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计算机基础实验教程与学习指导 图书简介 本书旨在为初学者提供一个全面且深入的计算机基础知识学习路径，侧重于理论与实践相结合的实验指导。全书内容涵盖了计算机科学领域的核心概念，从硬件基础到软件应用，再到网络通信与数据处理，力求构建一个扎实的知识体系。本书的编写风格注重逻辑清晰、深入浅出，力求将复杂的概念以直观易懂的方式呈现给读者。 第一部分：计算机系统基础 本部分是理解现代计算设备运行机制的基石。 第一章：数字逻辑与二进制系统 本章从最基础的数字表示入手，详细阐述了二进制、八进制和十六进制之间的转换关系，以及它们在计算机内部数据存储中的重要性。我们深入探讨了布尔代数的基本原理，包括逻辑门（与、或、非、异或等）的真值表、逻辑表达式的化简，以及如何利用逻辑门构建更复杂的组合逻辑电路，如加法器和译码器。实验部分将引导读者使用逻辑仿真软件搭建简单的电路模型，直观感受逻辑运算的过程。 第二章：计算机硬件结构 本章聚焦于计算机的物理组成。首先介绍了冯·诺依曼体系结构，这是现代计算机设计的核心思想。详细讲解了中央处理器（CPU）的组成，包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）和寄存器组的功能。随后，深入剖析了存储器的层次结构：从高速缓存（Cache）的工作原理、主存储器（RAM/ROM）的特性，到外部存储设备（如SSD和HDD）的数据存取机制。输入/输出（I/O）系统的介绍涵盖了中断机制、总线结构（如PCIe）及其在数据传输中的作用。通过对这些基础组件的理解，读者能更好地把握指令是如何被执行的。 第三章：操作系统原理 操作系统是管理和协调计算机硬件与软件资源的“大管家”。本章首先界定了操作系统的概念、目标和主要功能。重点阐述了进程与线程的概念，包括进程的生命周期、进程控制块（PCB）以及上下文切换的开销。内存管理方面，详细介绍了分区管理、分页和分段技术，特别是虚拟内存的实现机制，如页表、缺页中断和页面置换算法（如FIFO、LRU）。文件管理部分则着重于文件系统的结构、目录管理、文件存储空间的分配方法（如索引节点i-node）和数据备份策略。此外，同步与互斥问题是本章的难点，我们通过信号量、管程等经典同步工具，讲解如何解决并发环境下的竞争条件和死锁问题，并分析死锁的四个必要条件及预防/解除策略。 第二部分：程序设计基础与算法 本部分侧重于培养结构化的编程思维和解决问题的能力。 第四章：编程语言基础与流程控制 本章以结构化程序设计思想为指导，介绍程序设计的基本元素。内容包括变量与数据类型（整型、浮点型、字符型等）、常量、运算符的优先级和结合性。重点讲解流程控制结构：顺序结构、选择结构（if-else, switch-case）和循环结构（for, while, do-while）的逻辑构建。函数（或子程序）的定义、调用、参数传递机制（值传递与引用传递）将作为模块化编程的基础进行深入讲解。实验环节将侧重于使用基础的编程语言（如C/Python的入门语法）实现简单的逻辑判断和循环计算任务。 第五章：数据结构入门 数据结构是组织和存储数据的方式，是高效算法的载体。本章介绍几种最基本且常用的数据结构。线性结构部分详细分析了线性表的顺序存储和链式存储的优劣势及基本操作（插入、删除、查找）。栈（后进先出LIFO）和队列（先进先出FIFO）作为特殊线性表的应用，将通过其实际应用场景（如函数调用栈、表达式求值）进行讲解。树结构是本章的重点，介绍了树的基本术语、二叉树的遍历方法（前序、中序、后序），以及二叉查找树（BST）的构建和查找效率分析。本章的实验将要求读者亲手实现这些数据结构的逻辑结构。 第六章：基础算法分析与设计 算法是解决问题的具体步骤。本章引入算法效率评估的概念，即时间复杂度和空间复杂度，并使用大O表示法进行量化分析。我们重点剖析了几类基础搜索与排序算法：线性查找与二分查找的效率对比；简单排序算法，包括冒泡排序、选择排序和插入排序，分析其稳定性和时间复杂度。对于更高级的排序，会初步介绍快速排序和归并排序的核心思想。此外，还会涉及递归的概念及其在解决特定问题（如阶乘计算、汉诺塔问题）中的应用，强调递归调用栈的工作机制。 第三部分：计算机网络与信息安全 本部分将视角从单机拓展到互联世界，探讨数据如何在网络中高效、安全地传输。 第七章：计算机网络基础 本章从网络拓扑结构（星型、环型、总线型）入手，介绍网络的基本概念，如协议、带宽和延迟。核心内容是OSI七层参考模型和TCP/IP四层模型的详细对比与功能划分。重点讲解了网络层（IP地址的分类、子网划分）、数据链路层（MAC地址、CSMA/CD协议）的工作原理。在传输层，深入解析TCP（三次握手、四次挥手、可靠传输机制）和UDP的区别与适用场景。实验部分将指导读者使用网络抓包工具（如Wireshark的初步使用），观察数据包在不同协议层上的封装结构。 第八章：信息安全与隐私保护 随着信息化的深入，安全问题日益突出。本章介绍信息安全的三个基本要素：机密性、完整性和可用性。我们将讨论常见的网络攻击类型，如病毒、蠕虫、DDoS攻击和钓鱼攻击的原理。加密技术是本章的核心，介绍对称加密（如DES/AES）和非对称加密（如RSA）的基本原理，以及哈希函数在数据完整性校验中的应用。数字签名和公钥基础设施（PKI）的概念也会被引入，以解释现代安全通信的信任机制。 第四部分：数据库基础与应用 本部分关注如何有效地管理和利用结构化数据。 第九章：关系数据库与SQL语言 本章讲解关系数据库的基本理论，包括实体、属性、关系、主键和外键的概念。详细介绍关系模型下的数据完整性约束。随后，本书将重点教授结构化查询语言（SQL）。内容覆盖DDL（数据定义语言，如CREATE, ALTER）、DML（数据操作语言，如SELECT, INSERT, UPDATE, DELETE）以及DCL（数据控制语言）。SELECT语句的复杂查询，包括连接（JOIN，包括内连接、外连接）、分组（GROUP BY）和过滤（HAVING）操作将进行详尽的实例演示和练习。 第十章：数据管理与应用集成 本章讨论数据库设计方法论，特别是实体关系模型（E-R图）的概念、绘制方法及其向关系模型的转换过程。讲解数据库范式的概念，如第一范式到第三范式（1NF, 2NF, 3NF）的分解过程，以消除数据冗余和异常。最后，简要介绍数据库事务（ACID特性）和并发控制的基本概念，为读者理解更高级的数据库管理系统打下基础。 实验与学习指导 贯穿全书的实验部分是本书的特色。每个章节后均配有详细的实验指导，要求读者动手实践所学理论。实验环境侧重于开放源码和易于获取的工具（例如，编程语言环境、逻辑门仿真器、网络模拟器或轻量级数据库客户端）。学习指导部分提供了自测题、关键概念回顾，以及如何利用在线资源深化学习的建议，帮助读者构建面向实际工程问题的解决能力。本书旨在培养的不仅仅是理论知识的掌握者，更是能够应用计算机科学原理解决实际问题的实践者。
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