計算機科學(xué)與技術(shù)作業(yè)指導(dǎo)書

計算機科學(xué)與技術(shù)作業(yè)指導(dǎo)書TOC\o"1-2"\h\u17917第1章計算機系統(tǒng)概述 4126051.1計算機發(fā)展史 4121181.1.1計算機早期發(fā)展 4105431.1.2計算機技術(shù)的演變 410641.1.3當(dāng)代計算機技術(shù)發(fā)展 4273631.2計算機系統(tǒng)組成 472091.2.1硬件系統(tǒng) 4129641.2.2軟件系統(tǒng) 582561.2.3硬件與軟件的關(guān)系 5298091.3計算機工作原理 5205421.3.1馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu) 5259591.3.2指令系統(tǒng) 5223231.3.3執(zhí)行過程 511564第2章計算機硬件基礎(chǔ) 5111582.1處理器 5266292.1.1CPU的基本組成 586122.1.2CPU的功能指標 697852.1.3CPU的發(fā)展歷程 6188332.2存儲器 6153432.2.1存儲器的分類與層次結(jié)構(gòu) 6165282.2.2存儲器的功能指標 632492.2.3存儲器的發(fā)展趨勢 647862.3輸入輸出系統(tǒng) 661902.3.1輸入輸出設(shè)備 6320492.3.2I/O接口 6312242.3.3I/O控制方式 770752.3.4輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展 723634第3章計算機軟件基礎(chǔ) 782263.1操作系統(tǒng)概述 777543.1.1操作系統(tǒng)的起源與發(fā)展 7300733.1.2操作系統(tǒng)的功能 7122033.1.3操作系統(tǒng)的類型 8255413.2編程語言概述 8311263.2.1編程語言的分類 8213043.2.2編程語言的發(fā)展歷程 883803.2.3編程語言的特點 8260823.3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法 957763.3.1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念 9103943.3.2算法的基本概念 9227653.3.3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的分類 923696第4章操作系統(tǒng)原理 9317464.1進程管理 997404.1.1進程與線程 10144644.1.2進程調(diào)度 1046974.1.3進程同步與互斥 10185304.1.4進程通信 10138184.2存儲管理 10283584.2.1內(nèi)存分配與回收 10280574.2.2虛擬內(nèi)存 10111784.2.3存儲保護 10243964.2.4存儲優(yōu)化 11252354.3文件系統(tǒng) 1118314.3.1文件與目錄 11131564.3.2文件存儲與訪問控制 11125934.3.3文件系統(tǒng)功能 11324954.3.4文件系統(tǒng)安全 115175第5章計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) 1174285.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu) 1171955.1.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基本概念 11143505.1.2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 12101115.1.3常見網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 1288275.2網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) 12235635.2.1數(shù)據(jù)交換技術(shù) 12236835.2.2傳輸介質(zhì) 1234815.2.3調(diào)制解調(diào)技術(shù) 12299615.3網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與拓撲結(jié)構(gòu) 12225425.3.1網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 1217125.3.2網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 1218601第6章數(shù)據(jù)庫技術(shù) 13231236.1數(shù)據(jù)庫基本概念 1369196.1.1數(shù)據(jù)庫的定義 13170256.1.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS） 13284796.1.3數(shù)據(jù)模型 1381176.2關(guān)系數(shù)據(jù)庫 13188646.2.1關(guān)系模型 13151946.2.2關(guān)系操作 13293116.2.3關(guān)系完整性約束 13224896.3SQL語言與數(shù)據(jù)庫設(shè)計 13148126.3.1SQL語言 131613數(shù)據(jù)查詢 133967數(shù)據(jù)定義 145769數(shù)據(jù)操縱 143839數(shù)據(jù)控制 14236976.3.