基础计算机教学课件

基础计算机教学课件第一章计算机概述计算机已成为现代社会不可或缺的工具，从智能手机到超级计算机，从家庭办公到科学研究，计算机技术深刻改变了我们的生活和工作方式本章将介绍计算机的基本概念、特性和工作原理，帮助我们理解这一复杂而神奇的电子设备计算机科学是一门研究信息处理的学科，它结合了数学、逻辑学和工程学的原理通过本章学习，我们将了解计算机的发展历程、基本构成以及它如何执行各种任务，为后续深入学习打下基础什么是计算机？定义特点发展计算机是一种能够接收、处理数据并输出信•高速性每秒可执行数十亿次运算从早期的机械计算设备发展到现代的电子计息的电子设备，它通过程序指令自动执行算算机，体积从房间大小缩小到掌上，性能却•准确性在正确指令下几乎不会出错术和逻辑运算提高了数百万倍•可靠性连续工作能力强•通用性可用于各类信息处理任务计算机本质上是一个信息处理系统，它将输入的数据通过特定算法进行处理，然后输出有用的信息计算机的强大之处在于它可以被编程来执行几乎任何可以用算法描述的任务，从简单的数学计算到复杂的人工智能应用现代计算机已经从最初的纯计算工具，发展成为集信息处理、通信、控制和娱乐等多种功能于一体的综合性电子设备计算机技术的进步也推动了社会的数字化转型，影响了几乎所有行业和领域计算机就像一把瑞士军刀，它的用途取决于你如何使用它——计算机科学家艾伦·凯计算机的四大基本操作输入（）Input接收用户或其他设备提供的数据和指令主要设备键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、摄像头、传感器等输入是计算机工作的起点，计算机需要通过这些设备获取外部信息处理（）Process对数据进行计算和逻辑处理，执行程序中的指令核心部件中央处理器（CPU）处理过程包括指令解码、执行算术运算、逻辑判断等输出（）Output将处理结果以人类可理解的形式呈现主要设备显示器、打印机、扬声器等输出使计算机的处理结果能够被用户感知和利用存储（）Storage保存数据和程序，供后续使用主要设备内存、硬盘、固态硬盘、U盘等存储分为短期存储（内存）和长期存储（硬盘等）这四大基本操作构成了计算机系统的工作循环，它们相互配合，共同完成各种信息处理任务值得注意的是，这四种操作不一定按顺序执行，而是可以根据程序需要交替进行例如，在处理大量数据时，计算机可能会边输入、边处理、边存储，最后再输出结果计算机的黑盒模型计算机系统可以简化为一个黑盒模型，这种抽象化的思维方式有助于我们理解计算机的本质工作方式黑盒概念将计算机视为一个封闭的系统，我们只关注其输入和输出，而不必了解内部复杂的工作机制数据转换计算机本质上是一个数据转换器，将输入数据转换为有用的输出信息输入数据程序控制程序决定了数据如何被处理，即转换规则不同的程序使计算机执行不同的功能用户通过输入设备提供的原始数据和指令确定性在相同程序和相同输入条件下，计算机总是产生相同的输出结果这种模型虽然简化了计算机的复杂性，但准确地捕捉到了计算机工作的本质接收输入，按照预设的程序处理数据，然后产生输出处理过程由程序控制的数据转换和计算操作输出结果经过处理后产生的有用信息程序是计算机的灵魂，它赋予硬件生命，使其能够执行各种任务理解黑盒模型有助于我们从整体上把握计算机系统，无论是简单的计算器还是复杂的超级计算机，都遵循这一基本工作模式这也是计算机科学中抽象思维的一个典型例子，通过抽象化复杂系统，我们可以更容易地理解和应用计算机技术计算机黑盒模型示意图黑盒模型的关键组成黑盒模型的应用实例输入接口接收各种形式的数据输入以文字处理为例处理单元执行程序指令，进行数据转换输入用户通过键盘输入文字处理文字处理程序对文字进行排版、格式存储单元保存程序和数据化输出接口以可理解的形式呈现结果存储文档被保存到存储设备中黑盒模型强调了程序的重要性——同样的硬输出排版后的文档显示在屏幕上或打印出件，装载不同的程序，可以执行完全不同的来任务这也是计算机区别于其他专用电子设计算机的魅力在于，通过更换程序，同一台备的关键特性机