法与程序设计

4.算法与程序设计是计算机科学的核心，包括算法的基本概念、算法的特性和分类、算法的效率分析、程序设计语言概述和基本程序设计结构等内容理解算法与程序设计的原理有助于更好地解决计算机科学问题和编写高质量的程序算法是解决问题的步骤，程序设计是将算法转化为计算机可以执行的代码掌握算法与程序设计是成为一名合格的计算机科学专业人员的必要条件效率分析1算法分类2算法特性3算法概念4算法的基本概念算法是解决特定问题的一系列步骤，具有确定性、可行性、有限性和输入输出等特性算法可以用自然语言、流程图或伪代码描述算法的设计是计算机科学的重要内容，设计高效的算法可以提高程序的性能和效率理解算法的基本概念有助于更好地设计和分析算法掌握算法设计可以提高解决问题的能力和编程水平确定性可行性有限性输入输出每个步骤都必须明确无歧义每个步骤都必须能够实现必须在有限步骤内结束必须有输入和输出算法的特性和分类算法具有正确性、可读性、健壮性和效率等特性正确性是指算法能够正确解决问题，可读性是指算法易于理解和修改，健壮性是指算法能够处理各种异常情况，效率是指算法的时间复杂度和空间复杂度算法可以分为排序算法、查找算法、图算法、动态规划算法等理解算法的特性和分类有助于选择合适的算法解决问题掌握算法特性和分类可以提高编程效率和代码质量正确性能够正确解决问题可读性易于理解和修改健壮性能够处理各种异常情况效率时间复杂度和空间复杂度算法的效率分析算法的效率分析是评估算法性能的重要方法，包括时间复杂度和空间复杂度分析时间复杂度是指算法执行所需的时间与问题规模的关系，空间复杂度是指算法执行所需的空间与问题规模的关系常用的大表示法表示算法的时间复杂度和空间复杂度，如O、、等理解算法的效率分析有助于选择高效的算法解决问题On On^2Olog n掌握算法效率分析可以优化程序性能和提高代码质量时间复杂度1算法执行所需的时间与问题规模的关系空间复杂度2算法执行所需的空间与问题规模的关系大表示法O3表示算法的时间复杂度和空间复杂度程序设计语言概述程序设计语言是用于编写计算机程序的工具，包括、、、等语言是一种面C C++Java PythonC向过程的语言，是一种面向对象的语言，是一种跨平台的语言，是一种易于学C++JavaPython习的语言不同的程序设计语言适用于不同的应用场景，选择合适的程序设计语言可以提高编程效率和代码质量了解程序设计语言的特点有助于选择合适的编程工具语言C面向过程的语言C++面向对象的语言Java跨平台的语言Python易于学习的语言基本程序设计结构基本程序设计结构包括顺序结构、选择结构和循环结构顺序结构是指程序按照顺序依次执行，选择结构是指程序根据条件选择不同的执行路径，循环结构是指程序重复执行一段代码掌握基本程序设计结构是编写程序的基础，可以实现各种复杂的程序逻辑理解基本程序设计结构有助于更好地编写程序和解决问题选择结构2程序根据条件选择不同的执行路径顺序结构1程序按照顺序依次执行循环结构程序重复执行一段代码3计算机网络基础

5.计算机网络基础是计算机科学的重要组成部分，包括网络的定义和作用、参考模型及其层次、协议簇的构成、网络设备及OSI TCP/IP其作用和网络安全技术与措施等内容理解计算机网络的基础知识有助于更好地理解网络的工作方式和保护网络安全网络是现代计算机系统的重要组成部分，掌握网络知识是成为一名合格的计算机科学专业人员的必要条件网络安全1网络设备2协议3TCP/IP模型4OSI网络定义5网络的定义和作用网络是指将多台计算机连接起来，实现资源共享和信息交换的系统网络的作用包括资源共享、信息交换、协同工作和远程访问等资源共享是指多台计算机可以共享硬件资源和软件资源，信息交换是指多台计算机可以互相发送和接收信息，协同工作是指多台计算机可以共同完成一项任务，远程访问是指用户可以通过网络访问远程计算机理解网络的定义和作用有助于更好地利用网络资源资源共享信息交换协同工作远程访问共享硬件和软件资源互相发送和接收信息共同完成一项任务通过网络访问远程计算机参考模型及其层次OSI参考模型是网络协议的标准化模型，分为七层，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层物理层负责传输比特流，数据链路层负责传输帧，网络层负责传输数据包，传OSI输层负责提供可靠的端到端连接，会话层负责管理会话，表示层负责数据格式转换，应用层负责提供网络服务理解参考模型及其层次有助于更好地理解网络协议的工作原理OSI应用层提供网络服务表示层数据格式转换会话层管理会话传输层提供可靠的端到端连接协议簇的构成TCP/IP协议簇是使用的协议簇，包括协议、协议、协议、协议、TCP/IP