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計 1428656實體關(guān)系模型（ER模型） 147873關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法 1432751數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論 1423087第7章編程實踐 14158737.1C語言編程基礎(chǔ) 14140897.1.1數(shù)據(jù)類型與變量 14107327.1.2運算符與表達式 1453757.1.3控制結(jié)構(gòu) 15121607.1.4函數(shù) 1561457.1.5指針與數(shù)組 1553437.1.6結(jié)構(gòu)體與聯(lián)合 1581477.2面向?qū)ο缶幊?15195227.2.1類與對象 15105587.2.2構(gòu)造函數(shù)與析構(gòu)函數(shù) 15196797.2.3繼承與多態(tài) 15199547.2.4封裝與訪問控制 15296387.2.5接口與實現(xiàn) 15847.3算法分析與實現(xiàn) 16135617.3.1排序算法 16191447.3.2查找算法 16261337.3.3遞歸算法 16220687.3.4動態(tài)規(guī)劃 16305137.3.5貪心算法 1623003第8章計算機圖形學(xué) 16214848.1圖形學(xué)基本概念 16262978.1.1圖形表示 16137648.1.2圖形處理 16212498.1.3圖形顯示 17148778.2光柵圖形學(xué) 17282858.2.1光柵化 17250088.2.2反走樣技術(shù) 17119858.2.3陰影技術(shù) 1731238.3計算機動畫與可視化 17150898.3.1計算機動畫 18231588.3.2可視化 1814167第9章人工智能初步 18292699.1人工智能發(fā)展簡史 181739.1.1邏輯推理與專家系統(tǒng) 18151359.1.2機器學(xué)習(xí)與知識表示 18125569.1.3深度學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 1877899.2機器學(xué)習(xí)基礎(chǔ) 19276529.2.1基本概念 19308459.2.2主要類型 1941009.2.3常用算法 19318819.3深度學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 2081569.3.1基本原理 20134919.3.2常用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 2034349.3.3應(yīng)用 205820第10章計算機倫理與法律法規(guī) 202764010.1計算機倫理 201258610.1.1計算機倫理的定義與意義 20892210.1.2計算機倫理的主要問題 21669510.2計算機犯罪與網(wǎng)絡(luò)安全 212421510.2.1計算機犯罪概述 21919710.2.2計算機犯罪的主要類型 21996210.2.3網(wǎng)絡(luò)安全防范 211744910.3我國計算機法律法規(guī)體系 212361010.3.1我國計算機法律法規(guī)概述 212388210.3.2我國計算機法律法規(guī)的主要內(nèi)容 222975710.3.3計算機法律法規(guī)的實施與監(jiān)管 22第1章計算機系統(tǒng)概述1.1計算機發(fā)展史1.1.1計算機早期發(fā)展計算機的發(fā)展可以追溯到20世紀30年代至40年代。最初的計算機采用機械方式，如查爾斯·巴貝奇設(shè)計的差分機和分析機。電子技術(shù)的進步，第一臺電子計算機ENIAC于1946年在美國賓夕法尼亞大學(xué)問世。1.1.2計算機技術(shù)的演變自ENIAC問世以來，計算機技術(shù)經(jīng)歷了多次重大變革。晶體管的發(fā)明使得計算機體積縮小、速度提高，隨后集成電路的出現(xiàn)進一步推進了計算機的發(fā)展。20世紀60年代，集成電路計算機的出現(xiàn)使計算機開始進入實用階段。80年代，個人計算機（PC）的普及使得計算機技術(shù)走進了千家萬戶。1.1.3當(dāng)代計算機技術(shù)發(fā)展當(dāng)前，計算機技術(shù)正朝著高功能、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。高功能計算機不斷刷新計算速度記錄，移動設(shè)備逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分，云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)為計算機應(yīng)用提供了新的機遇。1.2計算機系統(tǒng)組成1.2.1硬件系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)是計算機的實體部分，包括處理器（CPU）、存儲器、輸入輸出設(shè)備等。其中，CPU是計算機的核心，負責(zé)執(zhí)行程序指令；存儲器用于存儲程序和數(shù)據(jù)；輸入輸出設(shè)備則負責(zé)與人機交互。1.2.2軟件系統(tǒng)計算機軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件負責(zé)管理和控制計算機硬件資源，如操作系統(tǒng)、編譯器等；應(yīng)用軟件則針對特定任務(wù)為用戶提供功能，如文字處理、圖像處理等。