大學(xué)計算機基礎(chǔ)(科學(xué)版)電子教案

大學(xué)計算機基礎(chǔ)(科學(xué)版)電子教案

計算機科學(xué)導(dǎo)論01計算機科學(xué)的起源機械計算機時代：查爾斯·巴貝奇設(shè)計的分析機電子計算機時代：艾倫·圖靈提出的圖靈機現(xiàn)代計算機時代：約翰·馮·諾依曼提出的馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機科學(xué)的發(fā)展階段第一代計算機：電子管計算機，如ENIAC第二代計算機：晶體管計算機，如TRADIC第三代計算機：集成電路計算機，如IBM360第四代計算機：大規(guī)模集成電路計算機，如Intel8086第五代計算機：人工智能計算機，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機計算機科學(xué)的發(fā)展趨勢巨型化：計算機系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大微型化：計算機硬件元件越來越小網(wǎng)絡(luò)化：計算機系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)連接智能化：計算機系統(tǒng)具備越來越多的智能功能計算機科學(xué)的起源與發(fā)展計算機科學(xué)的主要領(lǐng)域計算機系統(tǒng)領(lǐng)域計算機體系結(jié)構(gòu)：研究計算機硬件與軟件的組織方式操作系統(tǒng)：研究計算機系統(tǒng)的資源管理與調(diào)度計算機組成與原理：研究計算機硬件的組成與工作原理數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：研究數(shù)據(jù)的存儲、管理與檢索數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法：研究數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計程序設(shè)計：研究如何編寫高效、可靠的計算機程序信息技術(shù)領(lǐng)域計算機網(wǎng)絡(luò)：研究計算機系統(tǒng)之間的通信與連接信息安全：研究計算機系統(tǒng)的安全與防護軟件工程：研究軟件的開發(fā)、管理與維護人工智能領(lǐng)域機器學(xué)習(xí)：研究計算機系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)的能力人工智能：研究計算機系統(tǒng)的智能行為與決策專家系統(tǒng)：研究計算機系統(tǒng)模擬人類專家解決問題的能力在科學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用高能物理：利用計算機模擬粒子物理實驗生物學(xué)：利用計算機研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能天文學(xué)：利用計算機處理天文觀測數(shù)據(jù)在工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用航空航天：利用計算機進行飛行器的設(shè)計與仿真汽車制造：利用計算機進行汽車設(shè)計與制造建筑設(shè)計：利用計算機進行建筑設(shè)計與模擬在現(xiàn)代服務(wù)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用金融：利用計算機進行金融市場分析與風(fēng)險管理教育：利用計算機進行在線教育平臺的開發(fā)與應(yīng)用醫(yī)療：利用計算機進行醫(yī)療數(shù)據(jù)分析與診斷在文化創(chuàng)意領(lǐng)域的應(yīng)用影視制作：利用計算機進行電影與動畫的制作游戲開發(fā)：利用計算機進行游戲設(shè)計與開發(fā)平面設(shè)計：利用計算機進行圖文設(shè)計與制作計算機科學(xué)的應(yīng)用前景計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)02中央處理器（CPU）：計算機的核心部件，負責(zé)執(zhí)行指令內(nèi)存（RAM）：計算機的臨時存儲部件，用于存儲程序與數(shù)據(jù)硬盤（HDD/SSD）：計算機的永久存儲部件，用于存儲操作系統(tǒng)與文件輸入設(shè)備：如鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏等，用于輸入指令與數(shù)據(jù)輸出設(shè)備：如顯示器、打印機、揚聲器等，用于輸出信息計算機硬件的組成CPU工作原理：通過時鐘信號控制指令的執(zhí)行內(nèi)存工作原理：通過讀寫操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與讀取硬盤工作原理：通過磁頭與磁盤之間的磁場變化實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與讀取輸入設(shè)備工作原理：通過傳感器將用戶的輸入轉(zhuǎn)換為計算機能識別的信號輸出設(shè)備工作原理：通過顯示器、打印機等將計算機輸出的信息轉(zhuǎn)換為用戶能識別的形式計算機硬件的工作原理計算機硬件組成與原理軟件系統(tǒng)的組成操作系統(tǒng)：管理計算機系統(tǒng)的硬件與軟件資源應(yīng)用軟件：滿足用戶特定需求的軟件，如文本編輯器、瀏覽器、游戲等驅(qū)動程序：用于連接硬件設(shè)備與操作系統(tǒng)，如顯卡驅(qū)動、聲卡驅(qū)動等軟件系統(tǒng)的工作原理操作系統(tǒng)工作原理：通過調(diào)度與分配硬件資源，為應(yīng)用軟件提供運行環(huán)境應(yīng)用軟件工作原理：通過處理用戶輸入的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)特定功能驅(qū)動程序工作原理：通過提供硬件設(shè)備與操作系統(tǒng)之間的接口，實現(xiàn)硬件設(shè)備的正常工作計算機軟件系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)的性能指標(biāo)CPU性能：衡量計算機處理指令的速度內(nèi)存性能：衡量計算機存儲與讀取數(shù)據(jù)的速度硬盤性能：衡量計算機存儲與讀取文件的速度圖形性能：衡量計算機顯示圖形圖像的能力音頻性能：衡量計算機播放聲音的能力計算機系統(tǒng)的性能測試方法基準(zhǔn)測試：通過運行特定的測試程序，評估計算機系統(tǒng)的性能壓力測試：通過模擬高負載的情況，評估計算機系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性實際應(yīng)用測試：通過運行實際應(yīng)用軟件，評估計算機系統(tǒng)的性能與用戶體驗計算機系統(tǒng)的性能評價數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法03數(shù)組：一種連續(xù)的內(nèi)存空間，用于存儲相同類型的元素鏈表：一種非連續(xù)的內(nèi)存空間，通過指針連接元素棧：一種具有后進先出（LIFO）特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊列：一種具有先進先出（FIFO）特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹：一種具有層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖：一種表示實體之間關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)組實現(xiàn)：通過動態(tài)分配或靜態(tài)分配內(nèi)存，實現(xiàn)數(shù)組的存儲與訪問鏈表實現(xiàn)：通過指針連接元素，實現(xiàn)鏈表的存儲與訪問棧實現(xiàn)：通過動態(tài)分配內(nèi)存，實現(xiàn)棧的存儲與訪問隊列實現(xiàn)：通過動態(tài)分配內(nèi)存，實現(xiàn)隊列的存儲與訪問樹實現(xiàn)：通過節(jié)點與指針，實現(xiàn)樹的存儲與訪問圖實現(xiàn)：通過節(jié)點與指針，實現(xiàn)圖的存儲與訪問基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)算法設(shè)計方法窮舉法：通過列舉所有可能的解，找到最優(yōu)解分治法：將問題分解為子問題，通過解決子問題求解原問題動態(tài)規(guī)劃法：將問題分解為子問題，通過求解子問題的最優(yōu)解，得到原問題的最優(yōu)解貪心法：在每一步都做出當(dāng)前看起來最優(yōu)的選擇，從而求解問題回溯法：通過不斷回溯，嘗試所有可能的解，找到最優(yōu)解分枝限界法：通過預(yù)先定義一些邊界條件，縮小搜索范圍，找到最優(yōu)解常用算法設(shè)計技巧雙指針法：通過兩個指針分別指向不同位置，實現(xiàn)高效的遍歷與操作哈希表法：通過哈希函數(shù)將數(shù)據(jù)映射到哈希表，實現(xiàn)快速查找與插入排序算法：通過比較與交換元素，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的排序查找算法：通過搜索數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，找到特定元素或滿足條件的元素常用算法設(shè)計方法時間復(fù)雜度大O表示法：表示算法運行時間相對于輸入數(shù)據(jù)量的增長關(guān)系最好情況：算法在最理想情況下的運行時間最壞情況：算法在最糟糕情況下的運行時間平均情況：算法在平均情況下的運行時間空間復(fù)雜度大O表示法：表示算法所需內(nèi)存空間相對于輸入數(shù)據(jù)量的增長關(guān)系最好情況：算法在最理想情況下的內(nèi)存空間需求最壞情況：算法在最糟糕情況下的內(nèi)存空間需求平均情況：算法在平均情況下的內(nèi)存空間需求算法復(fù)雜度分析的意義評估算法性能：通過比較算法的時間復(fù)雜度與空間復(fù)雜度，評估算法的性能指導(dǎo)算法選擇：根據(jù)問題規(guī)模與資源限制，選擇合適的算法優(yōu)化算法設(shè)計：通過分析算法復(fù)雜度，發(fā)現(xiàn)算法的瓶頸，優(yōu)化算法設(shè)計算法復(fù)雜度分析程序設(shè)計基礎(chǔ)04正確性：程序能夠按照預(yù)定的要求執(zhí)行可靠性：程序能夠在各種情況下穩(wěn)定運行效率：程序能夠在較短的時間內(nèi)完成任務(wù)可維護性：程序易于理解、修改與擴展可移植性：程序能夠在不同的環(huán)境下運行程序設(shè)計目標(biāo)需求分析：分析問題的需求，確定程序的功能與性能要求設(shè)計：根據(jù)需求分析，設(shè)計程序的結(jié)構(gòu)與算法編碼：將設(shè)計轉(zhuǎn)換為計算機能識別的代碼測試：通過測試程序，發(fā)現(xiàn)并修復(fù)錯誤維護：在程序使用過程中，對程序進行修改與優(yōu)化程序設(shè)計過程程序設(shè)計基本概念程序設(shè)計方法結(jié)構(gòu)化編程：通過分解問題，將程序劃分為模塊，使用順序、分支與循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)程序面向?qū)ο缶幊蹋和ㄟ^面向?qū)ο蟮乃枷?