《计算机科学基础》课件

计算机科学基础探索计算机科学的核心概念和基础知识课程目标与学习成果掌握计算机科学基础理论培养算法思维与问题解决能力了解软硬件系统工作原理计算机科学的历史发展机械计算时代1算盘、帕斯卡计算器电子计算机诞生2年ENIAC1946个人计算机革命

3、Apple IIIBM PC互联网与移动时代4计算机系统的基本组成硬件系统、内存、存储、输入输出设备CPU系统软件操作系统、编译器、驱动程序应用软件办公软件、浏览器、专业工具数据硬件系统中央处理器（）CPU控制单元算术逻辑单元1指令解码与执行控制数学计算与逻辑运算2缓存寄存器组3加速数据访问暂存数据与指令硬件系统存储器寄存器1最快、容量最小缓存2高速、小容量主存RAM3中速、易失性辅存硬盘/SSD4硬件系统输入输出设备输入设备输出设备通用设备键盘、鼠标、触摸屏、麦克风显示器、打印机、扬声器软件系统操作系统概述进程管理内存管理文件系统任务调度与资源分配分配、回收、虚拟内存数据组织与存储用户界面软件系统应用软件生产力工具多媒体软件专业应用文档处理、电子表格图像处理、视频剪辑数据表示二进制系统计算机中的基本数据单位1只使用和两个数字01位与字节2bit byte位字节8=1二进制加法30+0=0,0+1=1,1+1=10所有数据最终都转为二进制数据表示其他进制及转换二进制八进制十进制十六进制00001111102221133310044410101210A10000201610数据表示码和ASCII UnicodeASCIIUnicode UTF-8位编码，表示个字符统一字符编码的变长编码方式7128Unicode主要用于英文字符支持世界上几乎所有文字网络传输中最常用布尔代数与逻辑门基本逻辑运算1与、或、非AND ORNOT复合逻辑门2与非、或非、异或NAND NORXOR组合电路3加法器、编码器、解码器时序电路4触发器、计数器、寄存器计算机网络基础广域网互联网WAN跨地理区域的网络全球计算机网络互联系统局域网网络协议LAN连接邻近区域的计算机通信规则与标准2314网络协议TCP/IP应用层

