《计算机科学导论》课件2

计算机科学导论课程概述1课程目标掌握计算机科学基础知识2学习内容理论基础与实际应用相结合考核方式计算机科学的定义计算机科学的本质研究信息处理的系统理论与技术与其他学科的关系与数学、电子工程、认知科学等密切相关计算机科学的历史1早期计算设备算盘、差分机、分析机2电子计算机ENIAC(1946年)，第一台通用电子计算机3现代计算机冯·诺依曼架构奠定了现代计算机基础计算机科学的基本概念数据与信息原始数据经过处理转化为有意义的信息1算法解决问题的明确步骤和规则2程序按照算法编写的计算机可执行指令集3计算思维1解决复杂问题应用计算机科学思维方式2关键能力抽象、分解、模式识别、算法设计3广泛应用跨学科领域的通用思维方法计算机硬件基础冯·诺依曼架构存储程序计算机的基本框架中央处理器(CPU)计算机的大脑，执行指令和运算总线系统连接各硬件组件的数据通道存储系统主存储器RAM：快速但易失的临时存储辅助存储器硬盘、SSD：永久性数据存储设备存储层次从寄存器到云存储的多级结构输入输出设备输入设备键盘、鼠标、扫描仪、摄像头输出设备显示器、打印机、扬声器复合设备触摸屏既是输入也是输出设备计算机网络基础网络类型局域网(LAN)、广域网(WAN)、个人区域网(PAN)网络拓扑总线型、星型、环型、网状结构网络协议TCP/IP、HTTP、FTP规范通信规则互联网11969年ARPANET诞生，互联网前身21989年万维网(WWW)发明，信息共享变得容易3现今覆盖全球，连接数十亿设备操作系统概述资源管理分配和调度计算机硬件资源1用户接口为用户提供与计算机交互的界面2程序执行加载和运行用户程序3文件管理组织和控制文件的存储和访问4常见操作系统各系统有不同特点和适用场景文件系统文件组织层次目录结构存储和管理数据文件操作创建、读取、写入、删除等基本功能存储管理分配和回收磁盘空间程序设计语言概述高级语言接近人类语言，易于学习和使用PythonJava低级语言接近机器语言，性能高但难学汇编语言机器语言常见编程语言Python简洁易学，广泛应用于AI、数据科学Java跨平台，企业级应用开发首选C/C++高性能，系统级编程的标准选择程序设计基础顺序结构按照语句的先后顺序执行选择结构根据条件执行不同的代码块循环结构重复执行特定代码块直到条件不满足数据类型基本数据类型整数、浮点数、字符、布尔值复合数据类型数组、字符串、结构体、类引用数据类型指针、引用等间接访问数据的类型函数与模块化编程1函数定义封装可重用代码块，提高代码复用性2参数传递值传递、引用传递、指针传递3返回值函数执行结果的输出4模块化设计将程序分解为功能独立的模块面向对象编程类与对象类是对象的模板，对象是类的实例1封装隐藏内部实现，只暴露必要接口2继承子类继承父类的属性和方法3多态同一接口调用不同实现4软件工程基础需求分析明确软件需要实现的功能设计制定实现方案和架构编码实现按照设计编写程序代码测试验证软件功能和质量维护修复问题和功能升级数据结构基础数组连续内存空间存储同类型数据链表非连续节点通过指针连接栈和队列特殊操作规则的线性结构树形结构二叉树每个节点最多有两个子节点二叉搜索树左子树值小于根节点，右子树值大于根节点平衡树特殊二叉树，保持平衡以提高效率图结构图的表示邻接矩阵、邻接表存储复杂关系图的遍历深度优先搜索、广度优先搜索图的应用社交网络、地图导航、网络路由算法设计与分析1算法正确性能够正确解决问题2时间复杂度算法执行所需时间的度量3空间复杂度算法执行所需空间的度量排序算法值表示O(n^x)复杂度，数值越小效率越高搜索算法线性搜索顺序查找，时间复杂度O(n)二分搜索分治法，时间复杂度O(logn)哈希搜索通过哈希函数，平均时间复杂度O(1)数据库基础1关系型数据库以表格形式存储和管理数据2SQL语言结构化查询语言，操作数据库的标准3数据完整性确保数据的准确性和一致性4事务处理保证操作的原子性、一致