，將程序劃分為對象，使用封裝、繼承與多態(tài)實現(xiàn)程序函數(shù)式編程：通過函數(shù)作為基本單元，使用遞歸、高階函數(shù)等實現(xiàn)程序程序設(shè)計技巧代碼重用：通過函數(shù)、類與模塊實現(xiàn)代碼的復(fù)用，減少代碼量抽象：通過提取共同點，簡化問題的描述與實現(xiàn)模塊化：通過將程序劃分為模塊，降低程序的復(fù)雜度，提高程序的可維護性與可擴展性編程規(guī)范：遵循一定的編程規(guī)范，提高程序的可讀性與可維護性程序設(shè)計基本方法程序調(diào)試錯誤定位：通過分析程序運行結(jié)果與預(yù)期結(jié)果，找到錯誤發(fā)生的位置錯誤分析：通過分析程序代碼，找出導(dǎo)致錯誤的原因錯誤修復(fù)：通過修改程序代碼，修復(fù)錯誤程序優(yōu)化代碼優(yōu)化：通過簡化代碼，減少程序的運行時間算法優(yōu)化：通過改進算法，提高程序的性能內(nèi)存優(yōu)化：通過減少內(nèi)存占用，降低程序的內(nèi)存使用并發(fā)優(yōu)化：通過提高程序的并發(fā)性能，提高程序的處理能力程序調(diào)試與優(yōu)化操作系統(tǒng)05操作系統(tǒng)：管理計算機系統(tǒng)的硬件與軟件資源，為應(yīng)用軟件提供運行環(huán)境系統(tǒng)調(diào)用：操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序提供的接口，用于訪問操作系統(tǒng)的功能內(nèi)核：操作系統(tǒng)的核心部分，負責(zé)管理與調(diào)度計算機系統(tǒng)的資源操作系統(tǒng)定義進程管理：管理進程的創(chuàng)建、調(diào)度、同步與通信內(nèi)存管理：管理內(nèi)存的分配、回收與保護文件管理：管理文件的存儲、讀取與寫入設(shè)備管理：管理設(shè)備的分配、回收與驅(qū)動用戶接口：提供用戶與操作系統(tǒng)之間的交互接口操作系統(tǒng)功能操作系統(tǒng)的基本概念進程管理進程創(chuàng)建：創(chuàng)建新的進程，分配進程資源進程調(diào)度：根據(jù)進程的優(yōu)先級與狀態(tài)，調(diào)度進程的執(zhí)行進程同步：實現(xiàn)進程之間的數(shù)據(jù)共享與通信進程通信：實現(xiàn)進程之間的數(shù)據(jù)傳輸與消息傳遞內(nèi)存管理內(nèi)存分配：為程序分配內(nèi)存空間內(nèi)存回收：在程序結(jié)束后，回收內(nèi)存空間內(nèi)存保護：防止程序訪問非法內(nèi)存地址文件管理文件存儲：將文件存儲在硬盤或其他存儲設(shè)備上文件讀取：從文件讀取數(shù)據(jù)文件寫入：向文件寫入數(shù)據(jù)設(shè)備管理設(shè)備分配：為應(yīng)用程序分配設(shè)備資源設(shè)備回收：在應(yīng)用程序結(jié)束后，回收設(shè)備資源設(shè)備驅(qū)動：提供設(shè)備與操作系統(tǒng)之間的接口操作系統(tǒng)的核心功能Windows操作系統(tǒng)Windows95/98/ME：早期的Windows操作系統(tǒng)，面向個人用戶WindowsNT/2000/XP/Vista/7/8/10：Windows系列操作系統(tǒng)，面向個人與企業(yè)用戶Unix操作系統(tǒng)Unix：早期的Unix操作系統(tǒng)，面向科研與工程領(lǐng)域Linux：基于Unix的操作系統(tǒng)，面向個人與企業(yè)用戶macOS：蘋果公司的操作系統(tǒng)，面向個人用戶Linux操作系統(tǒng)Linux：基于Unix的操作系統(tǒng)，面向個人與企業(yè)用戶Ubuntu：基于Linux的操作系統(tǒng)，面向個人用戶RedHat：基于Linux的操作系統(tǒng)，面向企業(yè)用戶Android操作系統(tǒng)Android：谷歌公司的移動操作系統(tǒng)，面向智能手機與平板電腦用戶常見操作系統(tǒng)簡介計算機網(wǎng)絡(luò)06計算機網(wǎng)絡(luò)定義計算機網(wǎng)絡(luò)：通過通信線路連接的計算機系統(tǒng)的集合通信協(xié)議：規(guī)定計算機之間通信的規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)拓撲：描述網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間的物理連接與邏輯連接關(guān)系計算機網(wǎng)絡(luò)分類局域網(wǎng)（LAN）：覆蓋范圍較小的網(wǎng)絡(luò)，如辦公室或?qū)W校內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)城域網(wǎng)（MAN）：覆蓋范圍較大的網(wǎng)絡(luò)，如城市或城市之間的網(wǎng)絡(luò)廣域網(wǎng)（WAN）：覆蓋范圍廣泛的網(wǎng)絡(luò)，如國家或洲際之間的網(wǎng)絡(luò)計算機網(wǎng)絡(luò)基本概念網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP：傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議，用于實現(xiàn)可靠的點到點通信HTTP：超文本傳輸協(xié)議，用于實現(xiàn)Web瀏覽與數(shù)據(jù)傳輸FTP：文件傳輸協(xié)議，用于實現(xiàn)文件的上傳與下載SMTP：簡單郵件傳輸協(xié)議，用