《计算机科学概要》课件

计算机科学概要课程介绍本课程将带您深入了解计算我们将从算法和数据结构开机科学的基础知识，涵盖核始，并深入探讨编程范式、心概念、重要领域和最新趋编程语言和操作系统基础势课程还将介绍计算机网络、数据库、人工智能和软件工程等重要领域，以及未来发展趋势如量子计算和生物计算计算机科学是什么？定义核心目标计算机科学是一门研究计算和信息处理的学科，涵盖理论、设计、开发和分析计算系统，解决问题、处理信息和促进创算法、数据结构、编程语言和软件开发新计算机科学的应用领域软件开发计算机网络人工智能开发各种应用程序，包研究网络协议、数据通开发智能系统，包括机括网站、移动应用、游信和网络安全，构建和器学习、深度学习和自戏和系统软件维护网络基础设施然语言处理数据科学利用数据分析、机器学习和统计方法，提取有价值的信息和洞察力计算机科学的核心概念算法1一系列步骤，用来解决特定问题数据结构2组织和存储数据的方式编程语言3用来编写计算机程序的符号系统操作系统4管理计算机硬件和软件资源的系统计算机网络5连接多个计算机，实现数据共享和通信算法与数据结构算法数据结构解决问题的步骤，如排序、搜索、查找等组织和存储数据的方式，如数组、链表、树、图等算法的定义与特性定义算法是一系列步骤，用来解决特定问题或完成特定任务特性明确性、有限性、可行性、输入和输出常见算法介绍（排序、搜索）排序1将数据按照特定顺序排列，如冒泡排序、插入排序、快速排序等搜索2在数据集合中查找特定元素，如线性搜索、二分搜索等数据结构类型（数组、链表、树、图）数组链表存储固定大小、同类型数据的线性集合存储动态大小、同类型数据的线性集合，每个元素包含数据和指向下一个元素的指针树图一种层次化的数据结构，每个节点包含数据和指向子节点的指一种由节点和边组成的非线性数据结构，用于表示节点之间的针，用于表示层次关系关系数据结构的选择与应用选择标准根据问题需求选择最适合的数据结构，例如数组适合存储固定大小、随机访问的数据；链表适合存储动态大小、插入和删除频繁的数据；树适合表示层次关系；图适合表示节点之间的关系应用场景数组常用于存储有序数据；链表常用于实现栈和队列；树常用于搜索和排序；图常用于表示社交网络和交通网络编程范式面向对象编程2将程序分解成对象，对象包含数据和方法，重点在于对象之间的交互面向过程编程程序按照顺序执行，重点在于解决1问题步骤函数式编程将程序视为数学函数的组合，重点在3于数据的变换和操作面向过程编程步骤分解将问题分解成一系列步骤，并按照顺序执行函数使用使用函数封装代码，提高代码复用性数据传递通过变量和参数传递数据面向对象编程对象1程序的基本单元，包含数据和方法类2对象的模板，定义对象的属性和行为继承3子类继承父类的属性和行为多态4同一方法，根据对象类型执行不同的操作函数式编程函数1将程序视为数学函数的组合数据不变性2数据不可变，保证程序的确定性和可预测性递归3使用递归函数进行代码编写高阶函数4函数可以作为参数传递，或作为返回值返回编程语言介绍语言基础C特性语法结构化、过程化的编程语言，高效、灵活，可用于系统编程关键字、数据类型、运算符、控制结构、函数等和嵌入式开发语言基础Java12面向对象平台无关支持面向对象编程，并提供丰富的采用一次编写，到处运行的理念“”类库3安全性内置安全机制，保护代码和数据安全语言基础Python易学易用广泛应用语法简洁、易于学习，适合快应用于数据科学、机器学习、速开发开发等多个领域Web丰富的库拥有丰富的第三方库，可以快速完成各种任务编程环境搭建集成开发环境文本编辑器提供代码编辑、编译、调试等功能的工具用于编写代码，如、、Sublime TextAtom VisualStudio Code等操作系统基础定义1管理计算机硬件和软件资源的系统功能2提供用户界面、管理进程、内存、文件系统、网络等操作系统的定义与功能定义功能操作系统是计算机系统中最重要的软件，它管理硬件资源和提供用户界面，管理进程、内存、文件系统、网络、设备驱软件资源，并为用户提供使用计算机系统的接口动程序等进程管理进程概念正在运行的程序，包含程序代码、数据和资源进程调度决定哪个进程运行，以及运行时间进程通信进程之间相互传递信息进程同步协调多个进程，保证数据一致性内存管理分配回收1将内存分配给不同进程回收不再使用的内存2共享保护43允许进程共享内存区域防止进程访问其他进程的内存文件系统文件组织1将文件存储在磁盘上的方式文件操作2提供创建、删除、读、写、查找等文件操作目录管理3管理文件目录结构访问控制4控制用户对文件的访问权限计算机网络基础定义分类连接多个计算机，实现数据局域网（）、广域网（LAN共享和通信的系统）、互联网（WAN Internet）等组成网络设备、网络协议、网络服务等网络协议（）TCP/IPTCP IP传输控制协议，提供可靠的、面向连接的传输服务互联网协议，负责数据包的路由和寻址网络拓扑总线型所有设备连接到一条公共传输线星型所有设备连接到一个中心设备环型所有设备连接成一个闭合环树型层次化的网络结构网络安全防火墙安全软件加密技术阻止来自外部网络的恶意访问检测和清除病毒、木马等恶意软件保护数据传输和存储安全数据库基础定义1用于存储、管理和检索数据的系统分类2关系型数据库、数据库、分布式数据库等NoSQL应用3用于存储和管理各种数据，如用户信息、商品信息、财务数据等数据库模型（关系型数据库、数据库）NoSQL关系型数据库基于关系代数和语言，数据存储在二维表格中SQL数据库NoSQL非关系型数据库，提供灵活的数据存储和查询方式，适用于海量数据、高并发场景语言基础SQL123数据定义语言（）数据操纵语言（）数据控制语言（）DDL