1.2.3硬件與軟件的關(guān)系計算機硬件和軟件相互依賴、相輔相成。硬件為軟件提供了運行環(huán)境，軟件則充分發(fā)揮硬件功能，實現(xiàn)各種功能。1.3計算機工作原理1.3.1馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計算機采用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，其核心思想為存儲程序。計算機由五部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。運算器和控制器組成處理器（CPU），負責(zé)執(zhí)行程序指令；存儲器用于存儲程序和數(shù)據(jù)；輸入輸出設(shè)備負責(zé)數(shù)據(jù)交換。1.3.2指令系統(tǒng)計算機指令系統(tǒng)是計算機硬件的語言，用于描述計算機可以執(zhí)行的操作。指令包括操作碼和操作數(shù)，操作碼表示操作類型，操作數(shù)表示操作對象。1.3.3執(zhí)行過程計算機在工作時，首先從存儲器中取出指令，經(jīng)過解碼后，由控制器向運算器發(fā)出操作命令。運算器根據(jù)操作命令對操作數(shù)進行運算，并將結(jié)果存儲在指定的存儲單元中。如此循環(huán)，直至程序執(zhí)行完畢。第2章計算機硬件基礎(chǔ)2.1處理器2.1.1CPU的基本組成處理器（CentralProcessingUnit，CPU）是計算機硬件的核心部件，主要負責(zé)解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。CPU主要由控制器、算術(shù)邏輯單元（ALU）、寄存器等部分組成。2.1.2CPU的功能指標CPU的功能指標主要包括主頻、核心數(shù)、緩存、制程等。主頻指的是CPU的時鐘頻率，單位為GHz；核心數(shù)指的是CPU中處理器的核心數(shù)量，多核心CPU可以同時處理多個任務(wù)，提高計算機的處理速度；緩存分為L1、L2、L3三級，主要作用是臨時存儲頻繁訪問的數(shù)據(jù)和指令；制程指的是CPU制造工藝的精度，制程越小，功耗越低，功能越高。2.1.3CPU的發(fā)展歷程從最初的4位CPU到現(xiàn)在的64位CPU，CPU的發(fā)展經(jīng)歷了多次變革。其中，代表性的技術(shù)發(fā)展有：流水線技術(shù)、超標量架構(gòu)、多核技術(shù)、異構(gòu)計算等。2.2存儲器2.2.1存儲器的分類與層次結(jié)構(gòu)存儲器可以分為內(nèi)存儲器和外存儲器。內(nèi)存儲器（主存）是CPU可以直接訪問的存儲器，主要包括DRAM和SRAM；外存儲器（輔助存儲器）如硬盤、固態(tài)硬盤等，存儲容量大，但訪問速度較慢。2.2.2存儲器的功能指標存儲器的功能指標主要包括容量、速度、功耗等。容量指存儲器可以存儲的數(shù)據(jù)量；速度主要包括讀寫速度和訪問延遲；功耗則關(guān)系到存儲器的發(fā)熱量和能耗。2.2.3存儲器的發(fā)展趨勢大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的發(fā)展，存儲器的發(fā)展趨勢為：容量不斷擴大、速度不斷提高、功耗不斷降低。新型存儲技術(shù)如3DNAND、ReRAM等逐漸成為研究熱點。2.3輸入輸出系統(tǒng)2.3.1輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備（I/O設(shè)備）是計算機系統(tǒng)與外界進行信息交換的設(shè)備。常見的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標、掃描儀等；輸出設(shè)備有顯示器、打印機、揚聲器等。2.3.2I/O接口I/O接口負責(zé)連接計算機內(nèi)部和外部的I/O設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。常見的I/O接口有并行接口、串行接口、USB、PCIe等。2.3.3I/O控制方式I/O控制方式主要有程序控制I/O、中斷驅(qū)動I/O、直接內(nèi)存訪問（DMA）等。這些控制方式提高了計算機系統(tǒng)對I/O設(shè)備的訪問效率。2.3.4輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，輸入輸出系統(tǒng)也在不斷進步。發(fā)展趨勢包括：傳輸速度不斷提高、接口標準化、無線化、智能化等。例如，USB3.1、Thunderbolt等高速接口的出現(xiàn)，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。同時物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等技術(shù)的發(fā)展，也對輸入輸出系統(tǒng)提出了更高的要求。第3章計算機軟件基礎(chǔ)3.1操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)（OperatingSystem，簡稱OS）是計算機系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)軟件，它負責(zé)管理和協(xié)調(diào)計算機硬件與軟件資源，為用戶提供便捷、高效的使用環(huán)境。本章將從操作系統(tǒng)的起源、發(fā)展、功能、類型等方面進行概述。3.1.1操作系統(tǒng)的起源與發(fā)展操作系統(tǒng)的起源可以追溯到20世紀50年代，計算機技術(shù)的發(fā)展，操作系統(tǒng)也經(jīng)歷了從無到有、從簡單到復(fù)雜的過程。