计算机教学课件

计算机科学全景入门教学课件第一章计算机科学与技术概述计算机专业导论的重要性建立计算机世界观计算思维是编程基石理解程序运行原理计算机专业不仅仅是学习编程语言，更重要计算思维是解决问题的方法论，它包括问题深入理解程序如何在计算机系统中运行，包的是培养系统性思考，建立对计算机科学领分解、模式识别、抽象思考和算法设计掌括数据如何存储、指令如何执行、资源如何域的整体认知和理解框架这种世界观帮助握计算思维能力，是进行有效编程和解决复分配，这些基础知识对于编写高效、可靠的我们理解各种技术之间的联系，以及它们在杂问题的前提程序至关重要更广泛背景下的应用计算机科学的研究对象与技术体系发展阶段知识结构机器自动计算早期计算机主要用于数值计算，关注计算能力本身理论基础离散数学、数据结构、算法设计机器难于计算研究复杂问题的求解方法，发展算法理论与人工智能计算与社会自然融合计算无处不在，与各行各业深度融合，促进创新系统架构计算机组成、操作系统、编译原理/应用技术数据库、计算机网络、人工智能从机械计算到智能时代1机械计算时代1940年前从算盘到巴贝奇差分机，机械装置辅助人类计算2电子计算机诞生1940-1950等早期电子计算机出现，体积庞大，功能有限ENIAC3大型机时代1950-1970等主导的中央计算机系统，服务于组织机构IBM4个人计算机革命1970-2000微处理器技术使计算机走入千家万户5互联网与移动时代2000-2020全球互联与随时随地的计算能力6智能计算时代2020-第二章计算思维与问题求解框架计算思维是一种结构化的问题解决方法，它借鉴了计算机科学的核心理念本章将探讨计算思维的基本要素、思考模式以及如何运用计算思维解决实际问题，帮助学习者培养系统化的思考能力计算思维的核心要素分解模式识别将复杂问题分解为可管理的小问题寻找问题中的规律和共性算法设计抽象设计解决问题的步骤序列提取关键信息，忽略无关细节经典算法思想递归与分治贪心策略动态规划通过将问题分解为相似的子问题，递归解决并合并结果在每一步选择当前最优解，期望得到全局最优解通过存储子问题的解决方案避免重复计算应用归并排序、快速排序、二分查找应用最小生成树、哈夫曼编码应用最短路径、背包问题计算思维在现实中的应用案例大数据处理与机器学习处理海量数据并从中学习模式数据分割将大数据集分解为可并行处理的小数据块特征提取识别和抽取数据中的关键特征模型训练使用梯度下降等优化算法训练预测模型并行计算利用分布式系统加速处理搜索引擎排序算法计算思维解决问题流程问题识别问题分解明确问题的输入、输出和约束条件将复杂问题拆分为更小的子问题确定问题边界确定子问题之间的关系••分析问题特征降低问题复杂度••算法设计实现与验证设计解决问题的步骤和方法编写代码并测试解决方案选择合适的算法策略调试与优化••优化算法复杂度评估解决方案质量••第三章计算机硬件基础计算机硬件是计算机系统的物理基础，理解硬件工作原理对于深入学习计算机科学至关重要本章将介绍计算机硬件的基本架构、工作原理以及发展趋势，帮助学习者建立对计算机系统的整体认识冯诺依曼计算机模型·冯诺依曼模型是现代计算机的基础架构，由约翰冯诺依曼于年提出，其核心思想是存储程序概念···1945存储器存储程序和数据，包括主存储器和辅助存储器特点按地址访问，程序和数据共享存储空间算术逻辑单元执行算术运算（加减乘除）和逻辑运算（与或非）是的核心部件之一，直接处理数据CPU控制单元解释指令并发出控制信号，协调各部件工作实现指令周期取指令、译码、执行、存储结果输入输出系统负责计算机与外部环境的信息交换包括各种输入设备（键盘、鼠标）和输出设备（显示器、打印机）计算机硬件组成详解CPU结构与功能内存层次结构12341寄存器访问速度最快，容量极小，位于内部CPU2缓存Cache高速小容量存储器，分为、、多级缓存L1L2L33主存RAM程序运行的工作区域，掉电数据丢失4外存硬盘/SSD大容量持久存储，保存操作系统、应用程序和用户数据计算机硬件发展趋势多核处理器与并行计算随着单核性能提升遇到瓶颈，处理器向多核方向发展核心数量持续增加，从双核发展到数十核•并行计算成为主流，要求软件适应并行架构•异构计算兴起，与协同工作•CPU