于實現(xiàn)電子郵件的發(fā)送與接收DNS：域名系統(tǒng)，用于實現(xiàn)域名與IP地址之間的映射網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)OSI七層模型：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層等七層TCP/IP四層模型：TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層等四層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)的起源：美國阿帕網(wǎng)（ARPANET）的誕生，標(biāo)志著互聯(lián)網(wǎng)的誕生互聯(lián)網(wǎng)的普及：萬維網(wǎng)（WorldWideWeb）的出現(xiàn)，使得互聯(lián)網(wǎng)逐漸普及互聯(lián)網(wǎng)的變革：移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展，使得互聯(lián)網(wǎng)發(fā)生變革互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展搜索引擎：如谷歌、百度等，用于檢索互聯(lián)網(wǎng)上的信息社交媒體：如微博、微信、Facebook等，用于實現(xiàn)人際交流與信息共享電子商務(wù)：如淘寶、京東等，用于實現(xiàn)線上購物與支付在線教育：如網(wǎng)易云課堂、Coursera等，用于提供在線教育資源與服務(wù)云計算：如AWS、阿里云等，提供共享的計算資源與服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)07數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)定義數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：用于存儲、管理與檢索數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫：存儲在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)集合數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）：用于管理數(shù)據(jù)庫的計算機軟件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分類關(guān)系型數(shù)據(jù)庫：基于關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫，如MySQL、Oracle等非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫：基于非關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫，如MongoDB、Redis等數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基本概念關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的基本概念表：存儲數(shù)據(jù)的基本單位，由行與列組成元組：表中的一行數(shù)據(jù)，表示一個實體屬性：表中一列數(shù)據(jù)，表示實體的屬性主鍵：用于唯一標(biāo)識實體的屬性外鍵：用于表示實體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的操作數(shù)據(jù)查詢：通過SQL語句查詢數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)插入：通過SQL語句插入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)更新：通過SQL語句更新數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)刪除：通過SQL語句刪除數(shù)據(jù)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計需求分析：分析應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求概念設(shè)計：設(shè)計數(shù)據(jù)庫的概念模型邏輯設(shè)計：設(shè)計數(shù)據(jù)庫的邏輯模型物理設(shè)計：設(shè)計數(shù)據(jù)庫的物理模型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用數(shù)據(jù)存儲：將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化數(shù)據(jù)檢索：通過查詢語句，從數(shù)據(jù)庫中檢索數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)更新：通過更新語句，更新數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)管理：通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全與完整性管理數(shù)據(jù)庫設(shè)計與應(yīng)用軟件工程08軟件工程定義軟件工程：研究軟件的開發(fā)、管理與維護的工程學(xué)科軟件開發(fā)過程：軟件從需求分析到維護的過程