主要經(jīng)歷了以下階段：（1）單道批處理系統(tǒng)（2）多道批處理系統(tǒng)（3）分時操作系統(tǒng)（4）實時操作系統(tǒng)（5）網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（6）分布式操作系統(tǒng)3.1.2操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)的主要功能包括：（1）進程管理：負責(zé)進程的創(chuàng)建、調(diào)度、同步、通信和終止等。（2）存儲管理：負責(zé)內(nèi)存空間的分配、回收和保護等。（3）文件管理：負責(zé)文件的創(chuàng)建、刪除、讀寫和保護等。（4）設(shè)備管理：負責(zé)設(shè)備驅(qū)動程序的加載、卸載和設(shè)備分配等。（5）用戶界面：為用戶提供交互式操作界面。3.1.3操作系統(tǒng)的類型根據(jù)操作系統(tǒng)的特點和應(yīng)用場景，可以將操作系統(tǒng)分為以下幾類：（1）個人計算機操作系統(tǒng)：如Windows、macOS、Linux等。（2）服務(wù)器操作系統(tǒng)：如Unix、Linux、WindowsServer等。（3）嵌入式操作系統(tǒng)：如嵌入式Linux、WindowsCE、iOS等。（4）實時操作系統(tǒng)：如VxWorks、QNX、RTOS等。3.2編程語言概述編程語言（ProgrammingLanguage）是用于編寫計算機程序的語言，它將人類可以理解的指令轉(zhuǎn)換為計算機可以執(zhí)行的機器指令。本章將從編程語言的分類、發(fā)展歷程、特點等方面進行概述。3.2.1編程語言的分類編程語言可以分為以下幾類：（1）機器語言：計算機能直接執(zhí)行的語言，與硬件緊密相關(guān)。（2）匯編語言：使用助記符表示機器指令的語言，與硬件相關(guān)。（3）高級語言：接近人類自然語言，易于理解和掌握，如C、C、Java、Python等。（4）腳本語言：用于編寫腳本程序，如Shell、Python、Ru等。（5）面向?qū)ο笳Z言：以對象為基本程序結(jié)構(gòu)，如Java、C、Python等。3.2.2編程語言的發(fā)展歷程編程語言的發(fā)展經(jīng)歷了以下階段：（1）20世紀50年代：機器語言和匯編語言（2）20世紀60年代：高級語言（如Fortran、Cobol、Algol等）（3）20世紀70年代：結(jié)構(gòu)化編程語言（如Pascal、C）（4）20世紀80年代：面向?qū)ο缶幊陶Z言（如C、Smalltalk）（5）20世紀90年代至今：互聯(lián)網(wǎng)時代編程語言（如Java、Python、JavaScript等）3.2.3編程語言的特點不同編程語言具有不同的特點，以下列舉一些典型特點：（1）高效性：如C、C等語言，執(zhí)行速度快。（2）易用性：如Python、Ru等語言，語法簡潔，易于學(xué)習(xí)。（3）安全性：如Java、Python等語言，具有較好的類型檢查和異常處理機制。（4）跨平臺性：如Java、Python等語言，可以在不同操作系統(tǒng)上運行。3.3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（DataStructure）是計算機存儲和組織數(shù)據(jù)的方式，算法（Algorithm）是解決問題的步驟和方法。本章將從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的基本概念、分類和應(yīng)用等方面進行概述。3.3.1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指數(shù)據(jù)元素之間的關(guān)系和組織方式，主要包括以下幾種：（1）線性結(jié)構(gòu)：如數(shù)組、鏈表、棧、隊列等。（2）非線性結(jié)構(gòu)：如樹、圖等。3.3.2算法的基本概念算法是解決問題的一系列操作步驟，具有以下特性：（1）有窮性：算法在有限的步驟內(nèi)完成。（2）確定性：算法每一步的操作明確無誤。（3）可行性：算法能夠通過執(zhí)行得到正確的結(jié)果。（4）輸入：算法需要0個或多個輸入。（5）輸出：算法至少有一個輸出。3.3.3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的分類根據(jù)應(yīng)用場景和解決問題的方式，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法可以分為以下幾類：（1）排序算法：如冒泡排序、快速排序、歸并排序等。（2）查找算法：如順序查找、二分查找、哈希查找等。（3）圖算法：如深度優(yōu)先搜索、廣度優(yōu)先搜索、最短路徑算法等。（4）樹算法：如二叉樹遍歷、平衡樹操作、堆操作等。通過本章的學(xué)習(xí)，讀者可以了解計算機軟件基礎(chǔ)的相關(guān)知識，為后續(xù)學(xué)習(xí)計算機科學(xué)與技術(shù)奠定基礎(chǔ)。