计算机导论教学课件

计算机导论第一章计算机科学的世界观计仅仅编维问题论这们将计质算机科学不是程和硬件，它是一种思方式，一种解决的方法，一种改变世界的力量在一章中，我探索算机科学的本，了们现为对来关解它如何塑造我的代生活，以及什么它未发展至重要计算机是什么？计质数算机本上是一个黑盒据处理器，遵循输入→处理→输出的基本程序的本质论级计还这工作流程无是超算机是智能手表，都遵循一基本原理计为诉键盘击语则内程序是指令的集合，决定算机的行方式每条指令都精确告输入可以是敲、触摸屏幕、音命令等形式；处理由部电路计简单计杂预执显算机做什么和如何做从的算器到复的人工智能系根据设程序行；输出可能是屏幕示、声音播放或控制其他设备的驱统，都是由程序动的信号程序执行流程冯诺依曼模型揭秘·冯诺现计础数约冯诺这将计为计·依曼模型是代算机的基架构，由学家翰··依曼于1945年提出一模型算机划分四个主要子系统，至今仍是算机设计蓝图的基本存储器算术逻辑单元储数内级缓访问执数逻辑断现时存程序和据，包括主存和各存支持随机，具有易失行学运算和判，是CPU的核心部分代ALU可以同处组数性特点理多据控制单元输入输出协调释执数负责各部分工作，解并行指令，管理据流动和指令序列与外部世界交互，包括各种输入设备和输出设备的控制器冯诺依曼结构示意图·冯诺结现计础数约冯诺·依曼构是代算机的基架构模型，由匈牙利裔美国学家翰··依这曼于1945年提出一架构的核心特点是进储数·采用二制表示和存据数储储·程序指令和据存在同一存器中顺执·指令按序存放和行术逻辑单进数·具有算元行据处理单执·具有控制元管理指令行计算机科学的核心思维算法思维抽象计问题骤计简单设精确、有效的解决步算法是算机科学的核心，从的排序到将杂问题简为细节计过将现杂计显复化核心元素，忽略不必要算机科学家通抽象实复的人工智能模型，都基于算法设优秀的算法可以著提高程序效率问题转为计图应将杂环为节世界化可算模型例如，地用复的地理境抽象点和连图结接的构模式识别分解现数规结识别们现发据中的律和重复构模式帮助我发更一般化的解决方案，将问题为问题杂习础识别问题大拆分小逐个解决模块化思想使复系统变得可管理，也是团是机器学的基常见模式可以复用已有解决方案队协础软为对独作的基大型件系统通常被分解多个相立的模块机器如何理解程序？计算机科学的研究对象与范畴计论应领仅关计还算机科学是一门多元化的学科，涵盖了从理到用的广泛域它不注如何构建算机系统，研究信息处理的基本原理和方法理论基础1计论杂语算理、算法复度、形式言系统软件2编译数库操作系统、器、据系统硬件与架构3计组结计算机成、体系构、集成电路设应用技术4计图络人工智能、算机形学、人机交互、网通信交叉学科5计数计生物信息学、算金融学、字人文、算社会学计算机专业的误区与真相误区只需学习编程语言许认为热编语为计专多初学者掌握几种门程言就能成优秀的算机业人才语问题维对计事实上，言只是工具，真正重要的是解决的思方式和算机系语过时维础识将续统的理解言可能，但思方法和基知持适用真相理解计算机科学体系计专成功的算机业人才需要论础数结计论·扎实的理基（算法、据构、算理）层络·系统面的理解（硬件架构、操作系统、网）问题问题计·解决实际的能力（分析、设解决方案）第二章计算机核心技术与原理这们将讨现计术这识将计术协在一章中，我深入探构成代算机系统的核心技和基本原理些知帮助你理解算机如何工作，以及不同技之间如何同配合，计构成完整的算机系统计算机硬件基础处理器架构与性能指标存储器层次结构计脑负责执数现为处理器是算机的大，行指令和处理据代处理器主要分x86架构（Intel、AMD）和ARM架构（手机、嵌入式设备）处理器性能主要受以下因素影响时频执数·钟率决定处理器每秒行的周期（GHz）数·核心量影响并行处理能力缓数访问·存大小影响据速度执·指令集CISC