具体描述
计算机网络教师用书，ISBN：9787302089568，作者：吴功宜，吴英编著
计算机基础知识与应用实践教程 内容提要： 本书旨在为初学者和希望系统性夯实基础的读者提供一个全面、深入的计算机科学导论。它涵盖了计算机硬件、软件、操作系统、网络基础、数据结构与算法、数据库系统以及信息安全等核心领域。通过清晰的理论阐述和丰富的实践案例，读者将建立起坚实的计算机科学知识体系，并掌握在现代信息社会中进行有效计算和解决实际问题的能力。本书特别注重理论与实践的结合，提供了大量的动手实验指导和项目案例，以帮助读者将所学知识转化为实际操作能力。 --- 第一部分：计算机科学的基石（The Foundations of Computing） 第一章：计算机系统概论 本章首先追溯了计算历史的演变，从机械计算设备到现代电子计算机的发展历程，阐述了图灵机模型对现代计算理论的奠基性作用。 数据表示与编码： 深入讲解了二进制、八进制、十六进制等数制系统及其相互转换。详细介绍了定点数和浮点数的表示方法（如IEEE 754标准），重点讨论了数据在计算机内部的存储和处理方式，包括字符编码（ASCII、Unicode）和多媒体数据的量化与压缩基础。 计算机体系结构概述： 介绍了冯·诺依曼体系结构的核心概念，包括控制器、运算器、存储器和输入/输出设备的功能划分。区分了指令集架构（ISA）和微架构的不同层次。 性能度量与提升： 分析了衡量计算机性能的关键指标，如时钟频率、CPI（每周期指令数）、MIPS（每秒百万条指令）和FLOPS（每秒浮点运算次数）。探讨了提高系统性能的技术，包括流水线技术、超标量处理和多核并行计算的基本原理。 第二章：硬件基础与组成 本章聚焦于计算机硬件的物理组成及其工作原理。 中央处理器（CPU）的工作原理： 详细剖析了CPU的内部结构，包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、控制单元和高速缓存（Cache）。深入讲解了指令的获取、解码、执行和写回过程，以及不同寻址模式的应用。 存储系统层次结构： 系统阐述了寄存器、L1/L2/L3缓存、主存（RAM）和辅助存储（硬盘、固态硬盘）之间的性能与成本权衡。解释了缓存的工作机制，包括局部性原理、命中率、写回策略（写穿透、写回）对系统性能的影响。 输入/输出（I/O）系统： 介绍了数据如何在CPU、内存和外部设备之间传输。讨论了总线结构（地址、数据、控制总线）、中断机制、直接内存访问（DMA）技术及其在提高I/O效率中的作用。 第二部分：软件世界与程序设计（Software World and Programming） 第三章：操作系统核心概念 操作系统是连接硬件与应用软件的桥梁，本章将系统地介绍操作系统的核心功能和管理机制。 操作系统的角色与结构： 定义了操作系统的基本目标（效率、公平性、可靠性）。介绍了操作系统的主要类型（批处理、分时、实时、网络）和基本结构（宏内核、微内核）。 进程与线程管理： 深入探讨了进程的概念、状态转换和进程控制块（PCB）。详细分析了进程间通信（IPC）的方法，如共享内存、消息传递、信号量和管道。区分了进程与线程的差异及其在并发编程中的应用。 内存管理： 讲解了内存分配的基本算法（首次适应、最佳适应、循环适应）。重点介绍了虚拟内存的概念、分页（Paging）和分段（Segmentation）机制，以及缺页中断的处理过程和页面置换算法（FIFO、LRU、OPT）。 文件系统管理： 描述了文件系统的层次结构、目录管理和文件分配方法（连续、链式、索引分配）。讨论了磁盘调度算法（FCFS、SSTF、SCAN）及其对I/O性能的影响。 第四章：程序设计基础与算法分析 本章侧重于计算思维的培养和算法设计的基本工具。 结构化程序设计： 回顾了程序设计的基本结构（顺序、选择、循环）。强调了模块化设计、抽象和信息隐藏的原则。 数据结构基础： 介绍了线性结构（数组、链表、栈、队列）和非线性结构（树、图）的基本概念和实现。重点分析了树结构在数据组织中的应用，如二叉搜索树（BST）及其平衡化方法（AVL树、红黑树简介）。 算法设计与分析： 阐述了算法的五个特性。