第4章操作系統(tǒng)原理4.1進程管理4.1.1進程與線程進程的定義與特征線程的概念與作用進程與線程的對比與關(guān)聯(lián)4.1.2進程調(diào)度調(diào)度算法：先來先服務(wù)、短作業(yè)優(yōu)先、優(yōu)先級調(diào)度等調(diào)度策略：搶占式、非搶占式進程調(diào)度的目標與功能指標4.1.3進程同步與互斥同步機制：信號量、互斥量、條件變量等互斥問題的解決：Peterson算法、軟件解決方案等死鎖與饑餓問題4.1.4進程通信管道、消息隊列、共享內(nèi)存等通信機制套接字通信信號與信號處理4.2存儲管理4.2.1內(nèi)存分配與回收單一連續(xù)分配固定分區(qū)分配可變分區(qū)分配頁式、段式與段頁式分配4.2.2虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存的基本概念地址映射：分頁機制、分段機制頁面置換算法：LRU、FIFO、Clock等4.2.3存儲保護保護機制：訪問控制、權(quán)限設(shè)置等段頁式存儲保護頁表保護4.2.4存儲優(yōu)化頁面大小選擇缺頁中斷處理工作集模型4.3文件系統(tǒng)4.3.1文件與目錄文件的概念與屬性目錄結(jié)構(gòu)：單級目錄、兩級目錄、樹形目錄等文件系統(tǒng)布局4.3.2文件存儲與訪問控制文件存儲設(shè)備：硬盤、SSD等文件存儲結(jié)構(gòu)：連續(xù)分配、鏈式分配、索引分配等訪問控制：用戶權(quán)限、訪問模式等4.3.3文件系統(tǒng)功能文件系統(tǒng)功能指標：讀寫速度、訪問延遲等文件系統(tǒng)緩存文件系統(tǒng)優(yōu)化策略4.3.4文件系統(tǒng)安全加密與解密技術(shù)文件權(quán)限管理文件系統(tǒng)備份與恢復(fù)技術(shù)磁盤空間分配與回收策略第5章計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)5.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是計算機網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)通信的基礎(chǔ)，它定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?、傳輸方式以及傳輸過程中所涉及的各種控制信息。本節(jié)將介紹網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基本概念、體系結(jié)構(gòu)以及常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。5.1.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基本概念網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是計算機網(wǎng)絡(luò)中通信實體之間為實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換而約定的一組規(guī)則。它包括三個基本要素：語法、語義和時序。5.1.2網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是計算機網(wǎng)絡(luò)中各個層次及其協(xié)議的集合。常見的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)有OSI七層模型和TCP/IP四層模型。5.1.3常見網(wǎng)絡(luò)協(xié)議本節(jié)將介紹一些常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如HTTP、FTP、SMTP、DHCP等，并分析它們的原理和應(yīng)用場景。5.2網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是計算機網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一，主要包括數(shù)據(jù)交換技術(shù)、傳輸介質(zhì)和調(diào)制解調(diào)技術(shù)等。本節(jié)將詳細介紹這些技術(shù)的基本原理和特點。5.2.1數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)是指在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?。常見的?shù)據(jù)交換技術(shù)有電路交換、分組交換和報文交換。5.2.2傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硗ǖ?。本?jié)將介紹雙絞線、同軸電纜、光纖和無線電波等常見傳輸介質(zhì)的特性及應(yīng)用。5.2.3調(diào)制解調(diào)技術(shù)調(diào)制解調(diào)技術(shù)是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號（調(diào)制）以及將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（解調(diào)）的技術(shù)。本節(jié)將介紹常見的調(diào)制解調(diào)技術(shù)及其應(yīng)用。5.3網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和拓撲結(jié)構(gòu)是構(gòu)建計算機網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它們直接影響到網(wǎng)絡(luò)的功能和穩(wěn)定性。本節(jié)將介紹常見的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及其功能，以及網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的基本概念。5.3.1網(wǎng)絡(luò)設(shè)備本節(jié)將介紹一些常見的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如交換機、路由器、網(wǎng)關(guān)、防火墻等，并分析它們的工作原理和功能。