《计算机科学与技术综合》课件

《计算机科学与技术综合》欢迎来到《计算机科学与技术综合》课程在本课程中，我们将深入探讨计算机科学与技术领域的关键概念和实践课程简介课程目标学习成果本课程旨在为学生提供对计算机科学与技术领域的综合性了通过本课程的学习，学生将能够解，涵盖计算机系统、操作系统、网络、数据结构、算法、•理解计算机系统的基本组成和工作原理软件工程、数据库、人工智能、图形学和安全等核心主题•掌握操作系统和网络的基本概念和技术•熟练运用数据结构和算法解决问题•掌握软件工程的开发流程和方法•了解数据库系统的设计和管理•认识人工智能的基本原理和应用•了解计算机图形学和安全的相关知识计算机科学与技术的重要性现代社会高度依赖计算机技计算机技术广泛应用于各个术，计算机科学与技术已成领域，如医疗、金融、教育为推动社会发展的重要驱动、交通和娱乐等力计算机科学与技术专业人才需求量大，就业前景广阔课程目标与学习成果培养目标培养具有扎实的计算机科学与技术基础知识，掌握计算机系统、网络、软件开发、数据库等相关理论和技能，能够胜任计算机相关领域工作的专业人才学习成果学生将能够•理解计算机系统的工作原理•设计和开发软件系统•管理和维护数据库系统•应用人工智能技术解决问题•了解计算机安全的重要性课程内容概述计算机系统基础1介绍计算机系统硬件组成、CPU工作原理、存储器层次结构、输入输出系统等操作系统原理2探讨操作系统的基本概念、进程管理、内存管理、文件系统等计算机网络基础3介绍网络协议栈、TCP/IP协议详解、网络安全概述等数据结构与算法4讲解线性表、树、图等数据结构，以及查找、排序等算法软件工程5介绍软件开发生命周期、需求分析、软件设计、软件测试等数据库系统6探讨数据库模型、关系数据库、SQL语言、数据库设计原则等人工智能基础7介绍机器学习概述、深度学习简介、神经网络模型等计算机图形学8讲解图形显示原理、三维建模、图像处理技术等编译原理9介绍编译器的结构、词法分析、语法分析、语义分析等计算机安全10探讨身份认证、访问控制、加密技术、信息隐藏技术等最新技术趋势11介绍云计算、大数据、物联网、区块链等新兴技术及其应用计算机系统基础硬件组成CPU工作原理存储器层次结构输入输出系统介绍计算机系统的硬件组成探讨CPU的结构和工作原理讲解计算机存储器的层次结介绍计算机的输入输出系统，包括CPU、内存、硬盘、，包括指令执行过程、数据构，包括寄存器、高速缓存，包括键盘、鼠标、显示器主板、显卡、声卡等运算、控制流程等、主内存、辅助存储器等、打印机等设备的工作原理计算机硬件组成中央处理器（）内存（）CPU RAM计算机的大脑，负责执行指令和处理用于存储正在运行的程序和数据，速12数据度快但容量有限声卡硬盘（HDD/SSD）63负责处理音频信号，实现声音输出用于长期存储数据，速度较慢但容和输入量较大显卡主板54负责处理图像和显示，提升图形性能连接计算机各个组件的电路板，提供数据传输通道中央处理器（）的工作原理CPU指令获取从内存中获取指令，并将其加载到指令寄存器指令译码将指令分解为CPU可以理解的操作码和操作数指令执行根据指令码执行相应的操作，如算术运算、逻辑运算、数据传输等结果存储将操作结果存储到相应的寄存器或内存中存储器的层次结构寄存器速度最快，容量最小，用于存储CPU正在使用的变量和中间结果高速缓存（）Cache速度较快，容量较小，用于存储近期使用过的指令和数据，提高访问速度主内存（）RAM速度中等，容量中等，用于存储正在运行的程序和数据辅助存储器（硬盘）速度最慢，容量最大，用于长期存储数据输入输出系统键盘鼠标显示器打印机用于输入字符、数字和控制用于移动光标、选择对象、用于显示图形和文本信息用于将电子文档打印到纸张命令控制图形界面上操作系统原理内核1操作系统核心，管理计算机硬件资源和提供系统服务系统调用2应用程序与内核交互的接口，提供系统功能调用系统库3提供一些常用的系统功能和数据结构，方便应用程序使用应用程序4用户使用的各种软件，例如浏览器、办公软件、游戏等操作系统的作用1管理计算机硬件资源，如CPU、内存、硬盘、输入