InternetTCP IPUDP HTTPFTP协议等协议提供可靠的端到端连接，协议负责数据包的路由，协议提供不可靠的端TCP IPUDP到端连接，协议用于服务器和浏览器之间的通信，协议用于文件传输理解HTTP WebFTP协议簇的构成有助于更好地理解的工作原理TCP/IP Internet协议TCP1提供可靠的端到端连接协议IP2负责数据包的路由协议UDP3提供不可靠的端到端连接协议HTTP4用于服务器和浏览器之间的通信Web网络设备及其作用网络设备包括路由器、交换机、网卡、防火墙等路由器负责数据包的路由，交换机负责数据帧的转发，网卡负责计算机与网络之间的连接，防火墙负责保护网络安全不同的网络设备有不同的作用，选择合适的网络设备可以提高网络性能和安全性理解网络设备的作用有助于更好地构建和维护网络系统路由器负责数据包的路由交换机负责数据帧的转发网卡负责计算机与网络之间的连接防火墙负责保护网络安全网络安全技术与措施网络安全技术与措施包括防火墙、入侵检测系统、加密技术、身份验证技术等防火墙可以阻止未经授权的访问，入侵检测系统可以检测网络攻击，加密技术可以保护数据的机密性，身份验证技术可以验证用户的身份理解网络安全技术与措施有助于保护网络安全和防止网络攻击掌握网络安全技术可以提高网络安全防护能力防火墙入侵检测系统1阻止未经授权的访问检测网络攻击2身份验证技术4加密技术3验证用户的身份保护数据的机密性数据库系统基础

6.数据库系统基础是计算机科学的重要组成部分，包括数据库的概念和特点、数据模型及其发展、关系数据库设计、语言的基本使SQL用和数据库安全与备份等内容理解数据库系统的基础知识有助于更好地管理和使用数据数据库是现代计算机系统的重要组成部分，掌握数据库知识是成为一名合格的计算机科学专业人员的必要条件数据库安全1语言2SQL关系数据库3数据模型4数据库概念5数据库的概念和特点数据库是存储和管理数据的系统，具有数据共享、数据独立性、数据完整性和数据安全等特点数据共享是指多个用户可以同时访问数据库中的数据，数据独立性是指数据与应用程序相互独立，数据完整性是指数据库中的数据必须符合一定的约束条件，数据安全是指数据库中的数据必须受到保护，防止未经授权的访问理解数据库的概念和特点有助于更好地使用和管理数据数据共享数据独立性数据完整性数据安全多个用户可以同时访问数据数据与应用程序相互独立数据必须符合一定的约束条数据必须受到保护件数据模型及其发展数据模型是描述数据组织方式的模型，包括层次模型、网状模型和关系模型等层次模型是一种树状结构，网状模型是一种图状结构，关系模型是一种表格结构关系模型是目前最常用的数据模型，具有简单、易于理解和操作等优点数据模型的发展使得数据库系统更加灵活和高效理解数据模型及其发展有助于选择合适的数据模型进行数据库设计层次模型树状结构网状模型图状结构关系模型表格结构关系数据库设计关系数据库设计是指设计关系数据库的表结构和关系，包括实体、属性、关系、主键和外键等实体是指现实世界中的对象，属性是指实体的特征，关系是指实体之间的联系，主键是指唯一标识实体的属性，外键是指引用其他表主键的属性关系数据库设计需要遵循一定的范式，以保证数据的完整性和一致性理解关系数据库设计有助于设计高质量的数据库实体1现实世界中的对象属性2实体的特征关系3实体之间的联系主键4唯一标识实体的属性语言的基本使用SQL语言是用于操作数据库的语言，包括查询、插入、更新和删除等操作查询是指从数据库中检索数据，插入是指向数据库中添加数据，更新是指修改SQL数据库中的数据，删除是指从数据库中删除数据语言具有简单、易于学习和使用等优点，是数据库管理系统的重要组成部分掌握语言的基本SQL