5.3.2網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是指計算機網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點和通信線路的幾何排列形式。本節(jié)將介紹星型、環(huán)型、總線型、樹型和網(wǎng)狀等常見的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。第6章數(shù)據(jù)庫技術(shù)6.1數(shù)據(jù)庫基本概念6.1.1數(shù)據(jù)庫的定義數(shù)據(jù)庫是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的倉庫。它具有數(shù)據(jù)冗余度低、數(shù)據(jù)一致性高、易于擴展和維護等優(yōu)點，是計算機科學(xué)領(lǐng)域中一種重要的數(shù)據(jù)管理技術(shù)。6.1.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是一種用于建立、使用和維護數(shù)據(jù)庫的軟件系統(tǒng)。它提供了一系列功能，包括數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)控制等。6.1.3數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的抽象表示，主要包括關(guān)系模型、層次模型、網(wǎng)狀模型和面向?qū)ο竽Ｐ偷取?.2關(guān)系數(shù)據(jù)庫6.2.1關(guān)系模型關(guān)系模型是基于關(guān)系代數(shù)理論的數(shù)據(jù)庫模型，采用表格形式組織和存儲數(shù)據(jù)。關(guān)系模型中，數(shù)據(jù)被表示為二維表格，表格中的行稱為記錄，列稱為字段。6.2.2關(guān)系操作關(guān)系操作包括查詢、插入、刪除和修改等。其中，查詢操作是關(guān)系數(shù)據(jù)庫的核心功能，主要包括選擇、投影、連接和除等運算。6.2.3關(guān)系完整性約束關(guān)系完整性約束是指數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)必須滿足的約束條件，主要包括實體完整性、參照完整性和用戶自定義完整性。6.3SQL語言與數(shù)據(jù)庫設(shè)計6.3.1SQL語言結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）是關(guān)系數(shù)據(jù)庫的標準查詢語言，用于數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操縱和數(shù)據(jù)控制等功能。數(shù)據(jù)查詢SQL提供了SELECT語句進行數(shù)據(jù)查詢，支持單表查詢、多表查詢、子查詢等。數(shù)據(jù)定義SQL通過CREATE、ALTER和DROP等語句進行數(shù)據(jù)定義，包括創(chuàng)建表、修改表和刪除表等操作。數(shù)據(jù)操縱SQL通過INSERT、UPDATE和DELETE等語句進行數(shù)據(jù)操縱，包括插入記錄、更新記錄和刪除記錄等操作。數(shù)據(jù)控制SQL通過GRANT和REVOKE等語句進行數(shù)據(jù)控制，實現(xiàn)對用戶權(quán)限的授予和撤銷。6.3.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計實體關(guān)系模型（ER模型）實體關(guān)系模型是數(shù)據(jù)庫設(shè)計的重要工具，用于描述現(xiàn)實世界中的實體及其相互關(guān)系。關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法主要包括：需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計和物理結(jié)構(gòu)設(shè)計等。數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論用于指導(dǎo)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，主要包括第一范式、第二范式、第三范式和BC范式等。通過本章學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)掌握數(shù)據(jù)庫的基本概念、關(guān)系數(shù)據(jù)庫的理論知識和SQL語言的使用，以及數(shù)據(jù)庫設(shè)計的方法和技巧。第7章編程實踐7.1C語言編程基礎(chǔ)C語言作為計算機編程的基石，其重要性不言而喻。本節(jié)將引導(dǎo)讀者掌握C語言編程的基本技能。7.1.1數(shù)據(jù)類型與變量熟悉C語言中的基本數(shù)據(jù)類型，如整型、浮點型、字符型等，并了解如何聲明和初始化變量。7.1.2運算符與表達式學(xué)習(xí)C語言提供的各種運算符，包括算術(shù)、關(guān)系、邏輯運算符等，并掌握如何構(gòu)建表達式。7.1.3控制結(jié)構(gòu)掌握C語言中的三種基本控制結(jié)構(gòu)：順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)（ifelse）和循環(huán)結(jié)構(gòu)（for、while、dowhile）。7.1.4函數(shù)理解函數(shù)的概念，掌握函數(shù)的定義、聲明和調(diào)用方法。學(xué)習(xí)如何使用局部變量和全局變量，以及如何進行參數(shù)傳遞。7.1.5指針與數(shù)組掌握指針的概念和用法，了解指針與數(shù)組的關(guān)系，學(xué)會使用指針操作數(shù)組元素。