输出设备等2提供用户界面，方便用户操作计算机3管理应用程序，提供运行环境和资源分配4负责文件管理、网络通信、安全防护等功能进程管理进程的概念进程控制进程调度进程是程序在内存中运行的实例，拥操作系统负责创建、终止、挂起、恢操作系统根据一定的算法选择下一个有独立的地址空间和资源复进程，以及进程间的通信和同步要执行的进程，以提高系统效率内存管理内存分配1操作系统负责将内存空间分配给各个进程，保证进程之间的独立性内存保护2操作系统负责保护进程的内存空间，防止进程之间相互干扰虚拟内存3通过虚拟内存技术，操作系统可以将部分数据存储在硬盘上，以扩展内存空间文件系统123文件组织文件访问文件系统类型操作系统负责组织和管理文件，以方便操作系统提供文件读写操作，并负责文常见的文件系统类型包括FAT、NTFS、用户访问和管理数据件安全和权限管理EXT等计算机网络基础局域网广域网无线网络计算机网络可以连接不同地点的计算机，实现数据共享、资源访问和远程通信网络协议栈应用层负责用户应用程序与网络通信的交互，例如电子邮件、网页浏览等传输层提供可靠的数据传输服务，确保数据的完整性和顺序性网络层负责网络数据的路由和转发，将数据从源主机传送到目标主机数据链路层负责物理链路的连接和数据帧的封装与解封装物理层负责将数据比特流转换成电信号，并在物理介质上传输协议详解TCP/IP协议协议TCP IP面向连接的协议，提供可靠的数据传输服务，保证数据的顺无连接的协议，负责网络数据的路由和转发，将数据从源主序性和完整性机传送到目标主机网络安全概述1网络安全是指保护网络系统2常见的网络威胁包括病毒、和信息免受各种威胁的措施木马、黑客攻击、数据泄露等3网络安全的目标是确保网络系统的保密性、完整性和可用性常见网络攻击与防御拒绝服务攻击攻击者向目标服务器发送大量请求，使其无法正常响应合法用户的请求SQL注入攻击攻击者通过向数据库服务器提交恶意SQL语句，获取敏感数据或破坏数据库跨站脚本攻击攻击者通过在网站中插入恶意脚本，窃取用户的敏感信息或执行其他恶意操作防御措施采取防火墙、入侵检测系统、安全扫描、数据加密等措施，加强网络安全防护数据结构与算法线性表1线性表是一种线性结构，数据元素之间存在一对一的关系树2树是一种非线性结构，数据元素之间存在一对多的关系，具有层次结构图3图是一种非线性结构，数据元素之间可以是任意的关系，适合表示网络和关系查找算法4查找算法用于在数据集合中查找特定元素排序算法5排序算法用于将数据元素按照一定顺序进行排列线性表概念操作应用线性表是一种线性结线性表的基本操作包线性表广泛应用于各构，数据元素之间存括插入、删除、查找种应用程序，例如数在一对一的关系，可、排序等据库管理、文本处理以用数组、链表等实、系统管理等现树搜索树2支持快速查找、插入和删除操作，常用于实现字典、索引等二叉树1每个节点最多有两个子节点，是树结构中最常见的一种树遍历常用的树遍历方法包括先序遍历、中3序遍历和后序遍历图图的定义图是由顶点集合和边集合构成的，顶点表示数据元素，边表示顶点之间的关系图的存储常用的图存储方法包括邻接矩阵和邻接表图的遍历常用的图遍历方法包括深度优先搜索和广度优先搜索图的应用图广泛应用于各种领域，例如社交网络、交通网络、物流网络等查找算法顺序查找二分查找哈希查找从线性表中第一个元素开始逐个比较适用于有序线性表，每次将查找范围根据元素的键值计算一个哈希地址，，直到找到目标元素或遍历完整个表缩小一半，提高查找效率快速找到对应元素排序算法冒泡排序相邻元素两两比较，插入排序将待排序元素插入到选择排序每次从待排序序列中将较大的元素交换到后面，直到已排序序列的合适位置，直到整选出最小元素，放到已排序序列整个表有序个表有序的末尾，直到整个表有序归并排序将待排序序列递归地分成两半，分别排序，快速排序通过选取一个基准元素，将待排序序列分成再将两个有序序列合并成一个有序序列两部分，一部分小于基准元素，另一部分大于基准元素，递归排序这两部分软件工程软件开发生命周期1软件开发生命周期是指软件开发过程中的各个阶段，包括需求分析、设计、编码、测试、部署和维护