计算机导论教材课件ch

计算机导论教材课件ch目录计算机概述与发展历程计算机系统组成与工作原理数据表示、运算与存储技术指令系统、程序设计与语言处理技术操作系统原理、功能及应用举例目录网络通信、信息安全及多媒体技术数据库系统、数据挖掘与知识发现技术算法设计与分析基础、人工智能初步认识01计算机概述与发展历程计算机的定义计算机是一种基于微处理器的智能电子计算机器，能够按照人们事先编好的程序，自动、高速地进行数值计算、信息处理、数据存储和传输等一系列操作。计算机的分类根据计算机的运算速度、字长、存储容量、指令系统、应用领域等特征，可将其分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机（个人计算机）等几类。计算机的定义与分类计算机发展历程及重要事件第一代计算机（1946-1957年）：电子管时代，主要特点是采用电子管作为基本电子元件，使用机器语言和汇编语言编程，主要应用于科学计算和军事方面。第二代计算机（1958-1964年）：晶体管时代，主要特点是采用晶体管作为基本电子元件，出现了高级程序设计语言，计算机的应用范围开始扩展到数据处理和事务处理等领域。第三代计算机（1965-1970年）：集成电路时代，主要特点是采用中小规模集成电路作为基本电子元件，操作系统开始出现并得到广泛应用，计算机应用领域进一步扩大。第四代计算机（1971年至今）：大规模和超大规模集成电路时代，主要特点是采用大规模和超大规模集成电路作为基本电子元件，微处理器和微型计算机出现并得到广泛应用，计算机应用领域已经渗透到社会生活的各个方面。光计算机利用光作为信息的载体进行信息处理的计算机，具有速度快、容量大、可并行处理等优点。利用生物工程技术产生的生物分子制造出的生物芯片作为基本电子元件的计算机，具有低能耗、高可靠性等优点。利用量子力学原理进行信息处理的计算机，具有超强的并行计算能力和破解现有密码的潜力。利用光子作为信息的载体进行信息处理的计算机，具有速度快、容量大、可并行处理等优点。与光计算机相似，但光子计算机的基本电子元件是光子而不是光。生物计算机量子计算机光子计算机未来计算机发展趋势预测02计算机系统组成与工作原理硬件系统组成及功能输入设备将信息输入计算机，如键盘、鼠标、扫描仪等。存储器存放数据和程序，包括主存（内存）和辅存（硬盘、光盘等）。中央处理器（CPU）执行算术和逻辑运算，控制计算机各部分工作。输出设备将计算机处理结果输出，如显示器、打印机等。总线连接各个部件，负责数据传输。操作系统、编译器、数据库管理系统等，提供基本功能和运行环境。系统软件办公软件、图像处理软件、游戏等，满足用户特定需求。应用软件用于编写计算机程序，如C、Java、Python等。编程语言帮助开发者编写、测试、调试和优化软件。软件开发工具软件系统组成及功能工作原理与指令执行过程指令周期中断与异常处理从取指到执行完毕所需的时间。处理突发事件或错误，保证系统稳定运行。指令集指令执行过程计算机启动过程计算机能识别的基本操作命令集合。取指、译码、执行、访存、写回。加电自检、加载引导程序、加载操作系统等。03数据表示、运算与存储技术03十进制数表示法使用BCD码（Binary-CodedDecimal）等编码方式表示十进制数。01定点数表示法使用固定数量的位数表示整数和小数，包括原码、反码和补码等表示方法。02浮点数表示法使用指数和尾数表示实数，包括IEEE754标准中的单精度和双精度浮点数表示方法。数值型数据表示方法123使用ASCII码、Unicode等编码方式表示字符数据。字符数据表示法使用像素阵列、矢量图形、波形采样等方式表示图像和音频数据。图像和音频数据表示法使用帧序列、压缩编码等方式表示视频数据。视频数据表示法非数值型数据表示方法算术运算器设计实现加、减、乘、除等基本算术运算的电路设计和算法实现。逻辑运算器设计实现与、或、非等逻辑运算的电路设计和算法实现。移位运算器设计实现数据的左移、右移等移位操作的电路设计和算法实现。运算器设计原理和实现技术01包括RAM和ROM等存储器的设计原理和实现技术，以及内存管理和访问机制。