[工学]计算机科学与技术导论课件

计算机科学与技术导论计算机科学与技术导论是计算机专业的基础必修课程，旨在系统地介绍计算机科学的基本理论与知识体系本课程将为学生后续的专业课程学习打下坚实的理论基础和实践基础课程目标1掌握基本概念与理论系统学习计算机的基本概念、理论原理和核心方法，建立扎实的理论基础，为深入学习专业知识做好准备2了解学科特点与发展深入理解计算机科学的学科特点、发展历史与技术变革，培养对学科发展趋势的敏锐洞察力3培养专业兴趣与态度激发学生对计算机科学的学习兴趣，培养严谨规范的科学态度和良好的学术素养为后续课程做准备课程大纲计算机基础知识介绍计算机的基本概念、发展历程、学科特点，以及计算机科学的知识体系和研究方法计算机硬件系统深入学习CPU、存储器、输入输出设备等硬件组成，理解计算机的物理结构和工作原理计算机软件系统系统学习操作系统、编程语言、数据库等软件技术，掌握软件开发的基本理论与方法计算机应用技术了解人工智能、大数据、云计算、物联网等前沿应用技术的基本原理和发展趋势第一部分计算机科学概述理论基础技术实践计算机科学建立在数学、逻辑学等理论基础之上，形成了独通过编程实践、系统开发、工程应用等方式，将理论知识转特的理论体系包括计算理论、算法分析、形式化方法等核化为实际的技术解决方案，体现了学科的实用性特征心理论内容计算机科学作为一门新兴的交叉学科，融合了数学、工程学、自然科学等多个领域的知识和方法它既有严谨的理论基础，又有丰富的实践应用，是现代信息社会发展的重要推动力量什么是计算机自动处理高速运算数据存储按照预先存储的程序以极高的速度进行数具备大容量的数据存指令，自动执行各种值计算和逻辑运算处储和快速检索能力数据处理任务理系统集成硬件与软件协同工作，形成完整的信息处理系统计算机科学的学科特点快速更新迭代交叉学科特性技术发展日新月异，新概与数学、物理、生物、心理念、新方法、新技术不断涌学等多个学科深度融合，产理论与实践结合应用领域广泛现，要求持续学习和适应变生新的研究领域和应用方化向既有严密的数学理论基础，在科学研究、工业生产、商又有丰富的工程实践应用，业服务、社会管理等各个领理论指导实践，实践验证理域都有重要应用和深远影论响计算机科学的知识体系应用技术人工智能、大数据、云计算等前沿应用数据与知识数据库、数据挖掘、知识工程软件与程序设计编程语言、软件工程、系统设计硬件与体系结构计算机组成、体系结构、嵌入式系统计算理论基础算法、数据结构、计算复杂性理论第二部分计算机发展历史1史前计算工具从结绳记事到算盘，人类探索计算工具的早期尝试为现代计算机的发明奠定了思想基础2机械计算时代17-19世纪机械计算器的发明，标志着自动化计算思想的萌芽和机械工程技术的应用3电子计算机诞生20世纪中期电子技术的突破，催生了第一台真正意义上的电子数字计算机机械计算时代算盘的发明与应用算盘作为最早的计算工具之一，在中国古代就被广泛使用它采用珠算方法进行加减乘除运算，体现了早期人类对计算自动化的探索和实践，为后来计算机的发展提供了重要的思想启发帕斯卡与莱布尼茨的贡献17世纪，帕斯卡发明了第一台机械加法器，莱布尼茨进一步改进为能进行四则运算的计算器这些发明标志着机械计算时代的到来，为自动化计算奠定了技术基础巴贝奇的差分机与分析机19世纪英国数学家巴贝奇设计的差分机和分析机，首次提出了程序控制计算的概念分析机具备了现代计算机的基本要素输入、处理、输出和存储，被誉为现代计算机的雏形电子计算机诞生ENIAC的问世1946年，美国宾夕法尼亚大学研制成功ENIAC，标志着电子数字计算机时代的开始它重达30吨，占地167平方米，运算速度比机械计算器提高了上千倍冯·诺依曼架构1945年，冯·诺依曼提出了存储程序计算机的设计方案，确立了现代计算机的基本架构程序和数据统一存储，顺序执行指令的工作方式图灵的理论贡献图灵机理论为计算理论奠定了数学基础，图灵测试为人工智能研究指明了方向，这些理论成果深刻影响了计算机科学的发展轨迹计算机发展的四个世代第一代电子管时代1946-1957年，使用电子管作为基本器件，体积庞大，功耗高，但奠定了电子计算机的基础第二代晶体管时代1958-1964年，晶体管替代电子管，计算机体积缩小，可靠性提高，标志着固态电子技术的应用第三代集成电路时代1965-1971年，集成电路技术使计算机小型化成为可能，处理能力大幅提升，成本显著降低第四代大规模