1、、HTTP FTPSMTP传输层

2、TCP UDP网络层

3、、路由IP ICMP链路层4以太网、、WiFi ARP互联网与万维网浏览器HTML CSS网页内容渲染与展示网页内容结构标记网页样式与布局JavaScript网页交互功能实现信息安全基础机密性保护信息不被未授权访问完整性确保信息未被篡改可用性确保系统服务正常提供认证与授权身份验证与权限管理密码学简介对称加密非对称加密哈希函数使用相同密钥加解密公钥加密，私钥解密单向映射，不可逆、、、AES DESRSA ECCMD5SHA算法概念与特性定义1解决问题的明确步骤序列输入与输出2有明确的输入和预期输出确定性3相同输入产生相同输出有穷性4在有限步骤内结束基本算法设计技巧分治法将问题分解为子问题贪心算法每步选择当前最优解动态规划存储子问题解以避免重复计算回溯法尝试所有可能，遇到死路返回时间复杂度与空间复杂度问题规模n O1Olog n On On²排序算法算法名称平均时间复杂最坏时间复杂空间复杂度度度冒泡排序On²On²O1选择排序On²On²O1插入排序On²On²O1快速排序On log n On²Olog n归并排序On log n On logn On堆排序OnlognOnlognO1搜索算法顺序搜索二分搜索哈希搜索从头到尾依次比较要求数据已排序利用哈希函数直接定位时间复杂度时间复杂度平均时间复杂度On OlognO1数据结构数组与链表数组链表连续内存空间非连续内存空间随机访问随机访问O1On插入删除插入删除On O1数据结构栈与队列栈队列后进先出先进先出LIFO FIFO只能在顶端操作一端入队一端出队应用函数调用、表达式求值应用任务调度、缓冲区数据结构树二叉树二叉搜索树平衡树每个节点最多两个子节点左子树小于根，右子树大于根左右子树高度差不超过1数据结构图有向图无向图加权图边有方向性边无方向性边有权重值数据结构哈希表键值待存储数据的标识哈希函数将键映射到数组索引数组存储快速查找与修改冲突解决链表法或开放寻址法程序设计基础问题分析算法设计1理解需求与约束确定解决问题的步骤2测试调试代码实现43验证结果并修复问题用编程语言表达算法高级程序设计语言概述编译型语言解释型语言混合型、、、C/C++Java PythonJavaScript C#Java一次编译多次运行边解释边执行编译为中间代码再解释面向对象程序设计类与对象1类是对象的模板，对象是类的实例封装2隐藏实现细节，提供公共接口继承3子类继承父类的属性和方法多态4同一接口，不同的实现方式函数式程序设计纯函数相同输入产生相同输出，无副作用不可变数据数据创建后不可修改高阶函数函数可作为参数和返回值递归而非循环通过递归实现迭代操作数据库系统概述数据库管理系统查询语言事务管理数据的组织、存储与管用于访问和操作数据保证数据完整性理安全机制控制用户访问权限关系数据库模型表键关系Table KeyRelationship行和列组成的二维结构主键、外键、唯一键表与表之间的连接语言基础SQL数据定义数据操作数据控制、、、、、、CREATE ALTERDROP SELECTINSERT UPDATEDELETE GRANTREVOKE创建和修改数据库结构查询和修改数据内容控制用户对数据的访问权限操作系统进程管理进程创建进程调度1分配资源与决定分配顺序PCB CPU2进程终止进程通信43释放资源共享内存与消息传递操作系统内存管理物理内存实际的硬件资源RAM虚拟内存程序看到的连续地址空间页面置换内存与硬盘间数据交换内存保护进程间隔离，防止非法访问操作系统文件系统文件组织1目录结构、文件属性文件操作2创建、读写、删除存储分配3连续分配、链接、索引文件共享4多用户访问控制编译原理概述源代码编译器目标代码执行结果高级语言程序翻译器机器语言或中间代码程序运行输出词法分析与语法分析词法分析语法分析将源程序转换为记号流根据语法规则构建语法树识别标识符、关键字、常量检查程序结构正确性代码优化与目标代码生成中间代码生成代码优化目标代码生成独立于特定机器的表示提高执行效率，减少资源消耗转换为特定机器的指令集人工智能导论推理系统知识表示2从已知推导出新结论如何存储和组织知识1机器学习3从数据中学习模式计算机视觉5自然语言处理理解图像和视频内容4理解和生成人类语言机器学习基础监督学习无监督学习强化学习有标签数据训练无标签数据发现模式通过奖惩机制学习策略分类、回归聚类、降维决策控制深度学习简介输入层接收原始数据隐藏层多层非线性变换输出层生成预测结果计算机图形学基础几何建模创建三维物体几何表示渲染生成逼真图像动画创建物体运动效果交互技术实时响应用户操作虚拟现实与增强现实虚拟现实增强现实混合现实VR ARMR完全沉浸式数字环境在现实世界叠加虚拟内容现实与虚拟世界融合头戴式显示器智能手机、眼镜虚拟物体与现实交互AR并行计算与分布式系统并行计算分布式系统多处理器同时执行计算任务多台独立计算机协同工作共享内存模型通过网络通信云计算技术软件即服务SaaS1应用软件服务平台即服务PaaS2开发平台服务基础设施即服务IaaS3计算资源服务大数据处理技术大数据特点容量大数据特点速度大数据特点多样性数据规模巨大数据产生和处理速度快结构化和非结构化数据大数据特点价值从数据中挖掘有用信息物联网概述感知层网络层1传感器数据采集数据传输与通信2应用层处理层43智能服务与控制数据存储与计算软件工程基础需求工程1识别和定义用户需求系统设计2架构与模块划分编码实现3按设计规范编写代码测试验证4发现并修复缺陷软件开发生命周期需求分析确定系统功能与约束系统设计划分模块与确定接口编码实现编写代码与单元测试系统测试集成测试与验收测试运维支持部署维护与升级更新敏捷开发方法用户故事迭代开发1简洁的功能需求描述小周期、快速交付2团队协作持续集成43自组织团队，紧密沟通频繁合并代码和测试计算机伦理与职业道德数据隐私保护用户个人信息知识产权尊重软件著作权系统安全防范恶意利用社会责任考虑技术的社会影响开源软件与知识产权开源许可证商业软件软件专利、、版权保护保护创新算法和技术GPL BSDMIT不同程度的使用限制使用需付费授权独占权利计算思维分解将复杂问题拆分为小问题模式识别发现问题中的共性抽象提取关键特征，忽略细节算法设计设计解决问题的步骤计算机科学前沿技术前沿技术正在改变世界量子计算简介量子比特1可同时表示和的叠加态01量子纠缠2量子位之间的关联关系量子算法3算法、算法Shor Grover应用前景4密码破解、药物设计、材料科学计算机科学与其他学科的交叉计算物理学2生物信息学物理现象模拟，气候模型1基因组分析，蛋白质结构预测数字人文3文本挖掘，历史资料数字化医学影像计算金融5辅助诊断，手术规划算法交易，风险分析4总结与展望计算机科学基础知识1硬件、软件、算法、数据结构技术应用能力2编程、系统设计、问题解决创新思维培养3计算思维、跨学科融合未来技术趋势4人工智能、量子计算、物联网。