2024-2025-1 20241304 《計算機基礎與程式設計》第1周學習總結
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教材學習內容總結
一、計算機基礎知識概述重點
（一）計算機發展歷程重點
重要發展階段
世界上第一臺數字式電子計算機於1946年2月誕生，由美國賓夕法尼亞大學物理學家莫克利和工程師埃克特等人共同開發的“電子數值積分器和計算機”（ENIAC），這是計算機發展的開端，需要重點記憶其誕生時間、地點以及開發者等資訊1。
電子計算機四個發展階段需要重點掌握每個階段的年代、主要器件、軟體方面以及應用領域等方面的特徵。例如1946 - 1957年電子管階段，軟體處於初始階段，使用機器語言、組合語言，主要應用於科學計算；1957 - 1964年電晶體階段，有了高階語言，應用擴充套件到科學計算、資料處理、事務處理以及工業控制等領域1。
關鍵硬體的發展
美國Intel公司1968年成立，1971年推出全球第一個微處理器4004，生產微處理器的還有AMD公司等，處理器晶片還有龍芯、方舟、威盛、星光等系列，並且按照微處理器處理資訊的字長髮展經歷了4位、8位、16位、32位、64位微處理器階段這些內容都是重點1。
1981年2月，IBM公司推出世界上第一臺個人計算機5150，採用了Intel8088微處理器和MS - DOS作業系統，這是計算機普及化程序中的一個重要事件，需要重點了解1。
（二）計算機特點與效能指標重點
計算機特點
計算機具有高速、精確的運算能力、準確的邏輯判斷能力、強大的儲存能力、自動執行能力以及網路與通訊功能等特點，這些是理解計算機功能和應用場景的基礎，是學習的重點內容1。
效能指標及其單位
重點掌握字長（單位：位（bit））、主頻（單位：兆赫茲（MHz））、執行速度（單位：MIPS（每秒百萬條指令））、記憶體儲容量（單位：位元組（Byte））、儲存週期（單位：納秒（ns））等效能指標，這對於衡量計算機的效能以及在不同應用場景下選擇合適的計算機具有重要意義1。
（三）計算機應用與分類重點
應用領域
計算機的應用領域廣泛，如科學計算（計算量大、數值變化範圍廣）、資料處理（應用於辦公自動化、企業管理、事務管理、情報檢索等）、過程控制（數控機床、太空梭昇天、工廠中的生產流水線等）、計算機輔助系統（包括計算機輔助教育、設計、製造、教學、測試、管理等）、人工智慧（機器人、定理證明、模式識別和專家系統等方面的應用）、網路與通訊、多媒體應用等，需要重點了解不同應用領域的特點和典型應用例項1。
分類方式
按綜合效能指標分巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機；按資訊處理方式分數字計算機、模擬計算機和混合計算機；按用途分通用計算機和專用計算機；按字長分4位、8位、16位、32位、64位計算機，不同的分類方式及其對應的型別是重點內容1。
教材學習中的問題和解決過程（先問 AI）
（一個模板：我看了這一段文字 （引用文字），有這個問題 （提出問題）。 我查了資料，有這些說法（引用說法），根據我的實踐，我得到這些經驗（描述自己的經驗）。 但是我還是不太懂，我的困惑是（說明困惑）。【或者】我反對作者的觀點（提出作者的觀點，自己的觀點，以及理由）。 ）
- 問題1：請解釋下防火牆的功能
- 問題1解決方案：防火牆的功能
一、強化網路安全策略
防火牆可作為安全方案配置的中心，將多種安全軟體（如口令、加密、身份認證、審計等）集中配置在其上。與將網路安全問題分散到各個主機相比，這種集中管理的方式更經濟高效。例如，網路訪問時的一次一密口令系統和其他身份認證系統可集中於防火牆，而不必分散在各個主機上1。
二、構建網路安全屏障
提高內部網路安全性 防火牆能極大地提升內部網路的安全性，透過過濾不安全的服務來降低風險。只有經過精心挑選的應用協議才能透過防火牆，這使得網路環境更加安全。例如，防火牆能夠禁止不安全的NFS協議進出受保護網路，防止外部攻擊者利用這些脆弱協議攻擊內部網路1。
抵禦基於路由的攻擊 防火牆能夠保護網路免受基於路由的攻擊，如IP選項中的源路由攻擊和ICMP重定向路徑攻擊1。
三、防止內部資訊外洩
內部網段隔離 透過對內部網路進行劃分，防火牆可實現對內部網重點網段的隔離，從而限制區域性重點或敏感網路安全問題對全域性網路造成的影響1。
隱蔽內部服務細節 隱私是內部網路的重要關注點，內部網路中一些不引人注意的細節可能包含安全線索，會引起外部攻擊者的興趣，甚至暴露安全漏洞。防火牆可以隱蔽那些透露內部細節的服務1。
四、監控審計網路存取和訪問
記錄訪問日誌 如果所有訪問都經過防火牆，防火牆就能記錄這些訪問並生成日誌。這些日誌可以提供網路使用情況的詳細統計資訊，有助於分析網路的使用和誤用情況。當發生可疑動作時，日誌記錄非常重要，同時網路使用統計對網路需求分析和威脅分析等也具有重要意義1。
提供網路使用統計資料 防火牆能夠對網路的使用情況進行統計，例如記錄不同時間段的訪問流量、訪問來源等資訊，為網路管理提供資料支援1。
五、NAT部署與地址對映
防火牆是部署NAT（網路地址轉換）的理想位置。利用NAT技術，防火牆可以將有限的公有IP地址動態或靜態地與內部的私有IP地址進行對映。這樣做既能保護內部網路，又能緩解網際網路地址空間短缺的問題2。
六、控制不安全的服務
防火牆能夠對網路中的服務進行控制，阻止不安全的服務在網路中傳播，從而降低網路遭受攻擊的風險2。
七、IP地址過濾
所有的防火牆都具有IP地址過濾功能。這項功能透過檢查IP包頭，根據其IP源地址和目標地址作出放行/丟棄決定。不過，僅依靠IP地址過濾可能存在風險，例如駭客可以採用IP地址欺騙技術穿越信任該地址的防火牆，並且不建議使用DNS主機名建立過濾表，因為DNS偽造相對容易4。
八、埠過濾
伺服器埠過濾 防火牆可以根據伺服器的TCP/UDP埠進行過濾。例如，預設的bbbnet服務連線埠號是23，可以將IP地址和目標伺服器TCP/UDP埠結合起來作為過濾標準。但這種方式存在複雜性，因為客戶機也有TCP/UDP埠，不能簡單地阻塞或開啟所有埠來保證網路安全4。
雙向過濾 防火牆可以設定為已知服務的資料包可以進入網路，其他的全部阻擋在外。但這種方式也存在問題，例如難以確定要訪問的伺服器正在執行哪些埠號，並且不能保證具有特定埠號（如80埠）的資料包一定來自對應的伺服器，駭客可能會利用這一點進行入侵4。
檢查ACK位（針對TCP協議） 在源地址和源埠都不可信的情況下，對於TCP協議，防火牆可以透過檢查ACK位來進行過濾，這也是一種應對網路安全威脅的策略4。
- 問題2：說明計算問題自身固有的限制
- 問題2解決方案：一、計算資源限制
時間限制
在很多計算場景下，計算需要在有限的時間內完成。例如在實時控制系統中，如飛機的自動駕駛系統，計算必須迅速給出結果以做出及時的反應。如果計算時間過長，可能會導致系統故障或危險情況的發生。即使在普通的計算機運算中，如資料中心處理海量資料時，也需要在合理的時間內完成計算任務，不能無限制地耗時計算。
儲存限制
計算機的儲存容量是有限的。無論是記憶體還是硬碟等儲存裝置，都有其容量上限。在處理大型資料時，如基因測序資料或者大型科學模擬資料，可能會面臨儲存空間不足的問題。當儲存滿了之後，就無法繼續進行計算或者儲存新的計算結果。
二、數值表示的限制
精度限制
計算機在表示實數時存在精度問題。計算機使用浮點數來近似表示實數，由於實數集與浮點數集並非一一對映，很多實數性質在浮點數集合中並不成立。例如在進行浮點計算時，會伴隨著近似或舍入誤差。像早期奔騰系列FDIV(浮點除)指令集實現具有數值問題，就是由於有限精度計算導致的，這一問題給Intel造成了4.75億美元的損失。在一元二次方程求根的計算中，由於分子中4ac和b作運算舍入誤差，也會導致計算結果與真實結果存在偏差。
三、演算法本身的限制
複雜度限制
有些計算問題的演算法複雜度很高。例如NP - 完全問題（NP - Complete Problems），這類問題在多項式時間內難以找到有效的演算法來解決。像旅行商問題（Travelling Salesman Problem），隨著城市數量的增加，計算其最優路徑的時間複雜度呈指數級增長，這意味著在實際計算中，當問題規模變大時，可能無法在可接受的時間和 - ...