器可以从文字处理器变成游戏机、计算器或通信设备，表现出极强的通用性第二章计算机硬件组成计算机硬件是计算机系统的物理组成部分，是支持计算机运行的物质基础本章将详细介绍计算机的主要硬件组件及其工作原理，帮助我们了解计算机内部的身体结构现代计算机硬件技术经历了从电子管、晶体管到集成电路和超大规模集成电路的演变，计算能力呈指数级增长，而体积、能耗和成本则不断降低了解这些硬件组件如何协同工作，对于理解计算机系统的整体功能至关重要无论是个人电脑、智能手机还是服务器，尽管外形和性能各不相同，但它们的基本硬件组成结构都遵循相似的原则掌握这些知识将帮助我们在选购、使用和维护计算机设备时做出更明智的决策本章内容偏重于理论知识，但会结合实际案例和日常应用场景，使抽象的概念更加具体和易于理解计算机的主要硬件部件中央处理器（）内存（）CPU Memory计算机的大脑，负责执行程序指令和数据处理临时存储程序和数据的场所，速度快但断电后数据消失•主要参数主频、核心数、缓存大小•类型RAM（随机存取存储器）•知名厂商英特尔、AMD、ARM•容量单位GB（千兆字节）主板输入设备连接和协调各硬件组件的电路板，是计算机的神经系用于向计算机输入数据和指令的硬件统•常见设备键盘、鼠标、扫描仪、麦克风•提供各种接口和插槽•新兴技术触摸屏、语音识别、体感控制•包含芯片组、BIOS等核心组件存储设备输出设备长期保存数据和程序的设备，断电后数据不会丢失将计算机处理结果以人类可感知的形式呈现出来•内部存储硬盘HDD、固态硬盘SSD•视觉输出显示器、投影仪、打印机•外部存储U盘、移动硬盘、光盘•听觉输出扬声器、耳机•容量单位GB、TB（太字节）这些硬件组件通过各种接口和总线相互连接，在软件系统的协调下协同工作计算机性能的提升往往需要这些组件的均衡发展，单一组件的提升可能会受到其他组件的限制了解这些基本硬件知识，有助于我们在日常使用中对计算机故障进行初步诊断，也能帮助我们在选购计算机时更加理性地评估不同配置的性价比的工作原理CPU的基本构成的工作周期CPU CPU中央处理器（CPU）是计算机系统的核心，负责执行程序指令并进行数据处理一个典型的CPU执行指令的基本周期包括CPU由以下主要部分组成控制单元（CU）负责从内存中获取指令，解码并协调CPU各部分执行指令它是CPU的指挥官，控制着整个CPU的工作节奏算术逻辑单元（ALU）执行加、减、乘、除等算术运算和与、或、非等逻辑运算它是取指令CPU的计算核心从内存中获取程序指令寄存器组CPU内部的高速小容量存储单元，用于临时存放指令、数据和地址缓存（Cache）位于CPU内部的高速存储器，用于缓存频繁使用的数据和指令，减少对主内存的访问，提高处理速度译码解析指令，确定操作类型执行执行指令指定的操作回写将结果存回寄存器或内存CPU是计算机的心脏，控制单元和算术逻辑单元是它的左右手现代CPU采用了多核心设计、流水线技术、超标量等先进技术，大大提高了指令处理能力例如，一个四核心处理器相当于有四个相对独立的处理单元，可以同时执行多个任务，提高系统的并行处理能力CPU性能的提升主要体现在主频（时钟频率）、核心数量、缓存大小、指令集等方面在选择CPU时，需要根据自己的应用需求（如办公、游戏、视频编辑等）综合考虑这些因素存储层次结构存储器特性对比存储层次速度容量成本寄存器极快极小极高缓存非常快小高主存RAM快中等中等固态硬盘SSD中等大中低机械硬盘HDD慢很大低光盘/磁带很慢大很低计算机存储系统采用层次化结构，从上到下，速度递减，容量递增，成本递减这种设计是为了平衡速度和成本的矛盾，满足计算机对高速、大容量存储的需求局部性原理缓存机制存储技术发展存储层次结构的有效性基于程序访问的局部性原理程序在执行过程中，低层次的存储器作为高层次存储器的缓存，存储最常访问的数据副本当存储技术不断进步固态硬盘SSD取代传统机械硬盘HDD，提供更快的倾向于访问最近访问过的数据（时间局部性）和邻近位置的数据（空间局部CPU需要访问数据时，首先检查高速缓存，如果找到（缓存命中），则直接访问速度；DDR