DMLDCL创建、修改和删除数据库对象，如表、插入、更新、删除和查询数据管理数据库访问权限和安全性视图、索引等数据库设计原则规范化完整性安全性将数据分解成更小的、独立的单元，保证数据的准确性、一致性和完整性保护数据库和数据的安全，防止非法避免数据冗余和冲突访问和修改人工智能导论机器学习1通过数据训练，让计算机学习和预测深度学习2利用神经网络，模拟人脑学习过程自然语言处理3让计算机理解和处理自然语言计算机视觉4让计算机“看”懂图像和视频机器人学5设计和控制机器人机器学习监督学习无监督学习强化学习根据已标注的数据进行训练，预从未标注的数据中寻找规律和模通过试错和奖励，让计算机学习测新的数据式策略深度学习神经网络1模拟人脑神经网络，学习和预测数据卷积神经网络2用于图像识别和自然语言处理循环神经网络3用于处理时序数据，如语音识别和文本生成自然语言处理文本分类将文本分类到不同的类别情感分析识别文本的情感倾向机器翻译将一种语言翻译成另一种语言问答系统回答用户提出的问题计算机图形学模型游戏角色游戏场景3D三维物体的数字化表示，用于游戏、动虚拟人物的模型，包括外观、动作和行游戏环境的模型，包括建筑、地形、物画、电影等为体等图形学基本概念图形数据图形的数字化表示，如点、线、面、颜色等图形变换对图形进行平移、旋转、缩放等变换图形渲染将图形数据转换为图像图形交互用户与图形进行交互，如鼠标点击、键盘输入等图形渲染光照模拟光线照射模型，产生阴影和反光模型21效果将三维模型转化为二维图像材质定义模型的表面材质，如颜色、纹3理、光泽等5后期处理对渲染后的图像进行后期处理，如调阴影4整颜色、添加特效等渲染模型产生的阴影图像处理图像增强1提高图像的质量，如亮度、对比度、锐化等图像分割2将图像分成不同的区域图像识别3识别图像中的物体和场景图像压缩4减少图像数据量，便于存储和传输软件工程基础定义目标将工程化方法应用于软件开提高软件质量、降低开发成发的学科本、缩短开发周期内容软件开发流程、软件测试、软件项目管理等软件开发生命周期需求分析1确定软件需求，明确功能和性能指标设计2设计软件架构、模块和界面编码3编写代码，实现软件功能测试4测试软件功能和性能部署5将软件部署到运行环境维护6修复软件缺陷，更新功能软件测试单元测试集成测试系统测试验收测试测试软件的最小单位，如测试多个模块之间的交互测试整个软件系统由用户进行的测试，验证函数和模块软件是否符合需求软件项目管理项目计划制定项目目标、范围、进度和预算资源管理管理项目所需的人员、资金、设备等资源风险管理识别、分析和应对项目风险沟通管理与项目成员、客户和利益相关者进行有效沟通计算机体系结构存储器输入输出系统CPU中央处理器，负责执行程序指令存储程序代码、数据和操作系统负责数据的输入和输出结构CPU算术逻辑单元（）ALU执行算术和逻辑运算控制单元（）CU控制程序的执行顺序寄存器存储临时数据，如运算结果、地址等指令缓存存储最近执行过的指令数据缓存存储最近访问过的数据存储器结构主存储器1直接与交互，速度快，容量小，如内存CPU辅助存储器2速度慢，容量大，如硬盘、SSD缓存3速度快，容量小，用于存储最近访问过的数据输入输出系统输入设备输出设备键盘、鼠标、扫描仪等显示器、打印机、音箱等并行计算定义优势使用多个处理器同时执行任提高计算速度、处理更大规务，提高计算效率模的数据应用科学计算、机器学习、图像处理等并行计算模型SIMD单指令多数据，多个处理器执行相同的指令，操作不同的数据MIMD多指令多数据，多个处理器可以执行不同的指令，操作不同的数据并行算法设计数据分解将数据分解成多个部分，分配给不同的处理器任务分配将计算任务分配给不同的处理器数据同步协调多个处理器之间的通信，保证数据的一致性分布式系统12定义优势由多个计算机组成，协同工作完成提高可用性、可扩展性、容错性任务的系统3应用云计算、大数据、互联网等理论计算机科学计算理论1研究计算的本质和极限形式语言与自动机2研究形式语言的结构和性质，以及自动机的理论算法复杂度分析3分析算法的性能，包括时间复杂度和空间复杂度计算理论可计算性复杂度研究哪些问题可以通过计算机解决研究解决问题所需的时间和空间资源形式语言与自动机形式语言由符号和规则定义的语言，如编程语言自动机抽象的计算模型，用于识别形式语言中的字符串算法复杂度分析时间复杂度空间复杂度算法执行时间随输入规模变化的趋势算法执行过程中所需内存空间随输入规模变化的趋势未来发展趋势量子计算原理优势利用量子力学原理，进行信解决传统计算机无法解决的息处理复杂问题，如药物研发、材料科学等挑战技术难度高，成本高，应用场景有限生物计算定义1利用生物材料和生物系统进行计算优势2高并行性、低能耗、可自修复应用3药物研发、疾病诊断、环境监测等类脑计算目标方法应用模仿人脑结构和功能，构建更智能的神经形态芯片、神经网络算法等人工智能、机器人、自动驾驶等计算系统。