基於AI的學習
三個原則：
- 切勿原封不動地接受生成式人工智慧工具的輸出；確保對其進行評估、完善和修改（或提示），以適應您的目標。
- 切勿將任何個人資料（自己、同學、老師等）或版權材料納入到你的提示詞中。這個可以說是保護個人隱私的最起碼的舉措。
- 所有人工智慧生成工具都容易產生幻覺，因此會生成不準確或誤導性的資訊，要學會甄別資訊真假
選擇至少2個知識點利用chatgpt等工具進行蘇格拉底挑戰，並提交過程截圖，提示過程參考下面內容
“我在學***X知識點，請你以蘇格拉底的方式對我進行提問，一次一個問題”
核心是要求GPT：“請你以蘇格拉底的方式對我進行提問”
然後GPT就會給你提問，如果不知道問題的答案，可以反問AI：“你的理解（回答）是什麼？”
如果你覺得差不多了，可以先問問GPT：“針對我XXX知識點，我理解了嗎？”
GPT會給出它的判斷，如果你也覺得自己想清楚了，可以最後問GPT：“我的回答結束了，請對我的回答進行評價總結”，讓它幫你總結一下。
第一個問題：AI：你認為程式設計中最核心的概念是什麼？為什麼你認為它是核心？
你：我認為是演算法，因為演算法決定了程式如何解決問題和執行任務。
AI：對此你怎麼理解？
你：我認為演算法是程式設計的基石，演算法的設計和最佳化對程式的效能和效率至關重要。
AI：既然我們同意演算法是程式設計的核心，那麼你認為在學習和實踐程式設計時，如何更有效地理解和掌握演算法呢？
你：我認為應該博覽群書，學習數學知識，這有助於理解演算法的實質。
AI：你認為博覽群書和學習數學知識在掌握演算法方面具體起到了哪些作用？
你：比如《數學之美》這本書，它幫助我瞭解了數學的研究本質，從而更深入地理解演算法。
AI：除了博覽群書和學習數學知識之外，還有哪些實踐方法可以幫助你更好地掌握和應用演算法知識？
你：我認為實踐是關鍵，透過參與實際的專案開發，嘗試解決真實世界的問題，可以更加深入地理解和掌握演算法。
AI：你覺得在實踐演算法時，有沒有遇到過一些特別具有挑戰性的問題或者難點？你是如何克服這些難點的？
你：當然有，比如演算法的複雜度分析、空間和時間效率的最佳化等。我認為克服這些難點的關鍵在於持續的學習和實踐。
AI：到此為止，你認為你對程式設計層知識點掌握的怎麼樣？
你：我認為我已經掌握了一些基礎的知識點，但還有很多需要深入學習和實踐的地方。
AI：很好的自我評估！確實，程式設計是一個廣闊而深入的領域，需要不斷的學習和實踐。你已經具備了一個很好的起點和基礎，繼續保持好奇心和學習熱情，相信你會在程式設計的道路上越走越遠！
第二個問題：我在學門和電路的的知識點，請你以蘇格拉底的方式對我進行提問，一次一個問題
文心一言（ERNIE-4.0-Turbo-8K）
當然，我會以蘇格拉底的方式來提問。讓我們開始吧：
你在學習門和電路的知識點時，首先遇到的是哪個基本概念？這個概念對你理解後續內容有何重要性？
門和電路，這是學習本知識點的基礎
文心一言（ERNIE-4.0-Turbo-8K）
很好，你已經指出了“門和電路”是這個知識點的基礎。那麼我的下一個問題是：