7.1.6結(jié)構(gòu)體與聯(lián)合學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合的定義和用法，了解如何使用它們組織不同類型的數(shù)據(jù)。7.2面向?qū)ο缶幊堂嫦驅(qū)ο缶幊蹋∣OP）是一種編程范式，本節(jié)將介紹面向?qū)ο缶幊痰幕靖拍詈虲語言實現(xiàn)。7.2.1類與對象理解類的概念，掌握如何定義類和創(chuàng)建對象。學(xué)習(xí)如何定義成員變量和成員函數(shù)。7.2.2構(gòu)造函數(shù)與析構(gòu)函數(shù)了解構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)的作用，掌握它們的定義和調(diào)用時機。7.2.3繼承與多態(tài)學(xué)習(xí)繼承的概念，掌握基類和派生類的定義方法。了解多態(tài)性原理，掌握虛函數(shù)和純虛函數(shù)的使用。7.2.4封裝與訪問控制理解封裝的概念，掌握C中的訪問控制符（public、private、protected）的使用。7.2.5接口與實現(xiàn)學(xué)習(xí)如何定義接口，掌握抽象類和具體類的區(qū)別，以及如何實現(xiàn)接口。7.3算法分析與實現(xiàn)本節(jié)將介紹一些常用算法的分析和實現(xiàn)方法。7.3.1排序算法學(xué)習(xí)冒泡排序、選擇排序、插入排序、快速排序等常見排序算法的原理和實現(xiàn)。7.3.2查找算法掌握二分查找、線性查找等常見查找算法的原理和實現(xiàn)。7.3.3遞歸算法理解遞歸的概念，掌握遞歸算法的設(shè)計和實現(xiàn)方法。7.3.4動態(tài)規(guī)劃學(xué)習(xí)動態(tài)規(guī)劃的基本原理，掌握動態(tài)規(guī)劃算法的設(shè)計和實現(xiàn)方法。7.3.5貪心算法了解貪心算法的基本思想，掌握貪心算法在求解問題中的應(yīng)用和實現(xiàn)。第8章計算機圖形學(xué)8.1圖形學(xué)基本概念計算機圖形學(xué)是研究計算機和處理圖像的科學(xué)和藝術(shù)。本章將介紹圖形學(xué)的基本概念，包括圖形表示、圖形處理和圖形顯示等方面。8.1.1圖形表示圖形表示是指如何使用數(shù)學(xué)和幾何方法來描述現(xiàn)實世界中的物體。常見的圖形表示方法包括：（1）柵格表示：將圖形劃分為像素點陣，適用于光柵顯示器。（2）矢量表示：使用數(shù)學(xué)曲線和曲面來描述圖形，適用于圖形的精確表示和放大。（3）參數(shù)表示：通過參數(shù)方程描述圖形，易于進行幾何變換和動畫。8.1.2圖形處理圖形處理涉及圖形的、變換、存儲和輸出等操作。主要包括以下內(nèi)容：（1）圖形：包括線段、曲線、曲面等基本圖形的。（2）幾何變換：對圖形進行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等變換操作。（3）圖形存儲：將圖形數(shù)據(jù)以某種格式存儲在計算機中，如柵格圖像、矢量圖形等。（4）圖形輸出：將圖形顯示在屏幕上或輸出到打印機等設(shè)備。8.1.3圖形顯示圖形顯示是計算機圖形學(xué)的最終目的，涉及顯示器、顯卡等硬件設(shè)備。本節(jié)介紹以下內(nèi)容：（1）顯示技術(shù)：陰極射線管（CRT）、液晶顯示器（LCD）、有機發(fā)光二極管（OLED）等。（2）分辨率：顯示器能顯示的像素數(shù)量，如1920x1080、2560x1440等。（3）顏色表示：RGB、CMYK等顏色模型，以及顏色深度、色彩位數(shù)等概念。8.2光柵圖形學(xué)光柵圖形學(xué)是計算機圖形學(xué)的一個重要分支，主要研究基于像素點的圖形和處理技術(shù)。8.2.1光柵化光柵化是將矢量圖形轉(zhuǎn)換為柵格圖形的過程。本節(jié)介紹以下內(nèi)容：（1）直線光柵化：DDA（數(shù)字微分分析法）、Bresenham算法等。（2）曲線光柵化：圓弧、貝塞爾曲線、B樣條曲線等。（3）面光柵化：三角形、四邊形等。8.2.2反走樣技術(shù)反走樣技術(shù)是為了減少光柵化過程中產(chǎn)生的鋸齒現(xiàn)象，提高圖形質(zhì)量。本節(jié)介紹以下內(nèi)容：（1）超采樣：在較高分辨率下進行渲染，然后進行下采樣。（2）各向異性過濾：在不同方向上使用不同級別的過濾。（3）多級漸遠紋理：通過多級紋理映射，提高遠處的圖形質(zhì)量。8.2.3陰影技術(shù)陰影技術(shù)用于模擬現(xiàn)實世界中的光照效果，本節(jié)介紹以下內(nèi)容：（1）平面陰影：使用固定顏色或紋理的陰影。（2）環(huán)境遮蔽：模擬物體間的相互遮擋。（3）陰影貼圖：使用深度信息計算陰影。8.3計算機動畫與可視化計算機動畫與可視化是計算機圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，涉及動畫制作、虛擬現(xiàn)實、科學(xué)計算等方面。8.3.1計算機動畫計算機動畫是通過計算機的一系列圖像，以模擬物體運動和變形。本節(jié)介紹以下內(nèi)容：（1）關(guān)鍵幀動畫：設(shè)置關(guān)鍵幀，計算機自動中間幀。（2）逐幀動畫：手動繪制每一幀圖像。（3）變形動畫：通過幾何變換、網(wǎng)格變形等方法實現(xiàn)物體變形。8.3.2可視化可視化是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形的過程，以便于分析和理解。本節(jié)介紹以下內(nèi)容：（1）科學(xué)可視化：用于科學(xué)計算、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。