计算机基础知识讲解

计算机基础知识试讲教案

第一章计算机基础知识

【教学目的与要求】

了解计算机的发展进程及各个过程中的特点

【教学重点与难点】

本章重点：掌握计算机的发展进程、计算机的结构及基本工作原理

本章难点：掌握每个过程中计算机的特点

【教学内容】：

1.1 计算机的发展

1.2 计算机的分类及应用

1.3 计算机的结构及基本工作原理

1.4 计算机的发展趋势

1.5 信息的表示

计算机是信息化的基础。完全可以这样认为，计算机技术就是信息处理的技术。随着微电子技术、通信技术和软件技术的发展，计算机的运算速度、存储容量和信息处理能力不断提高。计算机应用领域覆盖了社会各个方面，从字表处理到数据库管理，从科学计算到多媒体应用，从工业控制到电子化、信息化的现代战争，从智能家电到航空航天，从娱乐消遣到大众化教育，从局域网到远距离通信，计算机无处不在。社会的信息化与计算机的普遍应用已经渗透到人类社会的各个领域，并导致从经济基础到上层建筑、从生产方式到生活方式的深刻变革，计算机技术的普及应用水平已经成为衡量一个国家或地区现代化程度的重要标志。

1.1 计算机的发展

早期计算机的发展

现在计算机的发展

微型计算机的发展

未来的新型计算机

1.1.2 早期计算机的发展

1946年2月，美国宾夕法尼亚大学研制成功了世界上第一台大型通用数字电子计算机ENIAC(爱尼亚克)。

18000个电子管、1500个继电器、重30吨、占地面积约170m2

通用数字电子计算机ENIAC(1946年2月)

1946年6月，冯·诺伊曼等人提出了完善的设计报告《电子计算机装置逻辑结构初探》。

电子计算机发展的萌芽时期遂告结束，开始了现代计算机的发展时期。

1.1.3 现在计算机的发展

表 1-1-1 电子计算机发展过程简表

第一代计算机（电子管）

从1946年到1958年这段时期我们称之为“电子管计算机时代”。第一代计算机的内部元件使用的是电子管。由于一部计算机需要几千个电子管，每个电子管都会散发大量的热量，因此，如何散热是一个令人头痛的问题。电子管的寿命最长只有3000小时，计算机运行时常常发生由于电子管被烧坏而使计算机死机的现象。第一代计算机主要用于科学研究和工程

计算。

第二代计算机（晶体管）

从1959年到1964年，由于在计算机中采用了比电子管更先进的晶体管，所以我们将这段时期称为“晶体管计算机时代”。晶体管比电子管小得多，不需要暖机时间，消耗能量较少，处理更迅速、更可靠。第二代计算机的程序语言从机器语言发展到汇编语言。接着，高级语言FORTRAN语言和cOBOL语言相继开发出来并被广泛使用。这时，开始使用磁盘和磁带作为辅助存储器。第二代计算机的体积和价格都下降了，使用的人也多起来了，计算机工业迅速发展。第二代计算机主要用于商业、大学教学和政府机关

第三代计算机（集成电路）

从1965年到1970年，集成电路被应用到计算机中来，因此这段时期被称为“中小规模集成电路计算机时代”。集成电路（Integrated Circuit，简称r）是做在晶片上的一个完整的电子电路，这个晶片比手指甲还小，却包含了几千个晶体管元件。第三代计算机的特点是体积更小、价格更低、可靠性更高、计算速度更快。第三代计算机的代表是IBM公司花了50亿美元开发的IBM 360系列。

第四代计算机（微处理器时代）

从1971年到现在，被称之为“大规模集成电路计算机时代”。第四代计算机使用的元件依然是集成电路，不过，这种集成电路已经大大改善，它包含着几十万到上百万个晶体管，人们称之为大规模集成电路（LargeScale lntegrated Circuit，简称LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale lntegrated Circuit，简称VLSI）。1975年，美国1BM公司推出了个人计算机PC（PersonaI Computer），从此，人们对计算机不再陌生，计算机开始深入到人类生活的各个方面。