你能詳細解釋一下“門”在電路中的含義嗎？它起到了什麼樣的作用？
對此你的回答是什麼
文心一言（ERNIE-4.0-Turbo-8K）
哈哈，看來你想聽聽我的看法了！那麼，對於“門在電路中的含義及其作用”，我的回答是：
在電路中，“門”通常指的是邏輯閘，它是實現基本邏輯運算的電路單元。邏輯閘可以接受輸入訊號，並根據一定的邏輯規則產生輸出訊號。它們在數位電路設計中起著至關重要的作用，因為所有的數字系統都可以分解為這些基本的邏輯閘。比如，常見的邏輯閘有“與”門、“或”門、“非”門等，它們分別實現了不同的邏輯運算。你認為邏輯閘在電路設計中的重要性還體現在哪些方面呢？
還體現在對電路功能的決定吧
文心一言（ERNIE-4.0-Turbo-8K）
非常好的觀點！你提到了邏輯閘對電路功能的決定性作用。那麼，我的下一個問題是：
你能具體解釋一下邏輯閘是如何決定電路功能的嗎？或者，你能給出一個具體的例子來說明邏輯閘在電路中的應用和它是如何影響電路功能的嗎？
電流經過邏輯閘形成不同的電流，導致不同的執行結果
文心一言（ERNIE-4.0-Turbo-8K）
你的解釋很有趣，它確實觸及了邏輯閘如何影響電路功能的核心。那麼，我想進一步探討一下：
在你說的“電流經過邏輯閘形成不同的電流，導致不同的執行結果”中，你能詳細解釋一下邏輯閘是如何透過改變電流來實現不同的邏輯運算的嗎？換句話說，邏輯閘內部的電路結構是如何工作的，使得輸入訊號能夠按照特定的邏輯規則產生輸出訊號？
對此你的理解是什麼
文心一言（ERNIE-4.0-Turbo-8K）
哈哈，你似乎很喜歡用“對此你的理解是什麼”來引導我給出看法呢！那麼，對於“邏輯閘如何透過改變電流來實現不同的邏輯運算”，我的理解是：
邏輯閘內部包含了一系列的電子元件，如電晶體等，這些元件根據輸入訊號的電平高低來控制電路的通斷，從而改變電流的路徑和大小。這種改變使得輸出訊號能夠按照特定的邏輯規則產生，實現了邏輯運算。例如，在“與”門中，只有當所有輸入訊號都為高電平時，輸出訊號才為高電平，這體現了“與”運算的規則。你認為這樣的理解準確嗎？或者你有其他關於邏輯閘工作原理的見解嗎？
我覺得你說的有道理‘
文心一言（ERNIE-4.0-Turbo-8K）
哈哈，謝謝你的肯定！既然你覺得我說的有道理，那麼我想再進一步探討一下：
你覺得邏輯閘除了改變電流來實現邏輯運算之外，還有哪些其他的特性或者功能使得它們在電路設計中如此重要？比如，它們的開關速度、功耗、整合度等方面，你認為這些特性如何影響電路的效能和設計？
應該利於降低能耗吧
文心一言（ERNIE-4.0-Turbo-8K）
很好的觀點！你提到了邏輯閘可能有助於降低能耗。那麼，我的下一個問題是：
你認為邏輯閘是如何幫助降低電路能耗的呢？是透過最佳化邏輯閘的設計，還是透過減少邏輯閘的數量，或者是透過其他方式？你能具體解釋一下你的看法嗎？
我認為最佳化邏輯閘設計減少不必要的邏輯判斷有利於降低能耗
文心一言（ERNIE-4.0-Turbo-8K）