引入了渐近分析法，详细解释了大O表示法（$O$）、$Omega$和$Theta$符号，用于描述算法的效率上限和下限。 经典算法解析： 讲解了排序算法（冒泡、选择、插入、归并、快速排序）的原理、时间复杂度分析及其适用场景。介绍了查找算法（顺序查找、二分查找）的效率对比。 第三部分：数据管理与信息安全（Data Management and Security） 第五章：数据库系统基础 本章为读者建立关系数据库的理论基础，理解如何高效地组织、存储和查询数据。 关系模型与SQL： 介绍了关系代数的基本运算（选择、投影、连接、并、差）。详细讲解了SQL语言，涵盖数据定义语言（DDL）、数据操纵语言（DML）和数据查询（SELECT语句的高级应用，包括子查询、联接和聚合函数）。 数据库设计理论： 强调了数据建模的重要性，介绍了实体-关系（E-R）模型。深入讲解了关系模式的规范化（Normalization）过程，重点分析了一范式到第三范式（3NF）的推导过程，以及BCNF的引入目的，以消除数据冗余和异常。 事务管理与并发控制： 定义了事务的ACID特性（原子性、一致性、隔离性、持久性）。介绍了实现隔离性的常用并发控制技术，如两阶段锁定协议（2PL）。 第六章：信息安全导论 在数字化时代，理解安全风险至关重要。本章提供信息安全的宏观视角和基础防护知识。 安全威胁与攻击类型： 分类讨论了常见的安全威胁，包括恶意软件（病毒、蠕虫、勒索软件）、网络攻击（拒绝服务DoS/DDoS、中间人攻击）以及社会工程学攻击。 基本加密技术： 介绍信息加密的基本目标（保密性、完整性、认证性）。区分了对称加密（如AES）和非对称加密（如RSA）的工作原理和应用场景。解释了哈希函数在数据完整性校验中的作用。 访问控制与身份认证： 阐述了访问控制模型（如DAC、MAC）。介绍了常用的身份认证机制，如口令安全、多因素认证（MFA）和数字证书的基本概念。 网络安全基础： 简要介绍防火墙、入侵检测系统（IDS）在边界防护中的作用。 --- 第四部分：实践应用与前沿展望（Practical Applications and Future Trends） 第七章：操作系统实践——Linux环境操作 本章着重于通过实际操作巩固对操作系统的理解。 Linux文件系统与基本命令： 详细介绍Linux的目录结构（FHS标准）。系统练习文件和目录的基本操作命令（`ls`, `cd`, `mkdir`, `rm`, `cp`, `mv`）。 用户与权限管理： 讲解用户、组的概念以及文件权限（rwx）的设置与修改（`chmod`, `chown`）。 进程查看与任务管理： 学习如何使用`ps`, `top`, `htop`等工具监控系统状态，以及如何使用`kill`命令管理进程生命周期。 Shell脚本基础： 介绍如何编写简单的Shell脚本实现任务自动化，包括变量使用、流程控制语句（`if`, `for`, `while`）的应用。 第八章：软件工程基础与计算思维 本章将视角从单个程序提升到软件系统的构建与维护。 软件开发生命周期（SDLC）： 介绍瀑布模型、迭代模型和敏捷开发的基本思想和流程。 版本控制系统： 重点介绍Git的核心概念，包括仓库（Repository）、提交（Commit）、分支（Branch）和合并（Merge）的操作流程，强调其在团队协作中的不可替代性。 计算思维的培养： 总结如何运用计算思维解决现实问题，包括分解（Decomposition）、模式识别（Pattern Recognition）、抽象（Abstraction）和算法设计（Algorithm Design）四个核心要素，并提供跨学科的应用实例。 附录：常用工具与资源 推荐开发环境配置指南 常见术语表 自测与实验指导 本书的结构设计力求逻辑连贯，从最底层的硬件原理逐步深入到上层的系统管理和应用设计。通过本教程的学习，读者将不仅知晓“计算机如何工作”，更能理解“如何让计算机高效、安全地完成任务”，为未来深入学习特定领域（如人工智能、云计算、高级网络工程）打下坚实且全面的基础。
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