主存储器（内存）设计02包括Cache的工作原理、替换算法和一致性协议等。高速缓冲存储器（Cache）设计03包括磁盘、光盘、SSD等外存的设计原理和实现技术，以及文件系统和访问机制。辅助存储器（外存）设计存储器层次结构和访问机制04指令系统、程序设计与语言处理技术指令系统基本概念指令是计算机执行某种操作的命令，指令系统是计算机硬件能够识别和执行的所有指令的集合。指令系统分类根据指令的功能和格式，指令系统可分为数据处理指令、数据传输指令、程序控制指令等。指令系统特点指令系统具有完整性、规整性、正交性、高效性等特点，是计算机硬件和软件之间的接口。指令系统概述及分类程序设计基本方法程序设计方法包括结构化程序设计、面向对象程序设计等，其中结构化程序设计强调程序的可读性和易维护性，面向对象程序设计则更注重对现实世界对象的抽象和封装。程序设计基本技巧程序设计技巧包括算法设计、数据结构选择、代码优化等，其中算法设计是程序设计的核心，数据结构选择直接影响程序的效率和可读性，代码优化则是在保证程序正确性的前提下提高程序执行效率的重要手段。程序设计语言程序设计语言是实现程序设计的工具，包括机器语言、汇编语言、高级语言等。高级语言更接近自然语言，易于学习和使用，同时也提高了程序的可读性和可维护性。程序设计基本方法和技巧要点三语言处理基本概念语言处理是指对自然语言或编程语言进行的分析、理解、生成和转换等一系列技术。要点一要点二语言处理技术分类根据处理对象的不同，语言处理技术可分为自然语言处理和编程语言处理两大类。自然语言处理主要关注对自然语言文本的分析和理解，而编程语言处理则关注对编程语言的编译、解释和执行等过程。语言处理技术应用语言处理技术在许多领域都有广泛应用，如机器翻译、智能问答、情感分析、代码自动生成等。这些应用不仅提高了工作效率和准确性，也极大地促进了人工智能领域的发展。要点三语言处理技术简介05操作系统原理、功能及应用举例操作系统的定义和作用操作系统是一组控制和管理计算机软硬件资源，合理组织计算机工作流程以及方便用户的程序的集合。操作系统的分类根据运行环境的不同，操作系统可分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等。典型操作系统介绍包括Windows、Linux、Unix、MacOS等主流操作系统的特点和应用领域。操作系统概述及分类进程的概念和状态进程控制块PCB进程调度算法进程同步与通信进程管理策略和实现方法进程是程序在一个数据集合上的一次执行过程，具有就绪、运行、阻塞等状态。包括先来先服务FCFS、短作业优先SJF、优先级调度算法等，以及它们的实现原理和优缺点比较。PCB是进程存在的唯一标志，包含进程标识符、处理机状态、进程调度信息等。通过信号量机制、消息传递机制等方式实现进程间的同步与通信，确保并发执行的正确性。内存的分配与回收通过请求分页或请求分段等方式实现虚拟内存管理，包括页面置换算法如最近最少使用LRU、先进先出FIFO等。虚拟内存管理内存保护机制通过界限寄存器、基址寄存器等硬件支持实现内存保护，防止用户程序对操作系统的破坏。介绍连续分配方式和非连续分配方式的内存分配算法，如首次适应算法、最佳适应算法等，以及内存回收策略。存储管理策略和实现方法介绍文件的定义、属性及分类，以及文件系统的层次结构和功能。文件和文件系统文件的物理结构和逻辑结构文件目录管理文件共享与保护分析文件的物理存储方式和逻辑组织方式，如连续文件、链接文件、索引文件等。阐述文件目录的概念、结构和管理方法，包括一级目录结构、二级目录结构和树形目录结构等。通过硬链接、软链接等方式实现文件共享，同时采取访问控制列表ACL等措施确保文件安全。文件管理策略和实现方法06网络通信、信息安全及多媒体技术网络通信是通过传输介质将信息从一个设备传送到另一个设备的过程。它涉及到信号的编码、传输和解码等环节，以及相关的通信协议和标准。网络通信基本原理网络通信协议通常按照层次结构进行组织，每一层负责特定的功能。