需求分析2确定软件的功能需求、性能需求、用户需求等软件设计3根据需求分析的结果，设计软件的架构、模块划分、数据结构、算法等软件测试4对软件进行各种测试，以确保软件质量和性能软件开发生命周期需求分析通过与用户沟通，了解用户的需求，并将其转化为软件功能需求软件设计根据需求分析的结果，设计软件的架构、模块划分、数据结构、算法等软件编码根据设计文档，使用编程语言编写软件代码软件测试对软件进行各种测试，以确保软件质量和性能软件部署将软件部署到生产环境，供用户使用软件维护对软件进行维护，以修复错误、改进功能、适应新的需求需求分析用户需求业务需求功能需求了解用户对软件的功分析软件要满足的业详细描述软件要实现能、性能和界面等方务目标和流程的具体功能面的期望性能需求定义软件的响应时间、吞吐量、并发用户数等性能指标软件设计数据库设计2设计软件使用的数据库，包括数据库结构、数据模型、关系设计等架构设计1设计软件的整体架构，包括模块划分、组件关系、技术选型等界面设计设计软件的用户界面，包括布局、交3互方式、视觉风格等软件测试单元测试测试软件的每个模块的功能和代码质量集成测试测试不同模块之间的交互和接口是否正确系统测试测试整个软件系统的功能和性能是否满足需求验收测试由用户进行的测试，以确认软件是否满足其需求数据库系统数据库模型1数据库模型是数据库系统的逻辑结构，描述数据之间的关系和组织方式关系数据库2关系数据库是一种常用的数据库模型，将数据存储在二维表格中SQL语言3SQL语言是用于关系数据库的标准查询语言，用于操作和管理数据库数据数据库设计原则4数据库设计遵循一些原则，例如规范化、一致性、完整性等数据库模型层次模型网状模型关系模型数据以树状结构组织，每个节点只有数据以网状结构组织，每个节点可以数据以二维表格形式组织，每个表格一个父节点，可以有多个子节点有多个父节点和子节点，关系复杂表示一个关系，数据之间通过主键和外键关联关系数据库1将数据存储在二维表格中，每个表格表示一个关系2每个表格包含多个列，每个列表示一个属性3每个表格的每一行表示一个元组，代表一个实体4关系数据库通过主键和外键关联，实现数据之间的联系语言SQL数据查询数据插入使用SELECT语句查询数据，可以进行各种条件筛选和排序使用INSERT语句插入新的数据记录到数据库数据更新数据删除使用UPDATE语句更新数据库中已有数据记录使用DELETE语句删除数据库中不需要的数据记录数据库设计原则规范化将数据库中的数据进行规范化，减少数据冗余，提高数据一致性和完整性一致性数据库中的数据必须保持一致，避免出现矛盾或冲突完整性确保数据库中数据的准确性、可靠性和完整性安全性和保密性保护数据库数据安全，防止数据泄露和非法访问人工智能基础机器学习深度学习自然语言处理人工智能是计算机科学的一个分支，研究如何让计算机像人类一样思考和学习机器学习概述监督学习使用标注数据训练模型，例如分类、回归等无监督学习使用未标注数据训练模型，例如聚类、降维等强化学习通过与环境交互，学习最优策略，例如游戏、机器人控制等深度学习简介深度学习模型应用领域深度学习模型通常包含多个层次的神经网络，能够学习复杂深度学习广泛应用于图像识别、语音识别、自然语言处理、的特征模式机器翻译等领域神经网络模型1神经网络模型是由多个神经2每个神经元接收输入信号，元组成的网络，模拟人类神进行加权求和，并通过激活经系统的工作方式函数输出信号3神经网络通过学习调整权重和激活函数参数，以提高模型的预测能力计算机图形学图形显示原理1研究计算机如何生成和显示图像，包括图形硬件、图形软件和图形算法三维建模2创建三维模型，包括几何建模、材质渲染、动画制作等图像处理技术3对图像进行处理，例如图像增强、图像分割、图像压缩等图形显示原理像素帧缓冲区1图像的最小单位，每个像素由红、绿存储显示器的图像数据，每个像素对