4、DDR5内存技术提高RAM性能；3D XPoint等新型非易性）使用；否则（缓存缺失），从下一级存储中获取失性存储技术模糊了内存和存储的界限计算机硬件结构示意图处理子系统存储子系统输入输出子系统/•CPU（中央处理器）•主存储器（RAM）•输入设备•控制单元•程序和数据的临时存储•键盘、鼠标基本操作•算术逻辑单元•断电数据消失•摄像头、麦克风多媒体输入•寄存器组•辅助存储器•输出设备•GPU（图形处理器）•硬盘、SSD大容量数据存储•显示器视觉反馈•专门处理图形计算•U盘、SD卡便携式存储•打印机实体输出•大量并行处理单元•扬声器声音输出关键连接部件主板总线系统电源供应器所有硬件组件的连接平台，提供物理接口和电路连连接各个部件的数据通路，包括地址总线、数据总线为各个部件提供稳定电力，确保系统正常运行，现代接，包含芯片组、BIOS、各种插槽和接口和控制总线，决定了数据传输的速度和效率电源通常具有节能和保护功能这些组件相互连接、协同工作，形成一个完整的计算机系统每个组件都有其特定的功能和工作原理，但它们都遵循统一的系统架构，这就是著名的冯·诺依曼架构或哈佛架构理解计算机硬件结构有助于我们诊断计算机问题、升级系统组件，以及更好地理解软件运行的物理基础第三章计算机软件基础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如果说硬件是计算机的身体，那么软件就是赋予这个身体生命和智慧的思想本章将介绍计算机软件的基本概念、分类以及工作原理计算机软件大致分为系统软件和应用软件两大类系统软件管理计算机资源，为应用软件提供运行环境；应用软件则直接面向用户，解决特定的问题或满足特定的需求软件的发展历程见证了计算机从专业工具到大众消费品的转变，也推动了信息技术在各行各业的广泛应用理解软件的基本概念和原理，不仅有助于我们更有效地使用计算机，也能帮助我们认识到软件开发的创造性和挑战性无论是专业的程序员还是普通的计算机用户，都能从这些知识中获益软件行业是当今世界发展最快、创新最活跃的领域之一，也是提供大量就业机会的新兴产业了解软件基础知识，对于把握未来职业发展方向具有重要意义软件的分类应用软件1直接面向用户，解决特定问题系统软件2管理计算机资源，提供运行环境固件3内置于硬件中的特定软件，如BIOS应用软件详解系统软件详解应用软件是为满足用户特定需求而设计的程序，直接服务于最终用户主要类型包括系统软件负责管理计算机硬件资源，为应用软件提供运行环境主要类型包括办公软件如Microsoft Office、WPS，包含文字处理、电子表格、演示文稿等操作系统如Windows、macOS、Linux、Android、iOS等图形图像软件如Photoshop、CorelDRAW，用于图像编辑和设计设备驱动程序控制各种硬件设备的软件多媒体软件如视频播放器、音频编辑器、游戏等编译器将高级语言程序转换为机器语言的工具网络应用如浏览器、即时通讯软件、电子邮件客户端解释器直接执行高级语言程序的工具专业应用如CAD设计软件、财务管理系统、医疗信息系统等实用程序如磁盘清理工具、防病毒软件、备份工具等移动应用为智能手机和平板电脑设计的各类APP数据库管理系统如MySQL、Oracle，用于数据的存储和管理应用软件的特点是功能针对性强，界面友好，操作相对简单，用户无需了解底层技术细节即可使用系统软件通常由专业人员开发和维护，强调稳定性、安全性和效率，是计算机系统正常运行的基础软件分类不是绝对的，随着技术发展，界限逐渐模糊例如，浏览器既是应用软件，也具有部分系统软件的特性；现代操作系统集成了越来越多的应用功能理解不同类型软件的特点和作用，有助于我们选择和使用合适的软件工具操作系统的作用操作系统是最重要的系统软件，它是计算机硬件与用户之间的中介，管理计算机资源并为应用程序提供服务操作系统的主要作用包括管理硬件资源处理器管理分配CPU时间，调度进程执行内存管理分配和回收内存空间，实现虚拟内存存储管理管理文件系统，控制存储设备的读写操作设备管理控制各种输入输出设备的工作网络管理提供网络通信服务和协议支持提供用户界面命令行界面CLI通过文本命令与操作系统交互图形用户界面GUI通过窗口、图标、菜单等图形元素操作计算机自然语言界面如语音助手，通过自然语言与系统交互用户界面的发展极大地降低了计算机的使用门槛，使普通用户也能方便地操作计算机运行和管理程序程序加载将程序从存储设备加载到内存中进程管理创建、调度和终止进程内存保护确保程序在各自的内存空间内运行，防止相互干扰并发控制管理多个程序同时运行时的协调问题操作系统为应用程序提供了丰富的系统调用接口，简化了应用程序的开发提供系统安全用户认证验证用户身份，控制系统访问权限文件保护管理文件的读写和执行权限网络安全提供防火墙功能，防范网络攻击错误处理检测和恢复系统错误，保证系统稳定运行不同的操作系统针对不同的使用场景和硬件平台优化，如Windows和macOS主要用于个人电脑，iOS和Android用于移动设备，Linux广泛应用于服务器和嵌入式系统了解操作系统的基本功能和特点，有助于我们选择合适的系统并高效地使用计算机操作系统是计算机的管家，它既管理着计算机的各种资源，又为用户提供了友好的使用环境——计算机科学家约翰·亨尼斯程序与算法算法解决问题的方法程序算法的具体实现算法是解决问题的步骤和方法，具有以下特点程序是用特定编程语言编写的，能被计算机执行的指令序列程序是算法的具体实现形式输入算法可以有零个或多个输入程序的基本结构输出算法至少有一个或多个输出顺序结构按照语句的先后顺序执行确定性每一步骤都明确、无歧义选择结构根据条件判断选择执行路径有限性在有限步骤后终止循环结构重复执行某一段代码可行性每个步骤都能够被执行程序实例查找最大值Python算法可以用自然语言、流程图或伪代码来描述，是程序设计的核心和基础算法实例查找最大值def find_maxnumbers:max_value=numbers