SQL使用有助于更好地操作和管理数据库查询插入从数据库中检索数据向数据库中添加数据更新删除修改数据库中的数据从数据库中删除数据数据库安全与备份数据库安全是指保护数据库中的数据免受未经授权的访问和破坏，数据库备份是指将数据库中的数据复制到其他存储介质，以防止数据丢失数据库安全措施包括身份验证、权限控制、加密技术和审计等，数据库备份方法包括完全备份、增量备份和差分备份等理解数据库安全与备份的原理有助于保护数据库中的数据和防止数据丢失身份验证权限控制1验证用户的身份控制用户的访问权限2审计4加密技术3记录用户的操作日志保护数据的机密性信息系统与社会

7.信息系统与社会是计算机科学的重要组成部分，包括信息技术在社会中的应用、信息系统的基本组成、信息系统开发方法论、信息安全及其威胁和信息化社会的挑战与机遇等内容理解信息系统与社会的关系有助于更好地利用信息技术服务社会信息技术的发展对社会产生了深远的影响，掌握信息系统知识是适应信息化社会发展的必要条件信息化机遇1信息安全2开发方法3系统组成4技术应用5信息技术在社会中的应用信息技术在社会中的应用非常广泛，包括电子商务、电子政务、远程教育、远程医疗和智能交通等电子商务是指通过网络进行商品交易，电子政务是指政府机构通过网络提供公共服务，远程教育是指通过网络进行远程学习，远程医疗是指通过网络进行远程诊断和治疗，智能交通是指利用信息技术提高交通运输效率和安全性理解信息技术在社会中的应用有助于更好地利用信息技术服务社会电子商务电子政务远程教育远程医疗通过网络进行商品交易政府机构通过网络提供公共通过网络进行远程学习通过网络进行远程诊断和治服务疗信息系统的基本组成信息系统的基本组成包括硬件、软件、数据、人员和规程等硬件是指计算机和网络设备，软件是指操作系统和应用程序，数据是指存储在数据库中的信息，人员是指使用和维护信息系统的人员，规程是指操作和管理信息系统的规则信息系统的各个组成部分相互依赖，共同完成信息处理任务理解信息系统的基本组成有助于更好地构建和维护信息系统硬件计算机和网络设备软件操作系统和应用程序数据存储在数据库中的信息人员使用和维护信息系统的人员信息系统开发方法论信息系统开发方法论是指开发信息系统的指导思想和方法，包括结构化方法、面向对象方法和敏捷开发方法等结构化方法是一种传统的开发方法，强调自顶向下、逐步求精，面向对象方法是一种现代的开发方法，强调对象和类的概念，敏捷开发方法是一种快速迭代的开发方法，强调快速响应变化选择合适的开发方法取决于项目的特点和需求理解信息系统开发方法论有助于更好地开发信息系统结构化方法1自顶向下、逐步求精面向对象方法2对象和类的概念敏捷开发方法3快速响应变化信息安全及其威胁信息安全是指保护信息系统中的信息免受未经授权的访问、使用、披露、破坏、修改或破坏，信息安全的威胁包括病毒、木马、黑客攻击、网络钓鱼和社会工程等病毒是一种可以自我复制的恶意程序，木马是一种伪装成正常程序的恶意程序，黑客攻击是指未经授权访问信息系统，网络钓鱼是指通过伪造电子邮件或网站窃取用户的信息，社会工程是指利用人的弱点获取信息理解信息安全及其威胁有助于保护信息系统安全病毒可以自我复制的恶意程序木马伪装成正常程序的恶意程序黑客攻击未经授权访问信息系统网络钓鱼通过伪造电子邮件或网站窃取用户的信息信息化社会的挑战与机遇信息化社会带来了许多挑战和机遇，挑战包括信息安全问题、数字鸿沟问题和伦理道德问题等，机遇包括提高生产效率、促进经济发展和改善生活质量等信息安全问题是指信息系统面临的各种安全威胁，数字鸿沟问题是指不同人群在信息技术获取和使用方面的差距，伦理道德问题是指信息技术应用带来的伦理和道德困境信息化社会的挑战需要全社会共同应对，抓住信息化带来的机遇可以促进社会发展和进步总结本课程所学内容，希望大家能够学有所获，为信息化社会贡献力量信息安全数字鸿沟1保护信息系统安全缩小信息技术差距2经济发展4伦理道德3促进经济发展遵守伦理道德规范。