vsRISC，影响行效率·制程工艺影响能耗和集成度计级储结结算机采用多存构，根据容量、速度和成本形成金字塔构内寄存器处理器部，极小容量但速度最快缓级存L1/L2/L3，中小容量，非常快主存RAM，中等容量，中等速度，易失性盘较外存硬/SSD，大容量，慢，非易失性操作系统简介计软应软计资为操作系统是算机系统中最重要的系统件，它是硬件与用件之间的桥梁，管理算机源并用户提供友好的交互界面进程管理内存管理执调资现内现虚内过控制程序行，度CPU源，实多任务分配和回收存，实拟存机制通分进执负责术让认为连续内并行程是程序的行实例，操作系统页或分段技，程序它拥有的大进创调终程的建、度、挂起和止存空间文件系统设备管理数储访问驱管理据的存和，提供文件操作接口控制硬件设备，提供设备动接口操作系统过驱不同操作系统有不同的文件系统格式，如通设备动程序与各种硬件设备通信NTFS、EXT

4、APFS等程序设计语言演进机器语言汇编语言高级语言进码编写记进码语数直接使用二制代（0和1）程序，是使用助符替代二制，如MOV、ADD、接近人类自然言和学表达式，如C、计语汇编语关读维算机唯一能直接理解的言不同处理器架JMP等言与特定处理器架构相，Java、Python等具有更好的可性和可语编写难汇编转换为码层驱级语对应构有不同的机器言，极其困，几乎不需要器机器在系统底、动护性，一条高言指令通常多条机器指开应开再直接使用发和性能优化中仍有用令，大幅提高发效率编译器的作用解释器的作用编译将级语译码执器高言程序一次性翻成机器，生成可行文件，如执针对编译C/C++优点是行效率高，缺点是需要不同平台重新算法与数据结构基础问题骤数结组储数计编础算法是解决的步序列，据构是织和存据的方式两者共同构成了算机科学的核心，也是程能力的基算法效率与复杂度常见数据结构过时杂杂来算法的好坏主要通间复度和空间复度衡量数组时杂执时间复度算法行所需的间，通常用大O表示法描述，如O

1、Olog n、连续内储数访问存空间存同类型据，支持随机，插入删除效率低On、On²等杂执额空间复度算法行所需的外空间对规数关数链表高效的算法于处理大模据至重要例如，排序10亿个字，On²算法可能需要几十年，而On logn算法只需几分钟连续储过针连访问非存，通指接，插入删除高效，随机效率低树层结树树树层数次构，包括二叉、平衡、B等，适合搜索和次化据图计算机网络基础网络协议与分层模型现络层代网通信采用分架构，主要基于TCP/IP模型应用层为传直接用户提供服务，包括HTTP（网页）、SMTP（邮件）、FTP（文件输）、DNS（域名解协议析）等传输层负责协议传传数端到端通信，主要有TCP（可靠输）和UDP（快速输）TCP确保据完整性但有延迟，UDP速度快但可能丢包网络层负责数转协议识别络数据包路由和发，核心是IP IP地址用于网上的设备，路由器根据IP地址决定传径据输路链路层软件工程与开发流程软应开维质软关资开杂软件工程是用工程化方法发和护高量件的学科它注如何在有限源下，高效发复且可靠的件系统需求分析软问题现过规说书项础确定件要解决的和实的功能通与客户沟通，明确需求，形成需求格明好的需求分析是目成功的基系统设计计数结规计详细计层计阶结质划分模块，设据构和算法，确定接口范包括架构设和设两个次设段决定了系统的整体构和量编码实现计档编写码编码规码读维现开现根据设文代遵循范，注重代可性和可护性代发通常采用敏捷方法，小步迭代实功能测试验证过单测试测试测试层测试软质测试测试通元、集成、系统等多次，确保件量自动化可以提高效率和覆盖率部署维护将软产环续监软维阶件部署到生境，并持控、更新和优化件生命周期中护段最长，成本通常最高版本控制与团队协作计算机硬件内部剖析现计内数计组代算机部是精密工程的杰作，由以亿的晶体管成的集成电路构建而成主组连过线现数传板是各件的接平台，通各种总实据输计脑负责执数·中央处理器（CPU）算机的大，行指令和处理据内临时储数断内·存（RAM）存运行中的程序和据，电后容丢失储盘态盘储应数·存设备硬或固硬，永久存操作系统、用程序和据显图图频·卡（GPU）处理形渲染，加速像和视处理连组·主