[0]for numin numbers[1:]:if nummax_value:max_value=num returnmax_value#使用示例data=[5,2,8,1,9,3]result=find_maxdataprint最大值是:,result输入一组数字A

[1],A

[2],...,A[n]输出最大值max

1.设max=A

[1]

2.对i从2到n循环执行如果A[i]max，则max=A[i]

3.输出max问题定义算法设计明确需要解决的问题和目标设计解决问题的步骤和方法程序编写程序执行用编程语言实现算法计算机运行程序，解决实际问题算法和程序是计算机科学的核心概念好的算法可以大大提高程序的效率，而好的程序则能准确、高效地实现算法的意图在软件开发中，程序员需要既掌握算法设计的思想方法，又熟悉编程语言的语法和特性，才能开发出高质量的软件随着人工智能的发展，机器学习算法使计算机具备了自我学习和适应的能力，这为算法和程序的发展开辟了新的方向编程语言简介编程语言的发展层次机器语言最底层的编程语言，直接使用二进制代码（0和1）编写程序，由计算机直接执行特点执行效率高，但编写和阅读极其困难，完全依赖于特定的硬件架构汇编语言使用助记符代替二进制指令，如ADD（加法）、MOV（移动数据）等特点比机器语言更易读，但仍然与硬件架构紧密相关，需要通过汇编器转换为机器语言高级语言接近自然语言和数学符号的编程语言，如C、Java、Python等特点抽象层次高，易于学习和使用，一条高级语言指令通常对应多条机器指令，需要通过编译器或解释器转换为机器语言常见高级编程语言C/C++Java系统级编程语言，广泛用于操作系统、驱动程序和性能敏感的应用开发一次编写，到处运行的跨平台语言，广泛用于企业级应用、Android开发等特点效率高，控制精细，但复杂度高，学习曲线陡峭特点面向对象，安全可靠，有丰富的库和框架支持Python JavaScript简洁易学的脚本语言，应用广泛，从网站开发到数据分析、人工智能都有应用网页交互的核心语言，现在也广泛用于服务器端开发Node.js特点语法简洁，开发效率高，有丰富的第三方库特点动态类型，异步编程，前端开发的必备语言编程语言的选择取决于多种因素，包括项目需求、性能要求、开发团队熟悉度等不同的语言有不同的优势和适用场景，例如•需要高性能的系统软件，可能选择C/C++•开发大型企业应用，可能选择Java或C#软件层次结构示意图软件层次结构解析软件接口计算机软件系统通常采用分层结构，从底层到顶层依次为不同软件层次之间通过定义良好的接口进行通信，主要接口包括硬件层物理设备，如CPU、内存、硬盘等固件层直接控制硬件的低级软件，如BIOS/UEFI硬件抽象层HAL屏蔽硬件差异，为操作系统内核提供统一接口操作系统内核系统的核心，负责资源管理和硬件控制系统调用应用程序访问操作系统服务的接口系统服务和驱动程序为上层提供基础服务应用程序接口API提供给程序员使用的函数和服务集合中间件和运行库提供通用功能的软件组件应用程序直接面向用户的软件用户界面软件与用户交互的接口，如图形界面GUI这种分层设计使得上层软件可以不必关心底层实现细节，简化软件就像洋葱，分层构建，每一层都有其特定的功能和责了软件开发和维护每一层都依赖于下层提供的服务，而为上任层提供服务软件开发模式演变单体应用传统的一体化应用程序客户端-服务器分离用户界面和数据处理分布式系统功能分散在网络中的多个节点微服务架构将应用拆分为多个独立服务云原生应用为云环境设计的分布式应用理解软件层次结构有助于我们把握软件系统的整体架构和各部分之间的关系这种分层结构不仅体现在单个计算机系统中，也反映在整个互联网和云计算架构中现代软件开发越来越强调模块化、松耦合和服务化，使得软件系统更加灵活、可扩展和可维护值得注意的是，随着技术的发展，软件层次之间的界限有时会变得模糊例如，虚拟化和容器技术模糊了操作系统和应用之间的边界；WebAssembly等技术使得网页浏览器成为了一个通用的应用平台，模糊了本地应用和Web应用的界限第四章计算机发展历史计算机的发展历程是人类智慧的璀璨结晶，从最早的计算工具到现代的超级计算机，每一步进展都凝聚着无数科学家和工程师的智慧和