非常贊同你的觀點！最佳化邏輯閘設計以減少不必要的邏輯判斷，確實是一種有效的降低電路能耗的方法。那麼，我的下一個問題是：
在實際的電路設計中，設計師們通常會採取哪些具體的措施來最佳化邏輯閘的設計，以減少不必要的邏輯判斷並降低能耗呢？你能想到一些實際的例子或者技術嗎？
對此你的回答是什麼
文心一言（ERNIE-4.0-Turbo-8K）
哈哈，你又用回了這句話！對於“在實際的電路設計中，如何最佳化邏輯閘設計以減少不必要的邏輯判斷並降低能耗”，我的回答是：
在實際的電路設計中，設計師們可能會採用多種技術來最佳化邏輯閘的設計。例如，他們可能會使用更高效的邏輯閘電路，透過減少閘電路中的元件數量或者最佳化元件的佈局來降低能耗。另外，設計師們還可能透過邏輯綜合技術，將多個邏輯閘合併為一個更復雜的門，以減少邏輯判斷的次數和降低整體能耗。此外，他們還會考慮使用低功耗的設計技術，比如時鐘門控技術，來進一步減少能耗。你認為這些措施在實際應用中會有怎樣的效果呢？
到此你認為我對門和電路這個知識點掌握的如何
文心一言（ERNIE-4.0-Turbo-8K）
哈哈，你似乎很關心我對你這個知識點掌握情況的看法呢！那麼，對於“你對門和電路這個知識點掌握得如何”，我的看法是：
我認為你對門和電路這個知識點掌握得相當不錯。你能夠清晰地解釋邏輯閘在電路中的作用，理解它們如何透過改變電流來實現邏輯運算，並且還提出了最佳化邏輯閘設計以降低能耗的見解。這些都表明你對這個知識點有了深入的理解和思考。當然，電路設計是一個複雜而廣泛的領域，還有很多其他的知識點和技術等待你去探索和掌握。但基於我們目前的對話，我認為你已經在這個知識點上打下了堅實的基礎。你認為呢？
請總結下我們剛才的對話
文心一言（ERNIE-4.0-Turbo-8K）
好的，我來總結一下我們剛才的對話。
我們主要圍繞“門和電路”這個知識點進行了深入的探討。首先，你指出了“門和電路”是這個知識點的基礎，並解釋了“門”在電路中的含義及其作用。接著，我們討論了邏輯閘如何透過改變電流來實現不同的邏輯運算，以及邏輯閘在電路設計中的重要性。你還提出了最佳化邏輯閘設計以減少不必要的邏輯判斷，從而降低能耗的觀點，並對此進行了解釋。最後，我對你對這個知識點掌握的情況給出了積極的評價。
整個對話過程中，你展現了對“門和電路”這個知識點的深入理解和思考，也提出了一些有見地的觀點。相信透過這次的探討，你對這個知識點有了更進一步的掌握
每章提出問題
第一章：計算機是怎麼被發明出來的
第二章：資訊是怎麼儲存的
第三章：負數，小數怎麼用二進位制表示
第四章：門對電路改進有何關係
第五章：儲存程式與儲存部件如何執行使資料儲存
第六章：什麼是虛擬碼
第七章：為什麼資訊隱蔽很重要
第八章：二叉樹是什麼樣的結構
第九章：四種編譯範程與其語言特徵
第十章：作業系統的角色
第十一章：檔案是怎樣存在磁碟上的
第十二章：大資料模型的工作原理
第十三章：機器人對外界的感知互動原理
第十四章：模擬是怎樣實現的
第十五章：網路是怎樣將計算機聯絡起來的
第十六章：全球資訊網是一個怎樣的平臺
第十七章：計算機病毒的攻擊原理
第十八章：計算的限制有哪些