板接和控制各个硬件件的电路板为组稳·电源所有件提供定电力计算机安全基础常见威胁防护措施认证过码识别认证验证身份通密、生物、多因素等用户身份访问对资访问权权则控制限制用户源的限，遵循最小限原数将转换为数病毒据加密使用算法明文密文，保护据机密性过滤络权访问防火墙网流量，阻止未授恶码检测监识别为能自我复制并感染其他程序的意代，如文件病毒、宏病毒等入侵控系统活动，可疑行时应安全更新及更新系统和用程序，修复安全漏洞数数备份恢复定期备份重要据，以防据丢失木马伪恶软远装成正常程序的意件，通常用于窃取信息或程控制勒索软件赎加密用户文件并要求支付金才能解密，如WannaCry钓鱼攻击过伪诱骗恶软通装成可信实体用户提供敏感信息或安装意件第三章计算机的未来发展与应用计术们这们将讨计领来趋势们算机技正以前所未有的速度发展，改变着我的生活方式和工作方法在一章中，我探算机科学的前沿域和未，了解它如何们来塑造我的未世界人工智能与机器学习计领创为习术计数习进人工智能（AI）是算机科学的前沿域，致力于造能模拟人类智能行的系统机器学是AI的核心技，使算机能从据中学改机器学习基本概念深度学习与神经网络监督学习标记数训练归问题过滤图识别预使用据模型，如分类和回例如垃圾邮件、像、房价测无监督学习标记数现维检测从无据中发模式，如聚类和降例如客户分群、异常、特征提取强化学习过环获奖励馈来习戏驾驶通与境交互得反学例如游AI、自动、机器人控制习习领层络杂问题络脑结深度学是机器学的子域，使用多神经网处理复神经网模拟人构，由大连节组量相互接的点（神经元）成大数据与云计算大数据技术云计算模式数传数软数大据指无法用统据处理件处理的海量、高速、多样化的据集其IaaS（基础设施即服务）为特点可概括5V虚计资储络数规级提供拟化的算源，如服务器、存和网用户可以自由配置和Volume（量）据模巨大，通常达到PB这资数产管理些源，如阿里云ECS、AWS EC2Velocity（速）据生和处理速度快数结结数Variety（多样性）据类型丰富，包括构化和非构化据数质PaaS（平台即服务）Veracity（真实性）据量和可靠性数开应开数库Value（价值）从据中提取有用信息的能力提供发和部署用的平台，包括操作系统、发工具和据数术储计等，如Google AppEngine、Heroku大据技包括分布式存（HDFS）、分布式算（MapReduce）、流数处理（Spark Streaming）和据可视化等SaaS（软件即服务）应软关层现直接提供用件服务，用户无需心底实，如Office钉钉

365、、Salesforce物联网与智能设备将连现换物联网（IoT）是指各种物理设备接到互联网，实设备间的信息交和智能控将现数创应场制它实世界与字世界融合，造全新的用景物联网的核心技术传术数湿感器技收集物理世界据（温度、度、光照等）术蓝通信技包括WiFi、牙、ZigBee、NB-IoT等数缘计计结数据处理边算和云算合处理据数现人工智能分析据，实智能决策智能家居应用案例时调节·智能照明系统根据人的活动和间自动灯光时监脸识别为检测·智能安防实控、人、异常行远调·智能家电可程控制的冰箱、空、洗衣机等语过语·智能音助手通音控制家中各种设备计算机科学的社会影响数字化转型工作方式变革计术数转传远办协算机技正推动各行各业的字化型统企程公、同工作平台、自动化工具深刻改变了数术们术业引入字技重塑业务流程和商业模式，如零售人的工作方式一方面，技提高了工作效率；线线产岗时创业的上下融合、制造业的智能生、金融业的另一方面，某些工作位被自动化取代，同造数则术创颠传来将创移动支付等字原生企业凭借技新覆了新型就业机会未工作更加注重造力和复杂问题统行业格局解决能力隐私与安全挑战教育模式创新数隐临战数线习习随着据收集的增加，个人私保护面挑在教育平台、交互式学工具、个性化学系统盗络诈骗问题严习识获据泄露、身份窃、网等安全日益拓展了教育边界学不再局限于教室，知取数规术数鸿剧重加强据保护法、提升安全技、增