（2）信息可視化：用于展示抽象數(shù)據(jù)，如統(tǒng)計圖表、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。（3）可視化工具：如OpenGL、DirectX等圖形庫，以及各種可視化軟件。第9章人工智能初步9.1人工智能發(fā)展簡史人工智能（ArtificialIntelligence，）作為計算機科學(xué)的一個重要分支，起源于20世紀50年代。本章首先回顧人工智能的發(fā)展歷程，從早期的邏輯推理、專家系統(tǒng)，到后來的機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的興起，簡要介紹各個階段的重要成果及代表人物。9.1.1邏輯推理與專家系統(tǒng)20世紀50年代至70年代，人工智能研究主要集中在邏輯推理和專家系統(tǒng)方面。研究者們試圖通過編寫規(guī)則來模擬人類專家的決策過程。其中，美國學(xué)者約翰·麥卡錫（JohnMcCarthy）提出了“人工智能”這一概念，并發(fā)明了Lisp語言，為人工智能研究提供了重要的工具。9.1.2機器學(xué)習(xí)與知識表示20世紀80年代，人工智能研究開始轉(zhuǎn)向機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域。研究者們嘗試讓計算機通過學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)自動獲取知識，從而實現(xiàn)智能決策。這一階段，出現(xiàn)了許多經(jīng)典的學(xué)習(xí)算法，如決策樹、支持向量機等。9.1.3深度學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進入21世紀，計算機硬件的發(fā)展，尤其是GPU的廣泛應(yīng)用，深度學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得了重大突破。2006年，多倫多大學(xué)的杰弗里·辛頓（GeoffreyHinton）等人提出了“深度學(xué)習(xí)”這一概念，標志著這一領(lǐng)域的研究進入了一個新的階段。9.2機器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)機器學(xué)習(xí)（MachineLearning，ML）是人工智能的一個重要分支，旨在通過算法讓計算機從數(shù)據(jù)中自動學(xué)習(xí)，獲取知識，從而提高功能。本節(jié)將介紹機器學(xué)習(xí)的基本概念、主要類型和常用算法。9.2.1基本概念機器學(xué)習(xí)主要包括以下幾個基本概念：（1）數(shù)據(jù)集：用于訓(xùn)練模型的數(shù)據(jù)集合。（2）特征：數(shù)據(jù)集中的屬性，用于描述樣本。（3）樣本：數(shù)據(jù)集中的個體。（4）標簽：樣本的類別或目標值。（5）模型：根據(jù)輸入特征預(yù)測標簽的函數(shù)。（6）目標函數(shù)：評價模型功能的函數(shù)。9.2.2主要類型根據(jù)學(xué)習(xí)方式的不同，機器學(xué)習(xí)可以分為以下幾種類型：（1）監(jiān)督學(xué)習(xí)：通過已知的輸入和輸出數(shù)據(jù)，訓(xùn)練模型預(yù)測未知數(shù)據(jù)的輸出。（2）無監(jiān)督學(xué)習(xí)：僅通過輸入數(shù)據(jù)，尋找數(shù)據(jù)之間的規(guī)律和結(jié)構(gòu)。（3）半監(jiān)督學(xué)習(xí)：結(jié)合監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)，部分數(shù)據(jù)有標簽，部分數(shù)據(jù)無標簽。（4）強化學(xué)習(xí)：通過與環(huán)境互動，不斷調(diào)整策略以達到最大累積獎勵。9.2.3常用算法機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域有許多經(jīng)典的算法，以下列舉了幾種常用的算法：（1）線性回歸：預(yù)測連續(xù)值的目標變量。（2）邏輯回歸：預(yù)測二分類的目標變量。（3）決策樹：通過樹結(jié)構(gòu)進行分類或回歸。（4）支持向量機：尋找一個最優(yōu)的超平面將數(shù)據(jù)進行分類。（5）隨機森林：通過集成多個決策樹提高模型功能。9.3深度學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)（DeepLearning，DL）是機器學(xué)習(xí)的一個子領(lǐng)域，主要采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行學(xué)習(xí)。本節(jié)將介紹深度學(xué)習(xí)的基本原理、常用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。9.3.1基本原理深度學(xué)習(xí)的基本原理是利用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進行特征提取和轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)的機器學(xué)習(xí)方法相比，深度學(xué)習(xí)可以自動學(xué)習(xí)到更高級別的特征表示，從而提高模型功能。9.3.2常用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域有許多經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以下列舉了