计算机知识教学课件

计算机知识教学课件第一章计算机的起源与发展计算机的诞生计算机一词最早出现于1613年，当时指代的是进行计算的人类计算者而现代计算机概念的奠基则归功于查尔斯·巴贝奇，他提出了可编程计算机的设想真正意义上的第一台电子通用计算机ENIAC诞生于1946年，它重达30吨，占地面积170平方米，每秒可进行5000次加法运算，开创了计算机时代的先河巴贝奇的分析机设计构思虽在当时无法完全实现，但其核心理念包含了现代计算机的基本要素输入装置、存储器、处理器和输出装置计算机发展里程碑1机械计算时代从古代算盘、计数板到17世纪帕斯卡计算器、莱布尼茨步进计算器，人类开始使用机械装置辅助计算2电子管时代1946年ENIAC标志着电子计算机诞生，体积庞大，耗电量高，运算速度相对缓慢3晶体管时代20世纪50年代，晶体管替代电子管，计算机体积缩小，可靠性提高，IBM等公司开始生产商用计算机4集成电路时代60-70年代，集成电路技术使成千上万晶体管集成在硅片上，个人计算机开始进入家庭5现代微处理器计算机的百年变迁第二章计算机的基本组成计算机的五大组成部分输入设备中央处理器存储器键盘、鼠标、扫描仪、摄像头、麦克风、触CPU是计算机的大脑，负责执行指令和包括内存RAM和硬盘，前者提供临时高摸屏等，将人类指令和外部信息转换为计算数据处理，决定计算机的核心性能，主流厂速存储，后者负责长期数据保存，共同构成机可处理的数据商有英特尔、AMD等计算机的记忆系统输出设备辅助设备显示器、打印机、音响、投影仪等，将计算结果以人类可感知的形式展现，是人机交互的重要环节的结构与功能CPU中央处理器CPU是计算机的核心，主要由三部分组成控制单元CU负责从内存中获取指令，并对指令进行解码，然后发出控制信号，指挥计算机各部分按照程序要求协同工作算术逻辑单元ALU执行算术运算加减乘除和逻辑运算与、或、非等，是CPU的计算核心，运算结果临时存储在寄存器中现代CPU采用多核设计，每个核心可独立执行指令，大幅提高并行处理能力主频、缓存大小、指令集等因素共同决定CPU性能寄存器组CPU内部的高速小容量存储单元，用于存放指令、数据和地址，分为通用寄存器、指令寄存器、程序计数器等类型存储器分类主存储器RAM辅助存储器缓存Cache随机存取存储器，提供高速临时存储空间，包括硬盘HDD和固态硬盘SSD，提供大容位于CPU内部的高速小容量存储，分为L

1、CPU可直接访问特点是读写速度快，但断电量持久存储特点是断电后数据保持非易失L

2、L3多级缓存作用是缓解CPU与主存之间后数据丢失易失性容量通常为4GB至32GB性，但访问速度较RAM慢容量从几百GB到的速度差异，提高数据访问效率，容量通常为几不等几TB MB存储系统形成层次结构，速度与容量成反比，价格与速度成正比计算机自动管理数据在各存储层次间的移动，以平衡性能与成本计算机内部结构示意图中央处理单元存储设备输入输出接口计算机的大脑，执行指令并进行数据处理包括内存和硬盘，存储程序和数据连接外部设备，实现信息交互第三章计算机软件基础软件是计算机的灵魂，从操作系统到应用程序，构成了丰富的数字世界软件的两大类系统软件应用软件以操作系统为代表，是计算机的管家，负责面向用户需求的专用程序，种类繁多•管理和调度计算机硬件资源•办公软件文字处理、电子表格、演示文稿•提供用户交互界面•多媒体图像处理、视频编辑、音频制作•支持应用程序的运行•通讯即时通讯、视频会议、电子邮件•提供安全保护机制•网络应用浏览器、搜索引擎•专业软件CAD设计、财务管理、医疗系统常见操作系统包括•游戏和娱乐软件桌面Windows、macOS、Linux应用软件需要在操作系统的支持下运行，通过系统提供的接口调用硬件移动Android、iOS资源服务器Windows Server、Linux程序与算法算法程序执行解决问题的思路和方法，是程序的灵魂，定义算法的具体实现，是指令的有序集合，告诉计计算机按步骤执行程序指令，实现预定功能，了解决问题的步骤和逻辑算机具体该做什么得到问题解决方案好的算法追求效率时间复杂度和资源利用空程序使用特定编程语言编写，通过编译或解释执行过程中会用到CPU计算、内存存储、输间复杂度的平衡转换为机器可执行的指令入输出等硬件资源举例制作一杯咖啡的算法是准备材料、研磨咖啡豆、烧水、冲泡、加糖等步骤；而程序则是将这些步骤用Java或Python等语言明确写出，包含具体细节和条件判断；执行则是计算机根据程序一步步完成这个过程编程语言简述机器语言汇编语言由0和1组成的二进制指令，是计算机能直接识使用助记符替代二进制码，如MOV、ADD等别执行的唯一语言特点是执行效率最高，但指令，需要汇编器转换为机器语言特点是与编写极其困难硬件结构紧密相关，效率高但可移植性差JavaScript