强用户变得更加便捷但字沟也可能加教育不平识为当导术安全意成务之急等，需要政策引和技普惠计算机专业人才的职业前景计当计专毕场显势数转对计续算机科学是今最具发展潜力的学科之一，算机业业生在就业市上拥有著优随着字化型深入各行各业，算机人才的需求持增长热门就业方向职业发展建议础计础识数结软件开发打牢基扎实掌握算机科学基知，如算法、据构、操作系统等开开应开开专领术领为专术栈过包括前端发、后端发、移动用发、系统发等Java、注域在某一技域深耕，成家，避免技于分散语开员资续习计术习习惯态Python、JavaScript等言发人需求量大，薪水平高持学算机技更新快，需要保持学，跟踪行业动项践开项项积战验目实参与源目或个人目，累实经人工智能软养队协问题软技能提升培沟通能力、团作、解决能力等技能习师数计觉专领机器学工程、据科学家、算机视家等AI域人才短资当热术缺，薪增长迅速，是前最门的技方向之一网络安全师渗测试员师络击安全工程、透、安全架构等随着网攻增多，安全阔人才需求激增，行业前景广计算机导论课程体系介绍计导论课为计图计术趋势为续专课习础算机程旨在学生提供算机科学的全景视，帮助学生了解算机科学的基本概念、核心技和发展，后业程学打下基1核心理论课程数结习数结计据构与算法学常用据构和算法设分析方法计组计算机成原理理解算机硬件系统的工作原理2专业技能课程习现操作系统学操作系统的核心概念和实机制计络络协议计础语编算机网掌握网通信原理和程序设基C/C++/Java等言程入门数库习数软习软开项据系统学据管理和查询优化件工程学件发方法和目管理编译语现开术栈原理了解程序言的实机制Web发前端和后端技应开开移动用发Android/iOS平台发3实践环节础习习人工智能基机器学和深度学入门计验巩编程序设实固程技能课计项开程设完成小型目发毕计问题综项业设解决实际的合目创践项创竞赛新实参与科研目或新习环企业实接触实际工作境计算思维系列讲座亮点计维问题论计们计维讲将带这杂问题算思是解决的方法，是算机科学家的思考方式我的算思系列座你深入理解一核心能力，提升解决复的能力讲座一计算思维导论讲座二问题分解绍计维历讨计维传维区别养计习将杂问题为问题过顶介算思的基本概念、史发展和重要性探算思与统思方式的，以及如何培学如何复分解可管理的小通案例分析，掌握自向下和自底向上的分解策略，以维计算思能力及模块化设方法讲座三模式识别讲座四抽象思维数规习识别结绍识别术问题质计习问题质细节探索据中的律和模式，学如何重复构和共性特征介常见的模式技及其在解理解抽象的本及其在算机科学中的核心地位学如何提取的本特征，忽略不必要，建应问题决中的用立的抽象模型讲座五算法思维讲座六递归思想计习为问题计骤时杂归应场过问题诺数归问题深入理解算法的概念和设方法学如何设高效的解决步，分析算法的间和空间复掌握递的核心概念和用景通经典（如汉塔、斐波那契列）理解递解决的方法势度和优讲座七逻辑推理讲座八评估优化习逻辑础识计应归纳绎学形式的基知及其在算机科学中的用掌握条件推理、推理和演推理的方法和技巧计算机科学发展时间轴1940年代电子计算机诞生计宾约1946年，世界第一台通用电子算机ENIAC在美国夕法尼亚大学完成由翰·莫奇利计和J·普雷斯珀·埃克特设，占地170平方米，重达30吨1950年代高级语言出现译为级编语约1957年，FORTRAN（公式翻器）成第一个被广泛使用的高程言，由IBM的队开编翰·巴克斯团发，大大提高了程效率1970年代个人计算机兴起乔创脑1976年，史蒂夫·布斯和史蒂夫·沃兹尼亚克立苹果公司，推出Apple