汗水本章将带您回顾计算机技术的发展历程，了解关键的历史节点和技术突破计算机的进化不仅体现在硬件性能的提升，还包括软件技术的革新、应用领域的拓展以及对社会生活的深远影响从最初作为科研和军事工具，到如今渗透到社会的每个角落，计算机的角色和意义已经发生了翻天覆地的变化通过学习计算机的发展历史，我们可以更好地理解技术演进的规律，把握未来发展趋势，同时也能培养对技术创新和科学探索的敬畏之心历史不仅仅是对过去的记录，更是对未来的启示了解计算机的发展历程，有助于我们理解技术变革的动力和方向，为未来的学习和职业发展提供指导计算机发展简史机械计算器时代117-19世纪•1642年帕斯卡发明了机械加法器2电子计算机诞生•1671年莱布尼茨设计了能进行四则运算的计算器•19世纪查尔斯·巴贝奇提出差分机和分析机概念1940年代•1945年ENIAC，第一台通用电子计算机大型计算机时代3•1945年冯·诺依曼提出存储程序概念1950-1960年代•1947年晶体管的发明，为小型化奠定基础•IBM700/7000系列4微型计算机革命•高级编程语言出现FORTRAN、COBOL•批处理系统和分时系统的发展1970-1980年代•1971年Intel4004，第一个微处理器互联网和移动时代5•1975年Altair8800，首批个人电脑之一•1976年苹果公司成立1990至今•1981年IBM PC，个人电脑标准化•1991年万维网WWW发布•2007年iPhone问世，开启智能手机时代•2010年代云计算、大数据、人工智能兴起计算机性能演进摩尔定律英特尔创始人戈登·摩尔于1965年提出集成电路上的晶体管数量大约每两年翻一番这一预测在过去几十年基本得到验证，推动了计算机性能的指数级增长5MHz66MHz年处理器年处理器19711993英特尔4004英特尔奔腾3GHz5+GHz年处理器现代处理器2003英特尔奔腾4多核心处理器计算机的发展历程见证了人类从机械计算到电子计算，从大型机到个人电脑，从固定终端到移动设备的伟大变革每一次技术突破都极大地拓展了计算机的应用领域和影响范围，也深刻改变了人类的生活和工作方式计算机先驱人物查尔斯巴贝奇（，）约翰冯诺依曼（，）·Charles Babbage1791-1871··John vonNeumann1903-1957英国数学家、发明家，被誉为计算机之父匈牙利裔美国数学家，计算机科学和现代计算机架构的奠基人主要贡献主要贡献差分机（Difference Engine）1822年提出，用于计算多项式函数值的机械计算机存储程序概念1945年提出，程序和数据统一存储，是现代计算机的核心理念分析机（Analytical Engine）1834年设计，包含输入装置、存储器、处理器和输出装置的概冯·诺依曼架构定义了现代计算机的基本结构，包括念，是现代计算机结构的雏形•中央处理单元（CPU）程序概念分析机设计中引入了程序概念，使用穿孔卡片存储指令•存储器巴贝奇的设计超前于当时的工程技术，分析机在他生前未能完成，但其设计思想为现代计算机奠•输入输出设备定了理论基础•总线系统EDVAC计算机基于他的设计思想，是第一台存储程序计算机我真希望这些计算能够通过蒸汽来执行——查尔斯·巴贝奇冯·诺依曼在数学、物理学、计算机科学等多个领域都有重大贡献，是20世纪最伟大的科学家之一用数学语言写下的自然规律，比用普通语言表述的更加简单——约翰·冯·诺依曼其他计算机先驱艾伦图灵·英国数学家，提出图灵机概念，奠定了计算理论基础，被誉为人工智能之父二战期间破解德国恩尼格玛密码做出重大贡献格蕾丝霍珀·美国计算机科学家，发明了第一个编译器，推动了高级编程语言的发展，对COBOL语言有重大贡献比尔盖茨·微软公司创始人，将个人电脑软件商业化，推动了计算机在全球的普及史蒂夫乔布斯·苹果公司创始人，革新了个人电脑、智能手机等消费电子产品的设计和用户体验这些先驱者的贡献不仅在于他们的技术发明，更在于他们的远见卓识和对计算机潜力的深刻理解他们的思想和创新精神，激励着一代又一代的计算机科学家和工程师不断探索和创新计算机与冯诺依曼模型ENIAC·第一代电子计算机冯诺依曼模型现代计算机的基础ENIAC·ENIAC（Electronic NumericalIntegrator