1.1.4 未来的新型计算机

超导计算机

量子计算机

光子计算机

生物计算机

神经网络计算机

1.2 计算机的分类及应用

计算机系统的分类

微型计算机的类型

1.2.1 计算机系统的分类

计算机的种类很多，随着它的发展和新机型的出机，分类方法也在不断变化，当前使用较多的是电所与电子工程师协会（IEEE）于1989年提出的一种分类方法，它将计算机分为6种。

①．个人计算机

个人计算机又称微型计算机。这种计算机是为个人使用而设计的，许多人又把个人计算机俗利润留成为计算机。

②．工作站

工作站是介于PC机和小型机之间的高档微型机。通常配备有大屏幕显示器和在容量存储器，并具有较强的网络通信功能，多用于计算机辅助设计和图像处理。

③．小型计算机

与大型主机和巨型机相比，小型计算机结构简单、成本较低、易于维护和使用。其规模按照满足一个中、小型部门的工作需要进和设计和配置。

④．主机

主要亦称大型主机。具有大容量存储器、多种类型的I/O通道能同时支持批处理和分时处理等多种工作方式。其规模按照满足一个大、中型部门的工作需要进行设计和配置。相当于一个计算机中心所要求的条件。

⑤．小巨型计算机

小巨型计算机亦称为桌上型超级计算机。与巨型计算机相比，其最大的特点是价格便宜，具有更好的性能价格比。

⑥．巨型计算机亦称超级计算机。具有极高的性能和极大的规模，价格昂贵。多用于尖端科技领域。生产这类计算机的能力可以反映一个国家的计算机科学水平。我国是世界上生产巨型计算机的少数国家之一。

后来按照功能的不同而进行细分化。

1. 早期：按计算能力进行分类，将每秒运行亿次以上的计算机划分为巨型计算机，而以下依次划分为大型机、中型机、小型机、微机。

2. 按不同的CPU类型来划分为两大阵容：

CISC (Complex Instruction Set Computer)

复杂指令系统

RISC (Reduced Instruction Set Computing )

简单指令系统

3.目前计算机的市场分布情况，大致可以分为：大型计算机、微机、嵌入式系统3类。

1.2.2 微型计算机的类型

1.微机定义的不确定性

1971年英特尔公司推出“MCS-4微型计算机系统”，这是最早提出“微机”这一概念。

“电脑”一词首先由港台地区引入，它是对微机的一种通俗称呼。电脑≠计算机

1.3 计算机的结构及基本工作原理

计算机的基本工作原理

指令和指令系统

1.美籍匈牙利科学家冯·诺依曼于1946年首先提出来现代计算机的基本工作原理。

2. 目前绝大多数计算机都是基于冯·诺伊曼计算机模型而开发的。

冯·诺伊曼计算机结构模型

采用二进制形式表示数据和指令

存储程序

1）冯·诺伊曼的主要思想之一

——冯·诺伊曼计算机结构模型

冯结构计算机主要包括：输入设备、输出设备、存储器、控制器、运算器5大组成部分。运算器——也称算术逻辑单元(ALU)，是计算机进行算术运算和逻辑运算的部件。

控制器——主要用来控制程序和数据的输入/输出，以及各个部件之间的协调运行。

在现代计算机中，往往将运算器和控制器集成在一个集成电路芯片内，这个芯片称为CPU(中央控制单元)。

CPU性能的高低，往往决定了一台计算机性能的高低。

存储器——主要功能是存放运行中的程序和数据。

注：在冯·诺伊曼计算机模型中，存储器是指内存单元。对存储器的基本操作是数据的写入或读出，这个过程称为“内存访问”。

输入设备——用来将现实世界中的数据输入到计算机，并且转换成为计算机熟悉的二进制码。

常见的输入设备有：键盘、鼠标、数码相机等设备。

输出设备——将计算机处理的结果转换成为用户熟悉的形式。常见的输出设备有：显示器、打印机、硬盘、音箱、网卡等。

2）冯·诺伊曼的主要思想之二

——采用二进制形式表示数据和指令

我们日常生活中的进制……

最常用的十进制

星期：七进制

小时：24进制，分钟：60进制，秒：60进制

月：12进制

3）冯·诺伊曼的主要思想之三

——存储程序

这是冯·诺依曼思想的核心内容。

存储程序意味着事先将编制好的程序(包含指令和数据)存入计算机存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令并执行。