性、隔离性和持久性数据库管理系统不同DBMS适用于不同应用场景大数据概述数据量大PB级以上的数据规模1多样性结构化、半结构化和非结构化数据2高速度数据生成和处理速度快3价值密度低需要分析挖掘才能发现价值4人工智能基础11950年代AI概念提出，图灵测试21980-90年代专家系统兴起，AI冬季32010年后深度学习突破，AI迅速发展机器学习监督学习使用标记数据训练模型无监督学习从无标记数据中发现模式强化学习通过奖惩机制学习最优策略深度学习神经网络模拟人脑结构的计算模型深度架构多层神经网络提取复杂特征应用领域图像识别、语音处理、自然语言处理计算机图形学基础2D图形平面图像的生成和处理3D图形三维模型的构建和渲染计算机视觉1图像处理滤波、增强、分割等基本操作2目标检测识别图像中的特定物体3人脸识别分析人脸特征进行身份识别4场景理解理解图像中物体间的关系和环境虚拟现实与增强现实虚拟现实(VR)创造完全沉浸式的数字环境增强现实(AR)在现实世界叠加数字信息混合现实(MR)现实与虚拟世界的融合多媒体技术音频处理压缩、编码、效果处理视频处理编码、压缩、特效制作媒体流实时音视频传输技术信息安全基础保密性防止未授权访问信息1完整性确保信息不被篡改2可用性确保系统正常运行，信息可访问3可追溯性记录和跟踪系统活动4加密技术对称加密同一密钥加解密，速度快但密钥分发难非对称加密公钥加密私钥解密，解决密钥分发问题哈希函数单向映射，用于数字签名和完整性验证网络安全常见威胁病毒、钓鱼、DDoS攻击、中间人攻击安全设备防火墙、入侵检测系统、VPN安全策略访问控制、数据备份、漏洞修复云计算1SaaS软件即服务，提供应用程序2PaaS平台即服务，提供开发环境3IaaS基础设施即服务，提供计算资源物联网感知层传感器收集环境数据网络层数据传输与通信处理层数据分析与决策应用层实现智能控制和服务边缘计算概念将计算任务在网络边缘处理优势低延迟、减轻带宽压力、本地数据处理应用场景自动驾驶、智能制造、远程医疗区块链技术分布式账本多方共同维护的不可篡改记录1共识机制确保各节点达成一致的规则2密码学保障使用加密算法确保安全3智能合约自动执行的程序化协议4量子计算量子位可同时处于多种状态的基本单位量子叠加同时处理多种可能性的能力量子纠缠量子位间的特殊关联并行计算多核处理单芯片多处理器并行执行任务集群计算多台计算机协同解决问题网格计算地理分布的异构资源共享分布式系统1特点多节点协作、资源共享、高可靠性2挑战一致性、容错性、网络延迟3应用大规模网站、分布式存储、云计算平台计算机仿真科学仿真物理过程、化学反应模拟工程仿真结构分析、流体动力学培训仿真飞行模拟器、医疗手术训练计算科学数值计算利用数值方法求解复杂问题科学可视化将复杂数据转化为直观图像计算建模构建现实世界的数学模型生物信息学序列分析DNA、RNA和蛋白质序列的比较和分析结构预测预测蛋白质的三维结构基因组学全基因组的分析和解读计算机辅助设计（CAD）各行业设计工作的强大工具计算机辅助制造（CAM）1概念利用计算机控制制造设备和流程2优势提高精度、节约时间、减少浪费3应用CNC加工、3D打印、机器人装配自然语言处理语音识别将语音转换为文本机器翻译在不同语言间自动转换情感分析分析文本中的情感倾向计算机伦理隐私保护个人数据的合理收集和使用1知识产权软件版权、专利和开源问题2算法公平避免偏见和歧视3数字鸿沟技术接入和使用的不平等4绿色计算能源效率低功耗设计和能源管理电子废弃物回收和环保处理废旧设备可持续设计延长设备寿命，减少资源消耗计算机职业发展30%年均增长率IT行业就业需求持续增长5M+全球开发者软件开发人才缺口巨大15+专业方向从开发到管理的多元化岗位计算机科学前沿量子霸权量子计算机解决经典计算机难以处理的问题通用人工智能具有类人思维能力的AI系统脑机接口大脑与计算机直接通信的技术计算机科学的未来展望技术趋势AI、量子计算、虚拟现实将改变生活