andComputer，电子数字积分计算机）于1946年在美国宾夕法尼亚大学正式投入使用，是世界上第一台通冯·诺依曼于1945年提出了存储程序计算机的概念，这一模型至今仍是大多数计算机的基本架构用电子计算机冯诺依曼模型的核心特点·的特点ENIAC存储程序程序和数据存储在同一存储器中体积庞大占地170平方米，重达30吨顺序执行指令通常按顺序执行耗电量大包含17,468个电子管，功耗150千瓦五大部件运算能力每秒可执行5,000次加法运算•算术逻辑单元（ALU）执行算术和逻辑运算编程方式通过物理连线和开关设置，重新编程需要数天时间•控制单元管理指令的执行主要用途最初为计算弹道表而设计，后用于核武器研究、天气预报等•存储器存储程序和数据ENIAC代表了计算机技术的一个重要里程碑，证明了电子计算机的可行性，但其编程困难、不能存储程序的缺点也促使了后续计算机架构的革新•输入设备接收外部数据•输出设备输出处理结果冯·诺依曼模型的优势在于结构简单清晰，易于实现；但也存在冯·诺依曼瓶颈——处理器和内存之间的数据传输成为系统性能的限制因素从到现代计算机的演进ENIAC第一代（1940-1950s）1电子管计算机代表ENIAC、EDVAC2第二代（1950-1960s）晶体管计算机体积缩小，可靠性提高第三代（1960-1970s）3集成电路计算机性能大幅提升，价格下降4第四代（1970s-至今）超大规模集成电路个人电脑普及，计算能力爆发式增长未来趋势5量子计算、生物计算等突破传统架构限制从ENIAC到今天的超级计算机和智能手机，虽然技术已经发生了翻天覆地的变化，但冯·诺依曼提出的基本架构思想仍然是大多数计算机系统的核心这充分证明了这一架构的深刻洞见和持久生命力第五章计算机网络基础计算机网络是现代信息社会的神经系统，它将分散在世界各地的计算机连接起来，实现资源共享和信息交换本章将介绍计算机网络的基本概念、工作原理以及互联网的发展与应用从最初的军事研究项目，到如今无处不在的全球信息网络，互联网的发展彻底改变了人类获取信息、交流沟通和商业运作的方式了解网络技术的基础知识，对于我们理解和利用这一强大工具至关重要随着物联网、5G、云计算等技术的发展，网络连接的设备种类和数量正在爆炸式增长，网络安全和隐私保护也面临着前所未有的挑战本章内容将帮助我们建立对这一复杂系统的基本认识据统计，全球已有超过50%的人口接入互联网，连接到互联网的设备数量已超过人类总人口的三倍计算机网络已经成为现代社会不可或缺的基础设施什么是计算机网络？计算机网络是指通过通信设备和线路连接起来的、能够相互共享资源和信息的计算机系统的集合简单来说，就是将两台或多台计算机连接起来，使它们能够相互通信和协作计算机网络的基本功能资源共享共享硬件设备（如打印机）、软件资源和数据资源，提高资源利用率信息交换实现用户之间的数据传输和通信，如电子邮件、即时通讯等分布式处理将复杂任务分解，由网络中的多台计算机协作完成，提高处理效率网络拓扑结构可靠性保证网络中各个节点的连接方式，主要有通过数据备份和任务分担，提高系统的容错能力和可靠性总线型所有设备连接到一条主干线计算机网络的分类星型所有设备连接到一个中央节点环型设备形成一个闭环按覆盖范围分类网状设备之间有多条连接路径个人区域网PAN覆盖范围最小，如蓝牙连接的设备树型层次化连接结构局域网LAN覆盖一个局部区域，如家庭、办公室如果说互联网是一张网，那么计算机就是这张网上的节点，而通信线路则是连接这些节点的丝线城域网MAN覆盖一个城市广域网WAN覆盖范围最大，跨越国家或洲际计算机网络的发展历程可以追溯到20世纪60年代1969年，美国国防部高级研究计划局ARPA建立了世界上第一个分组交换网络ARPANET，这被认为是互联网的前身随后，随着TCP/IP协议的发明和应用，全球互联网开始形成并迅速发展今天，计算机网络已经渗透到社会的各个角落，成为信息交流、商业活动、教育学习、娱乐休闲等各种活动的重要平台了解计算机网络的基本概念和原理，对于我们有效利用这一工具具有重要意义互联网简介互联网的定义与特点互联网核心概念互联网（Internet）是全球最大的计算机网络，由无数个子网络组成，通过TCP/IP协议套件实现通信其主要特点包括