指令和指令系统

1、指令

1)指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。

2)指令通常由两个部分组成：操作码和操作数

3)程序、指令、指令号

程序由一系列指令组成，这些指令在内存中是有序存放的，而指令号表明了它的执行顺序。

2.指令系统

1）指令系统是指一台计算机的所有指令的集合。

2）指令系统都应具有以下功能的指令：

数据传送指令

数据处理指令

程序控制指令

输入/输出指令

其他指令

3.指令的执行

1）计算机中一条指令的执行过程

2）取指令(IF)

3）指令译码(ID)

译码实际上就是将二进制指令代码翻译成为特定的CPU电路微操作，然后由控制器传送给算术逻辑单元。

4）指令执行(IE)

5）结果写回(WB)

1.4 计算机的发展趋势

随着人类社会的发展，科学技术的不断进步，计算机技术也在不断向纵深发展。不论是在硬件还是在软件方面都不断有新的产品推出，但总的发展趋势可以归纳为以下几个方面：

①微型化②巨型化③网络化④智能化⑤多媒体技术⑥非冯·诺依曼体系结构的计算机

1.5 信息的表示

计算机最主要的功能是信息处理。在计算机内部，各种信息，如数字、文字、图形、图象、声音等都必须采用数字化的编码形式进行存储、处理和传输。由于在计算机内部只能

处理二进制数，所以数字化编码的实质就是用0和1两个数字进行各种组合，将要处理的信息表示出来。

1.5.1计算机中的数制

在具体讨论计算机常用数制之前，首先介绍几个有关数制的基本概念

1、基数：每种数制中数码的个数称为该数制的基数，如十进制中有10个数码，基数是10；

二进制中有两个数码0和1，基数是2；八进制的基数是8；十六进制懂得基数是16。

2、进制

在数制中有一个规则，就是N进制一定是“逢N进一”。如十进制就是“逢十进一”二进制就是“逢二进一”，八进制就是“逢八进一”，十六进制就是“逢十六进一”等。

3、位权值

在任何数制中，数码所处的位置不同，代表的数值大小不同。对每一个数位赋予的位置，在数学上叫做“权”。

4、书写规则

为了区分各种计数制的数，常采用如下方法。

（1）在数字后面加写相应的英文字母作为标识。如：B表示二进制；O表示八进制；D 表示十进制；H表示十六进制。

（2）在括号外面加数字下标。如：（1101）2表示二进制数的1101；（3174）8表示的是八进制数的3174；（6678）10表示的是十进制数的6678；（2DF6）16表示的是十

六进制数的2DF6。

1.5.2二进制数的常用单位

在计算机内部，一切数据都用二进制数的编码来表示。为了衡量计算机中数据的量，人们规定了一些二进制数的常用单位，如：位、字节、字等。

（1）位：是二进制中的一个数位，可以是“0”或“1”。它是计算机中数据的最小单位，称为比特（bit）.

（2）字节：通常将8位二进制数组成一组，称作一个字节（byte）。字节是计算机中数据处理和存储容量的基本单位，如存放一个西文字母在存储器中占一个字节。简写成B，1B=8bit。常用的单位还有KB、MB、GB。

（3）字：是指计算机一次存取、加工、运算和传输的数据长度。计算机的字长越长，其运算速度越快、计算精度越高。目前计算机的字长有8位、16位、32位和64位等。