I电1981脑开时年，IBM推出第一台个人电，启PC代1990年代互联网普及纳维术1991年，蒂姆·伯斯-李发明万网（WWW）1998年，谷歌成立，搜索引擎技推动获互联网信息取革命2010年代人工智能崛起经典案例分享与现代计算机ENIACENIAC计算机的起点现代计算机的惊人进步数积计计宾ENIAC（电子值分算机）是世界上第一台通用电子算机，于1946年2月14日在美国夕法尼亚大学正式亮相积庞体大占地170平方米，重30吨耗电惊人包含18,000个真空管，耗电150千瓦计执计数积这进算能力每秒可行5000次加法运算今天的智能手机算能力是ENIAC的百万倍，体却只有ENIAC的百万分之一一巨大步主要得益于编过连线开关程方式通物理和设置程序纳级晶体管革命从真空管到集成电路，再到米晶体管数约摩尔定律集成电路上晶体管量每两年翻一番储术储态储数存技从磁芯存器到固存，容量提升十亿倍软进编语开件步操作系统、程言和发工具的巨大飞跃络连单计环网接从机系统到全球互联的云算境互动环节计算机科学中的为什么计关键断问为过们术质层深入理解算机科学的在于不追什么通思考基本原理，我能够更好地掌握技本，而不是停留在表面操作面程序如何被机器执行？为什么需要操作系统？级语编译转换为码过码没将导资夺隐高言程序经器机器，再由CPU通取指令-解有操作系统，程序直接控制硬件，致源争和安全患执执执过内载层负责资进调内-行的周期逐条行行程中，指令从存加到CPU，解操作系统提供硬件抽象，源管理、程度、存分配和码结内这过让计资后在ALU中处理，果存回寄存器或存一程每秒可能重安全控制，多个程序能够安全高效地共享算机源它是用户数础应关键层复十亿次，构成了程序运行的基和用与硬件之间的中间为什么二进制是计算机的基础？为什么网络需要分层协议？进对应开关状态压络杂径选择传应二制（0和1）电子电路的和，易于用电高网通信极其复，涉及硬件兼容、路、可靠输、用交储传虽习惯进层问题层协议将杂问题为对独问低表示，便于可靠存和输然人类于十制，但在硬件互等多个次的分复分解相立的子现层进显势简单现题层专过标协这实面，二制具有著优电路、可靠性高、易于实，每注于特定功能，通准接口相互作种模块化设逻辑杂计终归结为进计络术独进时运算所有复算最都二制位运算使网技能够立演，同保持互操作性这问题们计问为思考些基本有助于我理解算机科学的核心原理，不要害怕提，因好奇心是科学探索的起点课程学习建议与资源推荐学习方法建议推荐学习资源理论结合实践经典书籍计践练难习过编算机科学是实性学科，光看不以掌握学新概念后，立即通导论计验应尝试现课数结·《算法》-算机算法圣经程、实等方式用，加深理解自己实本上的算法和据构计层·《深入理解算机系统》-系统底原理项目驱动学习计络顶络础·《算机网自向下方法》-网基数库数库论项标现过习识项简单开计·《据系统概念》-据理设定小目目，在实程中学所需知目可以从始，如算计软计戏数战杂应开·《设模式》-件设思想器、网页游、据可视化等，逐步挑更复的用GitHub上有大量项源目可供参考在线学习平台问题导向思维内课·中国大学MOOC-国高校程难寻现尝试问题质遇到困不要急于找成解决方案，先自己分析本，提出可能的顶课这过对养计维·Coursera-全球尖大学程解决思路个程培算思能力非常重要练习·LeetCode-算法平台持续学习习惯开项习资·GitHub-源目和学源术区·掘金/CSDN-技社和博客计术终习养阅读术开算机技更新快，身学是必要的成每周技博客、参与源社区关态习惯资识、注行业动的学会使用英文料，接触最新前沿知结语开启你的计算机科学之旅计算机科学不仅是技术，更是改变世界的力量这数时计计区链术断在个字化代，算机科学正以前所未有的速度和广度影响着人类社会的各个方面从人工智能到量子算，从移动互联网到块，新技不现创涌，造着无限可能计质关计维问题们将杂问题计数现算机科学本上是于如何使用算思解决的学科它教会我如何复分解、抽象，如何设高效算法，如何在海量据中发这仅术领问题场挥模式些能力不在技域有用，在任何需要分析和解决的景都能发价值为来计将这场术码论对还对络创作未的算机科学家，你有机会参与技革命，用代改变世界无你是人工智能着迷，是网安全感兴趣，或者梦想建下一代应计为现革命性用，算机科学都能你提供实梦想的工具和平台坚习将为这时领仅仅持学，保持好奇，拥抱变化，你成个代的引者，而不是跟随者计现刚刚开你的算机科学之旅，在才始！。