常见的协议层次结构包括OSI七层模型和TCP/IP四层模型。这些模型将通信过程划分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层等不同的层次。协议层次结构网络通信基本原理和协议层次结构信息安全保障措施信息安全是保护信息系统免受未经授权的访问、使用、泄露、破坏或篡改的能力。常见的信息安全保障措施包括加密技术、访问控制、防火墙、入侵检测系统等。防范策略为了降低信息安全风险，需要采取一系列的防范策略。这些策略包括制定和执行安全政策、进行安全审计和监控、提供安全教育和培训、实施物理和逻辑安全措施等。信息安全保障措施和防范策略多媒体技术是指利用计算机对文本、图形、图像、声音、动画和视频等多种媒体信息进行综合处理和管理，使用户可以通过多种感官与计算机进行交互的技术。多媒体技术简介随着计算机技术的不断发展，多媒体技术的应用领域也在不断拓展。目前，多媒体技术已经广泛应用于教育、娱乐、广告、艺术、医疗、军事等领域，为人们的生活和工作带来了极大的便利和乐趣。应用领域拓展多媒体技术简介及应用领域拓展07数据库系统、数据挖掘与知识发现技术数据库系统是由数据库、数据库管理系统、应用程序和数据库管理员组成的存储、管理和处理数据的系统。关系数据库设计应遵循数据完整性、数据安全性、数据一致性和数据可维护性等原则，同时要考虑数据的规范化、冗余度以及索引的使用等问题。数据库系统概述及关系数据库设计原则关系数据库设计原则数据库系统概述数据挖掘方法分类数据挖掘方法主要分为统计方法、机器学习方法、神经网络方法和数据库方法四大类，其中每一类方法都有其特定的应用场景和优缺点。应用场景分析数据挖掘技术可以应用于各种领域，如金融、医疗、教育、电子商务等。例如，在金融领域，数据挖掘可以用于信用评分、欺诈检测、风险管理等；在医疗领域，可以用于疾病预测、药物研发等。数据挖掘方法分类和应用场景分析VS知识发现是从数据中提取有用信息和知识的过程，通常包括数据预处理、特征提取、模型构建和评估等步骤。在这个过程中，需要运用各种数据挖掘技术和算法。典型算法介绍典型的数据挖掘算法包括决策树、神经网络、支持向量机、关联规则挖掘等。这些算法在分类、聚类、预测和关联分析等方面有着广泛的应用。例如，决策树算法可以用于分类和预测问题，神经网络算法可以用于模式识别和预测等。知识发现过程描述知识发现过程描述以及典型算法介绍08算法设计与分析基础、人工智能初步认识算法设计基本原则和常用方法介绍正确性算法应满足问题规约的要求，能够得到正确的结果。可读性算法应易于理解，方便调试和修改。算法应对非法输入和异常情况做出合理处理。算法应尽量减少执行时间和存储空间。健壮性高效率与低存储量需求算法设计基本原则和常用方法介绍通过列举所有可能情况，找到满足条件的解。枚举法将问题分解为更小的子问题，通过递归调用求解。递归法将问题分解为若干个子问题，分别求解后再合并结果。分治法利用历史信息，避免重复计算，提高求解效率。动态规划法算法设计基本原则和常用方法介绍时间复杂度评估算法执行时间随问题规模增长的变化情况。空间复杂度评估算法所需存储空间随问题规模增长的变化情况。算法性能评价指标以及复杂度分析方法事后分析法通过实际运行算法并记录执行时间或空间占用情况来评估算法性能。最好、最坏和平均情况分析法分析算法在最好、最坏和平均情况下的性能表现。事前分析法通过分析算法源代码或算法逻辑结构来预测算法性能。算法性能评价指标以及复杂度分析方法人工智能基本概念、应用领域以及挑战指人类所具有的认识世界和改造世界的能力。智能研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能机器学习：通过大量数据训练出能够自我学习的模型，并应用于预测和决策等任务。人工智能基本概念、应用领域以及挑战通过图像处理和计算机图形学等技术实现视觉感知和理解。计算机视觉研究计算机理解和生成人类自然语言文本的能力。自然语言处理人工智能基本概念、应用领域以及挑战语音识别与合成将人类语音转换为计算机可识别的数字信号，并合成自然语音输出。要