集成电路1972年至今，微处理器的发明使个人计算机成为现实，计算机真正走入千家万户计算机产业的形成大型机时代个人电脑革命IBM等公司主导的大型机市场，计算微软和苹果公司推动个人电脑普及，机主要服务于政府机构和大型企业，使计算机从专业工具转变为大众消费奠定了计算机产业的商业基础品，彻底改变了计算机产业格局移动计算时代互联网浪潮智能手机和平板电脑的普及，开启了互联网技术的兴起催生了新的商业模移动互联网时代，计算无处不在成为式，网络服务、电子商务等新兴产业现实快速发展中国计算机的发展历程起步阶段（1956-1970）1956年，中国第一台电子管计算机103机研制成功，标志着中国计算机事业的起步随后相继研制出多台计算机，为国防和科研提供了重要支撑发展阶段（1980-2000）改革开放后，计算机教育普及，产业化进程加快联想、方正等民族品牌崛起，计算机开始进入普通家庭和中小企业创新阶段（2000至今）进入21世纪，中国在超级计算机、芯片设计、人工智能等领域取得重大突破，从跟随者逐步转变为创新引领者第三部分计算机系统组成系统观念计算机系统是一个复杂的整体，由硬件和软件两大子系统组成硬件提供物理平台，软件实现功能逻辑，两者相互依存、协调工作理解系统观念对于掌握计算机工作原理至关重要只有从整体角度分析各组件之间的关系，才能深入理解计算机的运行机制计算机系统的基本组成硬件系统软件系统包括中央处理器、存储器、输由系统软件和应用软件组成，入输出设备等物理组件，构成包括操作系统、编程语言、应了计算机的物理基础，负责指用程序等，为用户提供操作界令的执行和数据的处理面和功能服务协同工作硬件和软件通过指令系统架构（ISA）进行交互，软件指令控制硬件执行，硬件状态反馈给软件系统计算机的工作原理二进制编码存储程序指令执行冯·诺依曼架构计算机内部所有信息都用二程序和数据统一存储在内存CPU循环执行取指、译码、现代计算机普遍采用的基本进制表示，包括数字、文中，CPU按顺序读取并执行执行、回写四个基本步骤架构，确保了系统的通用性字、图像、声音等指令第四部分计算机硬件系统中央处理器计算机的核心组件，负责指令的解析和执行，决定了计算机的运算能力和处理速度存储系统包括主存储器和辅助存储器，构成了计算机的存储层次结构，确保数据的快速访问和长期保存输入输出设备实现人机交互的重要接口，将外部信息转换为计算机可处理的格式，并将处理结果呈现给用户计算机硬件的组成部分中央处理器（CPU）计算机的大脑，负责指令的获取、解码和执行包含算术逻辑单元、控制单元和寄存器组，决定了计算机的运算速度和处理能力存储器系统分为主存储器和辅助存储器主存储器提供高速数据访问，辅助存储器提供大容量数据保存，形成完整的存储层次结构输入/输出设备实现计算机与外部环境的信息交换输入设备将外部信息转换为数字信号，输出设备将计算结果转换为人类可理解的形式系统总线连接各个硬件组件的通信通道，包括数据总线、地址总线和控制总线，确保各组件之间的协调工作中央处理器（）CPU控制单元算术逻辑单元负责指令的获取、解码和执行控制，协调执行各种算术运算和逻辑运算，包括加减整个计算机系统的工作流程，确保各组件乘除、位运算、比较运算等基本数据处理按正确顺序运行操作高速缓存寄存器组位于CPU和主存之间的缓冲存储器，通过CPU内部的高速存储单元，暂时保存指预测和缓存常用数据来提高系统整体性令、数据和中间运算结果，为CPU提供最能快速的数据访问性能指标CPU

3.2GHz8主频核心数CPU的时钟频率，决定处理器执行指令的速度现代处理器的计算核心数量，支持并行处理位16MB64缓存容量指令集架构L3缓存大小，影响数据访问效率处理器支持的指令集位数，决定寻址能力存储器系统寄存器最快速的存储，容量最小高速缓存L1/L2/L3缓存，平衡速度与容量主存储器内存RAM，程序运行的工作空间辅助存储器硬盘、SSD等，大容量数据存储输入设备键盘鼠标触摸屏图像输入最基本和常用的输入直接触控交互方式，扫描仪、数码相机等设备，提供文字输入广泛应用于移动设备设备，将图像信息数和指针控制功能和一体机字化输入声音传感器麦克风和各种传感器，采集声音和环境数据输出设备输出设备将计算机处理的数字信息转换为人类可以感知的形式显示器提供视觉输出，打印机生成纸质文档，扬声器播放声音，而新兴的AR/VR设备则创造了沉浸式的输出体验总线系统数据总线负责在CPU、内存和其他设备之间传输数据