C语言主要用于网页交互的脚本语言，现已发展为系统级高级语言，结合了高级语言的表达能全栈开发语言，支持前端、后端和移动应用力和低级语言的效率，广泛应用于操作系统开发和嵌入式系统开发PythonJava简洁易读的高级语言，强调代码的可读性，在跨平台语言，遵循一次编写，到处运行的理数据分析、人工智能、网站开发等领域广受欢念，广泛应用于企业级应用和Android开发迎编程语言按抽象级别可分为低级和高级语言；按执行方式可分为编译型如C++和解释型如Python语言；按编程范式可分为面向过程、面向对象、函数式等多种类型软件层次结构图计算机软件系统由多层次构成，每一层都为上层提供服务和接口，隐藏下层的复杂性硬件层操作系统层应用软件层物理设备，提供基础计算管理硬件资源，提供程序面向用户的功能程序，解能力运行环境决特定任务第四章计算机网络基础网络将孤立的计算机连接成强大的整体，创造了信息高速公路和数字世界网络的定义与作用什么是计算机网络？网络按规模分类计算机网络是将分散的、独立的计算机通过通信设备和传输介质连接起来，由功能完善的软个人区域网PAN件实现资源共享和信息传递的系统网络的基本功能覆盖个人活动范围的网络，如蓝牙连接的设备群资源共享共享硬件打印机、存储设备、软件和数据局域网LAN通信交流电子邮件、即时通讯、视频会议等分布式处理将复杂任务分散到多台计算机上处理覆盖局部区域如办公室、校园的网络提高可靠性数据备份、容错机制等城域网MAN覆盖城市范围的网络，连接多个局域网广域网WAN跨地区、国家甚至全球的网络互联网Internet全球最大的计算机网络，连接世界各地网络网络分层模型简介为了实现不同厂商设备的互连互通，需要标准化网络通信过程网络分层模型将复TCP/IP模型各层功能杂的网络通信过程分解为若干层次，每层负责特定功能，并为上层提供服务主要分层模型应用层提供用户接口和服务，如HTTP网页、SMTP邮件、FTP文件传输、DNS域名解析OSI七层模型国际标准化组织制定的理论模型TCP/IP四层模型实际广泛应用的互联网协议族传输层负责端到端通信，提供可靠TCP或不可靠UDP的数据传输服务网络层负责数据包的路由和转发，主要协议为IPInternet Protocol网络接口层将数据包转换为物理信号，处理硬件寻址，如以太网协议每层协议都将上层数据作为负载，添加自己的头部信息，形成数据封装接收方则逐层解封装，还原原始数据现代网络技术5G通信技术物联网IoT软件定义网络SDN第五代移动通信技术，具有高速率峰值速率通过各种信息传感设备，实时采集物理世界信将网络控制平面与数据平面分离，通过可编程的20Gbps、低时延1毫秒和大连接每平方公里息，并通过网络互联互通，形成人、物、系统互中央控制器管理网络资源和流量，提高网络灵活100万设备三大特点联的智能网络性和可管理性不仅改善移动互联网体验，更将推动自动驾驶、应用场景包括智能家居、智慧城市、智能制造、SDN使网络能够快速适应业务需求变化，为云远程医疗、智能制造等创新应用环境监测等，正快速改变人类生活和生产方式计算、大数据等应用提供更优网络支持网络拓扑结构示意图星型拓扑环型拓扑总线型拓扑网状拓扑所有设备连接到设备形成闭环，设备连接到共享设备之间存在多中央节点，结构数据单向或双向传输介质，布线条路径，可靠性简单但中心节点传输，节点平等简单但带宽共享高但成本较高故障影响整网第五章计算机安全与防护数字世界的安全威胁无处不在，保护数据和系统安全是信息时代的重要课题常见安全威胁计算机病毒木马程序能自我复制并传播的恶意程序，可能导致系统异常、文件损坏或信息泄露伪装成正常程序的恶意软件，获取系统控制权后可能窃取信息、远程控制或破坏系统勒索软件网络钓鱼加密用户文件或锁定系统，要求支付赎金才能恢复，近年来造成巨大经济损失通过伪造的邮件、网站等欺骗用户提供敏感信息或安装恶意软件数据泄露拒绝服务攻击未经授权获取敏感数据的行为，可能来自外部攻击、内部人员或系统漏洞通过大量无效请求耗尽系统资源，导致正常服务中断，影响系统可用性计算机安全威胁呈现出多样化、专业化、持续化的特点，攻击者可能是个人黑客、犯罪组织甚至是国家支持的高级持续性威胁APT组织安全防护措施技术防护管理防护安全策略制定明确安全目标、责任和规程防火墙用户权限管理遵循最小权限原则，合理分配权限监控和过滤网络流量，阻止未授权访问安全意识培训提高用户安全防范意识安全审计与监控记录和分析系统活动应急响应计划制定应对安全事件的流程杀毒软件数据备份与恢复定期备份重要数据，确保可恢复性检测和清除病毒、木马等恶意程序补丁和更新管理及时安装安全更新，修复漏洞入侵检