1.网址（URL）开放性任何遵循TCP/IP协议的设备都可以接入统一资源定位符，用于标识互联网上的资源位置，格式如分布式没有中央控制点，各网络相对独立运行可扩展性能够不断纳入新的网络和设备协议://域名:端口/路径查询参数#片段健壮性局部故障不影响整体运行例如https://www.example.com/pageid=123互联网的发展历程域名系统（）

2.DNSWeb

1.0时代（1990s）以静态网页为主，用户主要是信息消费者将易记的域名（如www.example.com）转换为计算机使用的IP地址（如

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1.1）Web

2.0时代（2000s）用户可以创建和分享内容，社交媒体兴起网页与网站Web

3.0时代（2010s至今）语义网、人工智能和去中心化技术

3.网页互联网上的单个文档，通常用HTML编写网站一组相关网页的集合，有共同的主题和导航结构浏览器

4.用于访问和显示网页的应用程序，如Chrome、Firefox、Edge等互联网服务与应用万维网电子邮件文件传输WWW基于超文本的全球信息系统，是互联网最流行的应用之一用户可以通过浏览器访一种异步通信方式，允许用户发送和接收电子邮件尽管社交媒体和即时通讯兴通过FTP（文件传输协议）或P2P（点对点）网络进行文件共享和传输云存储服问各种网站，获取信息、进行交流和使用各种在线服务起，电子邮件仍是商业和正式通信的重要工具务如Dropbox、Google Drive等使文件共享更加便捷即时通讯流媒体服务允许用户实时交流的服务，如微信、QQ、WhatsApp等这些平台不仅支持文字提供音频和视频内容的在线播放，如优酷、哔哩哔哩、腾讯视频等这些服务改变交流，还支持语音、视频通话和文件共享了人们娱乐和获取信息的方式互联网已经成为现代社会的基础设施，影响着我们生活的方方面面随着技术的发展，互联网的应用将更加广泛，如物联网、虚拟现实、人工智能等新技术的融合，将带来更多创新和变革网络设备和协议网络设备网络协议网络设备是构建和维护计算机网络的硬件组件，主要包括网络协议是计算机通信的规则和标准，定义了数据如何格式化、传输和接收最重要的协议套件是TCP/IP路由器Router连接不同网络，根据路由表转发数据包，实现跨网络通信工作在网络层OSI第3层，根据IP地址进行数据转发交换机Switch连接同一网络中的多台设备，根据MAC地址转发数据工作在数据链路层OSI第2层，比集线器更高效调制解调器Modem协议族主要协议TCP/IP将数字信号转换为模拟信号（调制）或将模拟信号转换为数字信号（解调）IP互联网协议负责数据包的寻址和路由用于通过电话线或电缆连接互联网TCP传输控制协议提供可靠的、面向连接的传输服务UDP用户数据报协议提供不可靠的、无连接的传输服务HTTP超文本传输协议Web浏览的基础协议SMTP/POP3/IMAP电子邮件相关协议防火墙Firewall FTP文件传输协议用于文件上传和下载监控和过滤网络流量，阻止未授权访问，保护网络安全DNS域名系统将域名转换为IP地址可以是硬件设备，也可以是软件程序其他重要网络设备还包括网关Gateway、接入点Access Point、负载均衡器等，这些设备共同构成了现代网络基础设施地址与地址IP MAC地址地址IP MAC定义标识网络中设备的逻辑地址，如

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1.1定义网络接口的物理地址，如00:1A:2B:3C:4D:5E版本IPv432位和IPv6128位长度48位6字节，通常用16进制表示分类公网IP和私网IP特点全球唯一，由设备制造商分配特点可变的，由网络管理员或DHCP服务器分配作用在局域网内识别设备网络安全基础网络安全是指保护网络系统和数据免受未授权访问、使用、破坏或篡改的措施和技术随着互联网的普及和网络威胁的增加，网络安全变得越来越重要常见网络威胁防火墙技术恶意软件防火墙是一种网络安全系统，根据预设的安全规则监控和控制网络流量，可分为包括病毒、蠕虫、特洛伊木马、勒索软件等，能够破坏系统、窃取数据或控制设备包过滤防火墙基于IP地址、端口号等信息过滤数据包状态检测防火墙跟踪连接状态，提供更智能的过滤钓鱼攻击应用层防火墙分析应用层协议，能够识别和阻止特定应用的威胁下一代防火墙集成了入侵防御、应用控制等高级功能通过伪装成可信实体，诱骗用户提供敏感信息或安装恶意软件常见形式包括钓鱼邮件和伪造网站加密技术中间人攻击加密是保护数据安全的关键技术，将明文转换为密文，只有拥有正确密钥的人才能解密主要加密方式包括攻击者截取和可能修改两方之间的通信，而双方不知道他们实际上是在与攻击者通信对称加密加密和解密使用相同的密钥，如AES、DES攻击非对称加密使用公钥和私钥对，如RSA、ECCDDoS哈希函数将任意长度数据转换为固定长度的字符串，如MD