GPU专用处理器如加速器快速发展•AI量子计算机的前景基于量子力学原理的新型计算设备利用量子叠加和纠缠特性进行计算•在特定问题上展现指数级加速潜力•有望解决传统计算机难以处理的复杂问题•量子算法和量子编程语言正在发展中•仍面临量子退相干等技术挑战•计算机的心脏冯诺依曼结构·冯诺依曼结构定义了现代计算机的基本工作方式，它采用二进制表示数据，并通过存·储程序实现自动化计算冯·诺依曼结构的核心特征计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成•采用存储程序原理，程序和数据都存储在内存中•指令和数据都以二进制形式表示•指令按顺序存放，通常按顺序执行•通过程序计数器控制指令执行顺序•尽管经过多年的发展，现代计算机在架构上有了巨大的改进，但基本工作原理仍然70遵循冯诺依曼思想理解这一结构是掌握计算机工作原理的关键·第四章计算机软件体系软件是使计算机硬件发挥作用的指令集合，是计算机系统的灵魂本章将介绍软件的分类、功能以及发展趋势，帮助学习者理解软件在计算机系统中的核心地位和作用软件分类与功能系统软件应用软件系统软件是计算机系统的基础软件，为应用软件提供运行环境操作系统管理计算机资源，提供用户接口编译器/解释器将高级语言程序转换为机器代码驱动程序控制和管理硬件设备系统工具磁盘管理、系统监控、性能优化等操作系统的核心作用处理器管理内存管理进程调度与控制内存分配与回收多任务并发执行虚拟内存技术安全机制文件系统访问控制文件组织与存储用户认证数据安全与恢复设备管理用户接口驱动程序接口命令行界面设备资源分配图形用户界面操作系统是硬件和应用软件之间的桥梁，它管理计算机硬件资源，为应用程序提供运行环境，并为用户提供交互接口、和是Windows macOSLinux目前主流的个人计算机操作系统软件工程基础程序设计原则软件开发生命周期模块化设计将程序分解为独立、可重用的模块信息隐藏限制模块间的信息共享，降低耦合度抽象机制通过接口分离实现细节，提高代码可维护性需求分析确定软件需要解决的问题和功能系统设计确定软件架构和模块划分软件世界的管理者操作系统架构应用软件各类应用程序，如办公软件、游戏、浏览器等系统服务文件管理、打印服务、网络服务等系统功能操作系统内核进程管理、内存管理、文件系统、设备驱动等核心功能硬件抽象层提供统一的硬件访问接口，屏蔽硬件差异计算机硬件处理器、内存、存储设备、输入输出设备等物理组件第五章编程语言与算法基础编程语言是人与计算机交流的桥梁，算法则是解决问题的方法和步骤本章将介绍编程语言的分类、特点以及算法设计与分析的基本方法，帮助学习者理解程序设计的本质编程语言分类机器语言1由和组成的二进制指令，直接被计算机硬件执行01优点执行效率最高；缺点编程困难，可读性差2汇编语言示例1011000001100001使用助记符表示的低级语言，与机器语言一一对应优点可以精确控制硬件；缺点平台依赖性强高级语言3示例MOV AL,61h接近自然语言和数学符号的编程语言，需要编译或解释优点易学易用，可移植性好；缺点执行效率较低示例、、、等C JavaPython JavaScript编程范式面向过程编程面向对象编程以过程（函数）为中心组织代码，强调算法步骤以对象为中心组织代码，强调数据和行为的封装代表语言、代表语言、、C PascalJava C++Pythonint factorialint n{if n=1return1;return n*factorialn-1;}class Calculator{public intfactorialintn{if n=1return1;returnn*factorialn-1;}}算法设计与分析算法复杂度空间复杂度衡量算法内存使用随输入规模增长的趋势常见算法示例排序算法1•冒泡排序On²时间，O1空间快速排序平均时间•On logn归并排序额外空间•On查找算法2•线性查找On时间二分查找时间•Olog n哈希查找平均时间•O1图算法3•深度优先搜索DFS广度优先搜索•BFS最短路径算法•Dijkstra时间复杂度衡量算法执行时间随输入规模增长的趋势常数时间，如数组随机访问O1对数时间，如二分查找Olog n编程实践案例Python实现简单排序算法C语言的指针与内存管理#include#include intmain{//静态内存分配int a=10;//动态内存分配int*p=int*mallocsizeofint;*p=20;printf静态变量值:%d\n,a;printf静态变量地址:%p\n,a;printf动态变量值:%d\n,*p;printf动态变量地址:%p\n,p;//释放动态内存freep;return0;}def