测/防御识别可疑活动并采取相应措施数据加密保护敏感数据，防止未授权读取身份认证确保只有授权用户才能访问系统网络安全案例勒索软件攻击案例数据泄露案例2017年，WannaCry勒索软件攻击席卷全球150多个国家，超过2018年，社交媒体巨头脸书爆出数据泄露丑闻，剑桥分析公司未30万台计算机被感染，包括医院、政府机构和企业英国国家医经授权获取了高达8700万用户的个人数据，并用于政治广告定向疗服务体系NHS受到严重影响，导致约19,000个预约取消，总投放经济损失估计超过40亿美元这一事件导致脸书市值一度蒸发超过1000亿美元，并面临多国监攻击利用了Windows系统的EternalBlue漏洞，加密用户文件管机构调查和巨额罚款该事件引发了公众对数据隐私保护的广泛并要求支付比特币赎金这一事件凸显了及时更新系统补丁的重要关注，促使各国加强数据保护法规性个人安全防护提示•使用强密码并定期更换，不同账号使用不同密码•启用两因素认证，增加账号安全性•谨慎点击邮件中的链接和附件，警惕钓鱼网站•定期备份重要数据，防止勒索软件威胁•及时更新操作系统和应用程序，修复安全漏洞第六章计算机的未来趋势计算技术日新月异，从人工智能到量子计算，新一代技术正在重塑世界人工智能与机器学习人工智能的发展主要应用场景人工智能AI是研究如何让计算机模拟和扩展人类智能的科学，经历了从符号主义AI到连接主义AI再到深度学习自动驾驶感知环境、规划路径、控制车辆的发展历程智能助手语音交互、个性化推荐核心技术医疗诊断辅助医生解读影像、预测疾病金融分析风险评估、欺诈检测、投资建议智能制造质量控制、预测性维护机器学习内容创作生成文本、图像、音乐通过数据学习经验改进性能，无需明确编程深度学习使用多层神经网络从大量数据中学习特征自然语言处理AI正从专用领域向通用人工智能AGI方向发展，同时也面临着伦理、隐私和安全等挑战理解和生成人类语言，实现人机对话计算机视觉使计算机能够看见和理解视觉信息云计算与大数据云计算大数据通过网络提供可扩展的计算资源服务，指规模巨大、类型多样、变化迅速且价包括基础设施即服务IaaS、平台即服值密度低的数据集合，具有体量大务PaaS和软件即服务SaaS三种模Volume、多样性Variety、高速式度Velocity和真实性Veracity等特征主要优势按需使用、弹性伸缩、降低大数据技术栈包括数据采集、存储如成本、提高可靠性代表企业有Hadoop、处理如Spark、分析和AWS、微软Azure、谷歌云和阿里云可视化等环节等企业数字化转型云计算和大数据是企业数字化转型的核心技术支撑，帮助企业优化业务流程、提升决策质量、创新商业模式转型路径通常包括IT基础设施云化、业务系统数据化、决策过程智能化三个阶段云计算与大数据相辅相成云提供了处理大数据所需的弹性计算资源，而大数据分析则是云计算的重要应用场景，两者共同推动了数据驱动的智能化转型量子计算展望量子计算原理潜在应用传统计算机使用比特bit作为信息单位，只能表示0或1两种状态量子密码学破解现有加密系统，同时发展量子安全通信计算机基于量子力学原理，使用量子比特qubit，可以同时处于多种状药物发现模拟分子结构，加速新药研发态的叠加态材料科学设计新型材料，如高温超导体量子计算还利用了量子纠缠现象，使多个量子比特之间存在强相关性，优化问题解决物流、金融等领域的复杂优化问题可以同时影响彼此状态这些特性使量子计算机在特定问题上具有指数人工智能加速机器学习算法，扩展AI能力边界级加速的潜力发展现状目前量子计算仍处于早期发展阶段2019年，谷歌声称实现了量子霸权，其53量子比特的处理器完成了经典超级计算机需要数千年的计算任务但现有量子计算机仍面临量子相干性短暂、容错困难等挑战量子计算可能引发新一轮计算革命，但短期内更可能与经典计算形成互补，而非全面替代量子安全也将成为未来网络安全的重要议题未来科技概念人工智能云计算与大数据量子计算智能机器人与自动化系统分布式数据中心处理全球突破性计算能力解决传统将重新定义生产和生活方信息流，支撑智能决策计算机难以处理的复杂问式题结语计算机改变世界，你我共创未来无处不在的计算持续学习从智能手机到物联网设备，计算机技术已融入生活方方面面，计算机领域日新月异，保持好奇心和学习热情，持续更新知识改变了我们的工作方式、学习方式、社交方式和娱乐方式结构，是适应数字时代的必备能力创新未来解决问题计算机科技仍有无限可能，期待你成为下一个创新者，用技术计算思维是数字时代的核心素养，学习用结构化思维分析问解决人类面临的挑战，创造更美好的世界题、设计算法，将大问题分解为可解决的小问题计算机是自行车一样的工具，它让人类的思维具有不可思议的前进速度——史蒂夫·乔布斯。