5、SHA分布式拒绝服务攻击，通过大量请求占用目标系统资源，使其无法正常服务HTTPS协议结合了SSL/TLS加密技术，保障网页浏览安全；VPN虚拟专用网使用加密隧道保护数据传输基本防护措施安装和更新防病毒软件检测和清除恶意软件使用强密码密码应复杂且定期更换定期备份数据防止数据丢失保持软件更新及时安装安全补丁小心处理邮件附件和链接不要打开可疑邮件或点击不明链接使用安全的Wi-Fi连接避免使用不安全的公共网络网络安全最佳实践多因素认证最小权限原则结合密码、短信验证码、指纹等多种认证方式，提高账户安全性为用户和程序分配执行任务所需的最小权限，限制潜在损害安全意识培训安全漏洞管理提高用户对网络威胁的认识和应对能力，人是安全链中最薄弱的环节定期进行安全评估，及时发现和修补系统漏洞网络安全是一个持续的过程，而非一次性的任务随着技术的发展和威胁的演变，安全措施也需要不断更新和加强保持警惕、遵循最佳实践，是确保网络和数据安全的关键第六章计算机在生活中的应用计算机技术已经深入到我们生活的方方面面，从工作到娱乐，从学习到社交，计算机的应用无处不在本章将探讨计算机在现代社会中的广泛应用，以及它如何改变我们的生活方式随着硬件的小型化和软件的智能化，计算机的形态越来越多样化，从传统的台式机、笔记本电脑，到智能手机、平板电脑，再到可穿戴设备、智能家居等，计算机已经融入我们日常生活的各个角落计算机技术的普及不仅提高了工作效率，丰富了娱乐方式，也创造了新的社交模式和商业模式同时，它也带来了一些挑战，如信息过载、隐私安全、数字鸿沟等问题了解计算机的广泛应用，有助于我们更好地利用这一强大工具，享受它带来的便利，同时应对可能的挑战据调查，全球超过60%的人每天使用智能手机的时间超过3小时，计算机技术已经成为现代人生活的重要组成部分计算机无处不在家庭应用工作应用智能手机集通信、娱乐、信息处理于一体的个人计算设备办公自动化文字处理、电子表格、演示文稿等智能家电智能电视、智能冰箱、智能空调等数据分析利用计算机处理和分析大量数据智能家居系统通过物联网控制家中设备，如灯光、温度、安防等远程办公视频会议、协作平台、云存储等家庭娱乐游戏机、家庭影院系统专业软件各行业特定的专业工具，如CAD、会计软件等娱乐应用教育应用游戏电脑游戏、手机游戏、网络游戏等在线学习MOOC平台、视频教程、学习APP等视频平台在线视频、直播、短视频等教育软件交互式学习工具，如语言学习软件社交媒体微信、微博、抖音等社交平台虚拟实验室通过模拟进行科学实验数字内容创作图片编辑、视频制作、音乐创作等教育管理系统学生信息管理、在线评估等医疗健康领域交通与物流计算机技术在医疗健康领域的应用日益广泛计算机技术彻底改变了交通和物流行业医疗信息系统电子病历、医院管理系统智能交通系统交通信号控制、实时路况监测医学影像CT、MRI等医学成像技术导航系统GPS定位、实时导航远程医疗远程诊断、远程手术指导自动驾驶辅助驾驶系统、无人驾驶技术健康监测智能手表、健康APP等物流管理仓储管理、配送优化医学研究药物研发、基因分析等共享出行网约车、共享单车等金融与商业电子支付电子商务金融科技未来趋势计算机技术的未来发展方向计算机技术正以前所未有的速度发展，以下是一些关键的未来趋势人工智能大数据AI BigData人工智能是模拟人类智能的计算机系统，包括机器学习、深度学习、自然语言处理等领域大数据指规模巨大、类型复杂的数据集合，需要特殊的技术和方法进行处理和分析应用领域智能助手、自动驾驶、医疗诊断、智能制造等特点体量大Volume、速度快Velocity、多样性Variety、真实性Veracity、价值Value发展趋势从特定任务的AI向通用人工智能发展，更加自主和智能应用领域商业智能、精准营销、科学研究、城市管理等社会影响提高生产效率，同时可能改变就业结构发展趋势数据处理更加实时化、智能化，更注重数据隐私和伦理云计算物联网Cloud ComputingIoT云计算是通过网络提供计算资源的服务模式，用户可以按需使用计算资源物联网是将各种物理设备连接到互联网的技术，使物体能够感知、通信和交互服务模式基础设施即服务IaaS、平台即服务PaaS、软件即服务SaaS应用领域智能家居、智慧城市、工业物联网、智能穿戴设备等优势弹性伸缩、按需付费、降低IT成本、提高资源利用率关键技术传感器、无线通信、边缘计算、数据分析发展趋势边缘计算与云计算结合，多云环境，无服务器计算发展趋势设备数量爆发式增长，与AI深度融合，安全问题更加突出其他重要趋势量子计算区块链技术增强虚拟现实/利用量子力学原理进行计算的新型计算技术，有望解决传统计算机难以处理的一种分布式账本技术，具有去中心化、不可篡改、可追溯等特点，应用于数AR/VR技术创造沉浸式体验，应用于游戏、教育、医疗、建筑设计等领域复杂问题字货币、供应链管理等领域这些新兴技术不是孤立发展的，而是相互融合、相互促进例如，物联网设备产生的海量数据需要大数据技术处理，AI可以从这些数据中提取有价值的信息，而云计算则提供了必要的计算资源未来的计算机技术将更加智能、互联、普及，深刻改变我们的生活和工作方式我们过去50年的计算进步只是一个开始，未来50年将会带来更加令人惊叹的变革——微软创始人比尔·盖茨课程总结与展望本课程要点回顾计算机素养的重要性计算机基本概念1在信息时代，计算机素养已经成为必不可少的基本技能就业竞争力大多数工作岗位都需要基本的计算机技能了解了计算机的定义、特点以及输入、处理、输出、存储四大基本操作信息获取能力有效利用互联网获取和评估信息2计算机硬件组成数字公民意识安全、合法、道德地使用技术解决问题能力运用计算思维解决实际问题学习了CPU、内存、输入输出设备等硬件组件的功能和工作原理终身学习技术不断发展，需要持续学习新知识和技能计算机软件基础3计算机不仅仅是一种工具，更是一种思维方式——计算机科学家艾伦·库尔掌握了操作系统、应用软件的分类和作用，以及程序与算法的基本概念4计算机发展历史回顾了从机械计算器到现代计算机的发展历程，以及重要的技术突破计算机网络基础5学习了计算机网络的基本概念、互联网的工作原理以及网络安全的重要性6计算机应用与发展探讨了计算机在各领域的广泛应用，以及未来技术发展趋势持续学习的建议利用在线资源实践学习通过MOOC平台、视频教程、技术博客等在线资源，学习最新的计算机知识和技能通过动手实践，如编写简单程序、搭建网站、维护计算机系统等，巩固理论知识。