2、蓝三种颜色组成应一个颜色值显卡刷新率4负责处理图像数据，并将图像数据输3显示器每秒刷新图像的次数，刷新率出到显示器越高，图像越流畅三维建模几何建模材质渲染动画制作使用几何模型创建三维物体，包括点为三维模型添加材质，模拟真实物体创建三维模型的动画，例如旋转、移、线、面、体等的表面外观，如颜色、纹理、光泽等动、变形等图像处理技术图像增强图像分割改善图像的质量，例如提高对将图像分割成不同的区域，例比度、锐化边缘、消除噪声等如识别目标物体、提取图像特征等图像压缩减少图像数据量，提高图像传输和存储效率编译原理词法分析将源代码分解成一个个单词，例如标识符、关键字、运算符等语法分析检查源代码的语法结构是否正确，例如判断语句、表达式是否符合语法规则语义分析检查源代码的语义是否正确，例如判断类型匹配、变量声明是否合法代码优化对生成的中间代码进行优化，提高代码效率和性能代码生成将中间代码转换成目标机器代码，可以运行在特定的计算机上编译器的结构词法分析器将源代码分解成一个个单词语法分析器检查源代码的语法结构是否正确语义分析器检查源代码的语义是否正确中间代码生成器将源代码转换成中间代码代码优化器对中间代码进行优化代码生成器将中间代码转换成目标机器代码词法分析关键字标识符运算符具有特定含义的单词用户定义的名称，例执行运算操作的符号，例如if、else、如变量名、函数名等，例如+、-、*、/等while等符号其他特殊字符，例如括号、分号、逗号等语法分析使用语法规则检查源代码的语法规则可以用上下文无关语法结构是否正确文法描述，例如BNF、EBNF等常用的语法分析方法包括自顶向下分析和自底向上分析语义分析类型检查作用域检查符号表检查变量和表达式的类型是否匹配，检查变量和函数的使用范围是否合法存储程序中所有标识符的类型、作用例如整数与字符串不能进行加法运算，例如局部变量不能在全局范围内使域等信息，供语义分析使用用计算机安全身份认证1验证用户身份，防止非法用户访问系统资源访问控制2限制用户对系统资源的访问权限，确保数据安全加密技术3对数据进行加密，防止数据被窃取或篡改信息隐藏技术4将信息隐藏在其他数据中，防止信息被发现身份认证12用户名/密码认证生物识别认证用户输入用户名和密码，系统验证使用指纹、人脸、虹膜等生物特征密码是否正确进行身份验证3双因素认证用户需要提供两种不同的身份验证因素，例如密码和手机短信验证码访问控制基于角色的访问控制基于属性的访问控制根据用户的角色分配不同的访根据用户的属性分配不同的访问权限问权限，例如年龄、部门、职位等访问控制列表定义允许或拒绝访问资源的规则，例如防火墙规则加密技术对称加密非对称加密哈希算法使用相同的密钥进行使用公钥加密，私钥将任意长度的数据转加密和解密解密，适合数字签名换成固定长度的哈希和密钥交换值，用于校验数据完整性信息隐藏技术隐写术将信息隐藏在其他数据中，例如图片、音频、视频等，不易察觉数字水印将信息嵌入数字媒体，用于版权保护和身份认证最新技术趋势云计算1将计算资源、存储资源、网络资源等集中管理，并通过网络提供给用户大数据2指海量数据，需要新的技术来处理和分析这些数据，例如Hadoop、Spark等物联网3指通过网络连接各种设备，实现数据采集、监控、控制等功能区块链4一种去中心化的分布式账本技术，可以记录交易信息，保证数据安全和可信云计算云计算服务云计算优势包括IaaS、PaaS、SaaS三种主要服务模式可扩展性强、成本效益高、灵活性和便捷性好大数据大数据分析是指对海量数据大数据应用广泛，例如市场进行分析，提取有价值的信营销、风险控制、医疗诊断息和洞察、科学研究等大数据分析需要使用分布式计算、数据挖掘、机器学习等技术物联网传感器网络连接应用服务收集物理世界的数据，例如温度、湿度通过网络将设备连接起来，实现数据传提供各种应用服务，例如智能家居、智、光线等输和交互慧城市、工业自动化等区块链分布式账本数据存储在多个节点上，每个节点都有一份完整的账本记录去中心化没有中心化的机构控制，每个节点都拥有相同的权限不可篡改一旦数据记录到区块链上，就无法修改或删除透明可追溯所有交易记录都公开透明，可以追溯历史信息未来发展展望计算机科学与技术领域将不断发展，未来将出现更多新技术和应用人工智能、量子计算、生物计算等技术将进一步改变人们的生活和工作方式未来，计算机科学与技术将继续引领社会进步和科技发展。