信息，总线宽度决定了一次传输的数据量，通常为32位或64位地址总线传输内存地址和I/O设备地址信息，地址总线的宽度决定了系统可寻址的最大内存空间控制总线传输控制信号，包括读写控制、时钟信号、中断信号等，协调各组件的工作时序总线标准PCI、PCIe、USB、SATA等标准化接口，确保不同厂商设备之间的兼容性和互操作性第五部分计算机软件系统软件的重要性如果说硬件是计算机的身体，那么软件就是计算机的灵魂没有软件，再强大的硬件也只是一堆没有生命的电子器件软件赋予了计算机思考和处理问题的能力软件系统的复杂程度往往决定了计算机系统的功能强弱从简单的计算器程序到复杂的操作系统，软件的发展推动着整个计算机技术的进步软件的分类应用软件1直接为用户提供服务的软件，如办公软件、图形处理、游戏娱乐等开发工具程序员使用的编译器、调试器、集成开发环境等软件开发工具系统软件管理和控制计算机硬件的基础软件，包括操作系统、驱动程序等软件分类体现了计算机系统的层次结构系统软件为上层软件提供运行环境和基础服务，开发工具帮助程序员创建新的软件，应用软件则直接满足用户的各种需求操作系统资源管理统一管理CPU、内存、硬盘等硬件资源，合理分配给各个应用程序使用，确保系统稳定高效运行用户界面为用户提供友好的操作界面，包括图形界面和命令行界面，让用户能够方便地操作计算机任务调度管理多个程序的并发执行，通过进程调度算法确保各个任务都能获得合理的运行时间安全保护提供文件权限管理、用户身份验证等安全机制，保护系统和数据的安全性编程语言机器语言完全由0和1组成的二进制代码，直接被CPU识别和执行这是计算机能够理解的最基本语言，但对人类来说极其难以阅读和编写，通常只在系统最底层使用汇编语言使用助记符和符号来表示机器指令的低级编程语言相比机器语言更易读写，但仍然与具体硬件密切相关，需要汇编器将其转换为机器代码高级语言接近自然语言和数学表达式的编程语言，如C、Java、Python等具有良好的可读性和可移植性，需要编译器或解释器转换为机器可执行的代码常见编程语言C/C++Java Python系统级编程的跨平台的面向简洁易学的解首选语言，广对象语言，企释型语言，在泛用于操作系业级应用开发数据科学和人统、嵌入式系的主流选择工智能领域应统和高性能应用广泛用开发JavaScriptWeb开发的核心语言，支持前端交互和后端服务开发数据结构与算法基础数据结构高级数据结构数组、链表、栈、队列等基本数据组树、图、散列表等复杂数据结构，能织方式，为复杂数据处理提供基础支够高效地组织和检索大量数据，支持撑，是程序设计的重要基石复杂的算法实现复杂度分析算法设计时间复杂度和空间复杂度分析，帮助分治、动态规划、贪心、回溯等算法程序员评估算法效率，选择最优的解设计策略，为解决复杂问题提供系统决方案性的思维方法软件工程1需求分析深入理解用户需求，制定详细的功能规格说明，确保开发方向正确2系统设计基于需求进行架构设计和详细设计，制定技术方案和实现策略3编码实现按照设计文档进行程序编写，遵循编码规范和最佳实践4测试维护进行全面测试确保质量，并在软件发布后提供持续维护和更新数据库系统关系数据库非关系数据库基于表格结构的数据组织方式，使用SQL语言进行数据操适应大数据和高并发场景的新型数据库包括文档型、键值作具有严格的数据一致性和完整性保证，广泛应用于传统对型、列族型等多种类型，具有良好的扩展性和灵活性的企业信息系统•MySQL、PostgreSQL等开源数据库•MongoDB文档数据库•Oracle、SQL Server等商业数据库•Redis内存数据库•ACID特性保证数据可靠性•适合互联网应用场景第六部分计算机网络亿5080%5G全球网民数量移动网络占比第五代移动通信截至2023年，全球互联网用户已超过50亿移动设备已成为主要的网络接入方式5G网络正在全球范围内快速部署人计算机网络技术的发展彻底改变了人类的信息交流方式从早期的局域网到今天的全球互联网，网络技术让世界变成了真正的地球村，信息的传播不再受地理位置的限制计算机网络基础网络定义与分类计算机网络是通过通信链路连接的计算机集合按照覆盖范围可分为局域网LAN、城域网MAN、广域网WAN和互联网等不同类型网络拓扑结构描述网络中节点连接方式的几何形状，包括总线型、星型、环型、网状型等，每种拓扑都有其特定的优缺点和应用场景传输介质网络通信的物理载体，包括有线介质双绞线、