bubble_sortarr:n=lenarr#遍历所有数组元素for iin rangen:#最后i个元素已经就位for jinrange0,n-i-1:#从头到尾遍历，交换相邻元素if arr[j]arr[j+1]:arr[j],arr[j+1]=arr[j+1],arr[j]return arr#测试nums=[64,34,25,12,22,11,90]sorted_nums=bubble_sortnumsprint排序结果:,sorted_numsC语言通过指针直接操作内存，提供了强大的内存控制能力，但也增加了内存泄漏和指针错误的风险高效解决问题的钥匙算法算法是解决问题的明确步骤序列，是计算机科学的核心良好的算法设计能够极大提高程序的效率和可用性优秀算法的特征01正确性算法必须能够正确解决问题，对所有合法输入产生正确输出02效率性算法应该在合理的时间和空间资源内完成任务03可读性算法应该结构清晰，易于理解和维护04健壮性算法应该能够处理异常情况和非法输入算法分析与设计是编程能力提升的关键，也是计算机科学教育的核心内容之一通过学习经典算法，培养算法思维，能够帮助我们更有效地解决各种计算问题第六章计算机网络与安全基础计算机网络是现代信息社会的基础设施，网络安全则是保障信息系统可靠运行的关键本章将介绍计算机网络的基本概念、工作原理以及网络安全的核心技术，帮助学习者理解互联网时代的技术基础计算机网络概述网络拓扑结构网络协议层次应用层为应用程序提供网络服务的协议如、、、等HTTP FTPSMTP DNS传输层提供端到端的连接服务如（可靠传输）、（快速传输）TCP UDP网络层负责数据包的路由和转发如协议、、路由协议IP ICMP数据链路层总线型所有设备连接到一条主干线星型所有设备连接到中央节点在直接相连的网络设备间传输数据环型设备首尾相连形成环状如以太网协议、地址MAC网状设备之间有多条连接路径混合型结合多种拓扑结构的优点物理层定义物理传输媒介和信号如电缆规范、信号调制方式互联网的工作原理互联网是全球最大的计算机网络，通过协议族实现设备间通信数据在网络中被分割成数据包，每个数据包包含目的地址，通过路由器转发到目的地，最终在接收端重组TCP/IP网络安全基础加密技术身份认证防火墙•对称加密同一密钥加解密AES•密码认证基于用户知道的信息•过滤网络流量•非对称加密公钥加密，私钥解密RSA•生物认证指纹、人脸、虹膜等•阻止未授权访问哈希函数单向加密，验证数据完整性双因素认证组合多种认证方式监控异常网络行为•••常见网络攻击与防御措施防御策略技术防御安装防病毒软件、防火墙和入侵检测系统定期更新及时安装系统和应用程序的安全补丁数据备份定期备份重要数据，防止数据丢失安全意识提高用户安全意识，谨慎处理可疑内容常见攻击类型未来趋势云计算与物联网云服务架构智能设备互联云服务模型IaaS（基础设施即服务）提供虚拟化的计算资源PaaS（平台即服务）提供应用开发和运行环境SaaS（软件即服务）直接提供应用软件服务云计算优势•弹性扩展，按需付费•降低维护成本，提高可用性•支持远程办公和协作物联网特点守护数字世界的安全随着网络技术的发展和普及，网络安全已成为保障数字世界健康运行的关键91%67%300%网络威胁增长受到攻击勒索软件增长全球企业报告称网络安全威胁在过去一年中显著中小型企业在过去个月内经历过网络安全事件近年来勒索软件攻击数量增长迅速，成为主要威12增加胁网络安全不仅是技术问题，也是管理和教育问题建立安全意识、实施最佳实践、保持系统更新，是保障网络安全的基础在数字化程度不断深入的今天，网络安全已成为个人、企业和国家都必须高度重视的议题结语迈向计算机科学的未来持续学习与成长无限可能的未来计算机科学是一个不断发展的领域，持续学习是从业者的必备素质计算机科学正在改变世界，也为个人发展提供了广阔空间掌握核心计算思维，建立坚实的理论基础人工智能与机器学习将重塑各行各业••关注前沿技术趋势，如人工智能、量子计算量子计算可能带来计算能力的革命性突破••参与开源社区，实践中提升编程技能区块链技术为数字信任建立新机制••培养跨学科视野，将计算机科学与其他领域结合元宇宙、虚拟现实等创造全新交互体验••计算生物学推动医学和生命科学的进步•计算机科学不仅是一门学科，更是改变世界的力量通过本课程的学习，希望你已经建立了对计算机科学的基本认识，为未来深入学习和应用打下基础记住，在这个充满可能性的领域，你的未来无限精彩！。