同轴电缆、光纤和无线介质无线电波、微波、红外线等多种类型网络协议规定网络通信规则的标准集合，确保不同设备之间能够正确理解和交换信息，是网络互联互通的基础网络体系结构应用层1HTTP、FTP、SMTP等应用协议表示层数据加密、压缩和格式转换会话层建立、管理和终止会话连接传输层TCP/UDP协议，端到端数据传输网络层IP协议，路由选择和数据包转发数据链路层帧传输、错误检测和流量控制物理层比特流传输的物理接口和介质互联网技术IP地址与域名系统IP地址是网络中设备的唯一标识符，域名系统DNS将容易记忆的域名转换为IP地址，为用户提供便捷的网络访问方式IPv4和IPv6协议分别提供32位和128位的地址空间HTTP/HTTPS协议超文本传输协议是Web应用的基础，定义了浏览器与服务器之间的通信规则HTTPS在HTTP基础上增加了SSL/TLS加密，确保数据传输的安全性网络应用服务电子邮件、即时通讯、文件传输等网络应用为用户提供丰富的信息交流和资源共享服务，极大地提高了工作和生活效率网络安全技术防火墙、入侵检测、数据加密等安全技术保护网络免受恶意攻击，确保网络通信的机密性、完整性和可用性第七部分计算机应用领域人工智能革命人工智能技术正在重塑各行各业，从智能助手到自动驾驶，从医疗诊断到金融分析，AI正在成为推动社会进步的重要力量大数据时代每天产生的海量数据蕴含着巨大价值，大数据技术帮助企业和政府从数据中发现规律、预测趋势、优化决策云计算服务云计算彻底改变了IT服务的提供方式，让计算资源像水电一样按需使用，降低了企业的IT成本和技术门槛人工智能机器学习自然语言处理通过算法让计算机从数据中自动学习规让计算机理解和生成人类语言，包括机律，深度学习作为其重要分支，在图像器翻译、文本分析、对话系统等应用，识别、语音识别等领域取得突破性进ChatGPT等大语言模型代表了最新技术展水平知识表示与推理计算机视觉构建计算机可理解的知识体系，通过逻使计算机能够识别和理解图像内容，广辑推理解决复杂问题，是实现通用人工泛应用于人脸识别、医学影像分析、自智能的重要基础动驾驶等领域大数据技术云计算软件即服务SaaS1直接向用户提供应用软件服务，如在线办公套件、CRM系统等平台即服务PaaS为开发者提供应用开发和部署平台，包括开发工具、数据库等基础设施即服务IaaS提供虚拟化的计算资源，包括虚拟机、存储、网络等基础设施云计算采用虚拟化技术将物理资源池化，通过分布式存储和计算提供弹性可扩展的服务用户可以按需获取计算资源，只为实际使用量付费，大大降低了IT成本物联网感知层各种传感器收集环境数据，RFID、NFC等识别技术获取物体信息，为上层应用提供数据基础包括温度、湿度、光照、运动等多种传感器类型网络层通过WiFi、蓝牙、LoRa、5G等通信协议将感知数据传输到云端或边缘计算节点，确保数据的实时性和可靠性3应用层对收集的数据进行智能分析和处理，为用户提供具体的应用服务，如智能家居控制、工业自动化、智慧城市管理等区块链技术分布式账本密码学基础所有网络节点共同维护同一份交易记采用非对称加密、哈希函数等密码学录，通过共识机制确保数据的一致性技术保证交易的安全性和隐私性，数和不可篡改性，实现去中心化的信任字签名确保交易的真实性和不可否认机制性应用场景智能合约除了加密货币，区块链在供应链管自动执行的数字化合约，条件满足时4理、数字身份认证、知识产权保护、自动执行预定义的操作，无需第三方投票系统等领域都有广阔的应用前介入，提高了交易效率和可信度景第八部分信息安全与伦理安全威胁日益严重法律法规不断完善伦理道德需要重视随着信息技术的广泛应用，网络攻各国政府纷纷出台网络安全法、数信息技术的发展带来了新的伦理问击、数据泄露、隐私侵犯等安全威据保护法等法律法规，建立健全信题，如算法偏见、隐私保护、数字胁日益增多，对个人、企业和国家息安全保护体系，规范网络行为鸿沟等，需要全社会共同关注和解安全构成严重挑战决计算机安全基础安全基本概念安全威胁类型身份认证信息安全包括机密性、包括恶意软件、网络钓通过密码、生物特征、完整性、可用性三个基鱼、DDoS攻击、内部威双因素认证等方式验证本要素，确保信息不被胁等多种形式，需要采用户身份，确保只有合未授权访问、不被恶意取综合性的防护措施法用户才能访问系统资修改、在需要时可以正源常使用恶意软件防护部署杀毒软件、防火墙、入侵检测系统等安全工具，实时监控和阻止恶意活动。