第1章 计算机系统的基础知识

计算机科学技术基础BasisofComputerScience&Technology刘一静[e-mail]计算机导论王玉龙主编电子工业出版社书籍：《计算机导论》祁亨年主编清华大学出版社北方交通大学出版社《计算机科学概论》(第8版)J.GlennBrookshear著清华大学出版社(学校图书馆)网站:(太平洋电脑网)杂志：《微型计算机》《微电脑世界》成绩：平时成绩：10分实验成绩：20分期末考试：70分第1章计算机系统的基础知识本章要点与学习要求：计算机产生、发展和应用（了解）计算机的基本组成（掌握）进位制数及其相互转换（熟悉）二进制数定点及浮点表示（掌握）二进制数原码反码及补码（掌握）计算机常用编码（熟悉）补码加减运算（掌握）常用逻辑运算（掌握）逻辑代数的初步知识（掌握）基本逻辑电路和逻辑元件（了解）第1章计算机系统的基础知识教学章节计算机的发展概述1.1计算机基本组成及工作原理1.2数制与编码1.3运算基础1.4逻辑代数及逻辑电路1.5第1章计算机系统的基础知识教学目的：了解计算机的产生、发展和应用教学重点：计算机的发展1.1计算机发展概述第1章计算机系统的基础知识教学引入现在，计算机在我们的日常生活中无处不在，你了解计算机的发展史吗？返回下一页第1章计算机系统的基础知识1.1.1计算机的产生计算机与一般计算工具的差别存储器的大小运算能力定义电子计算机是一种能按预先存储的程序，对以数字形式出现的信息进行处理的电子装置。1.1计算机发展概述P1上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识结绳计数是计算机的“远古史”算筹是计算机的“古代史”中国算盘与计算机诞生有关技术的发展1.从算筹到算盘上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识1614年，耐普尔利用对数原理制造一台乘法机。奥托里把对数刻在木板上，后发展为现在的计算尺。1642年，法国数学家布莱斯·帕斯卡发明简易机械计算机。1671年，德国数学家莱布尼茨把帕斯卡机器加以改进,使它既可以做加减法，又可以做乘除法运算。圆柱型对数计算尺帕斯卡帕斯卡加法器2.机械计算器上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识1820年，英格兰的查尔斯·巴贝奇设计了“差分机”英国数学家乔治·布尔1854年提出符号逻辑（布尔代数）布尔巴贝奇第一台差分机2.机械计算器（序）上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识ENIAC是世界公认的第一台通用电子数字计算机。1946年2月由美国宾州大学的莫克莱和埃克特研制；18000多个电子管、1500多个继电器、占地170平方米、重量30吨、计算速度5千次/秒；每次至多只能存储20个十进制数；存储容量小，尚未采用“程序存储”方式；电子管太多。第一台数字电子计算机P1上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识20世纪30年代末期，英国数学家艾伦·图灵描述了假想机器（图灵机）冯·诺依曼贡献：建立现代计算机基本结构，即冯·诺依曼结构。整个系统是由五大基本部件组成，即由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成；采用二进制，使用机器语言,指令通过操作码来完成简单的操作；采用存储程序的思想，对计算进行集中的顺序控制。冯.诺依曼图灵现代计算机发展的杰出人物P1上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识所谓现代计算机是指采用先进的电子技术来代替陈旧落后的机械或继电器技术。以构成计算机硬件的逻辑元件为标志，大致经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电子路到大规模超大规模集电路计算机等四个发展阶段。1.1.2计算机的发展P2重点上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识特点采用电子管作为逻辑开关元件；存储器使用水银延迟线、静电存储管、磁鼓等；外部设备采用纸带、卡片、磁带等；使用机器语言，50年代中期开始使用汇编语言，但没有操作系统体积庞大、笨重、耗电多、可靠性差、速度慢、维护困难典型机器:ENIAC、EDVAC、UNIVAC、IBM701、IBM650应用:科学计算1.第一代电子计算机上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识特点使用半导体晶体管作为逻辑开关元件；使用磁芯作为主存储器，辅助存储器采用磁盘和磁带；输入输出方式有了很大改进；开始使用操作系统，有了各种计算机高级语言。体积减小、重量减轻、耗电量减少、速度加快、可靠性增强;典型机器IBM的7090、7094、7040、7044应用：数据处理、工业控制、科学计算2.第二代电子计算机上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识特点使用中、小规模集成电路作为逻辑开关元件；开始使用半导体存储器。辅存仍以磁盘,磁带为主；外部设备种类和品种增加；开始走向系列化、通用化和标准化；操作系统进一步完善，高级语言数量增多。计算机的体积、重量进一步减小，运算速度和可靠性进一步提高典型机器IBM370系列、IBM360系列、富士通F230系列等。应用：系统模拟、系统设计、大型科学计算、科技工程各领域。3.第三代电子计算机上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识特点使用大规模、超大规模集成电路作为逻辑开关元件；主存采用半导体存储器，辅存采用大容量的软、硬磁盘，并开始引入光盘；外部设备有了很大发展，开始采用光字符阅读器（OCR）,扫描仪、激光打印机和各种绘图仪；操作系统不断发展和完善，数据库管理系统进一步发展。计算机的体积、重量、功耗进一步减小，运算速度、存储容量、可靠性等大幅度提高。典型机器：IBM的4300系列、3080系列、3090系列，以及IBM9000系列应用：事务处理、智能模拟、普及到社会生活各个方面4.第四代电子计算机上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识按应用通用计算机(GeneralPurposeComputer)专用计算机(SpecialPurposeComputer)综合性能指标巨型机（SuperComputer）大型机（MainFrameComputer）小型机（MiniComputer）微型机（MicroComputer）计算机分类上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识巨型机(Supercomputer)又称超级计算机，它的价格昂贵、功能强大，多用于战略武器、空间技术、石油勘探、天气预报、社会模拟等。它从技术上朝两个方向发展：开发高性能器件，缩短时钟周期，提高单机性能采用多处理器结构，提高机器性能，用于尖端领域，代表国家的计算机科学水平。典型巨型计算机：如美国的ILLIAC-IV型计算机（每秒1.5亿次）、CRAY-1型计算机（每秒1亿次）。“银河”系列计算机和“曙光一号”并行计算机等，标志着我国是世界上少数几个能独立研制出巨型机的国家之一。巨型机上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识运算速度可达5000亿次的“神威”计算机上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识微型计算机的发展P2~3微型计算机的分代是以微处理器的位数为依据的，共分四代。第一代微型计算机第二代微型计算机第三代微型计算机第四代微型计算机上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识特点字长：4位/8位芯片集成度（晶体管数目/片）：1200～2000时钟频率：0.5～0.8MHz基本指令执行时间：10～15μS地址总线：4/8条CPU举例40041.第一代微型计算机上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识特点字长：8位芯片集成度（晶体管数目/片）：5000～9000时钟频率：1～2.5MHz基本指令执行时间：1～2μS地址总线：16条微处理器（CPU）举例Intel8080、Intel8085、M6800、Z-8080802.第二代微型计算机上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识特点字长：16位芯片集成度（晶体管数目/片）：2万~7万时钟频率：5~10MHz基本指令执行时间：0.4~0.75μS地址总线：20/24条微处理器（CPU）举例：Intel8086、Intel8088、Intel80286、M680003.第三代微型计算机上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识特点字长：32/64位芯片集成度（晶体管数目/片）：10万以上时钟频率：25～150MHz基本指令执行时间：0.125μS地址总线：24/32条微处理器（CPU）举例Intel80386、Intel80486、奔腾系列等4.第四代微型计算机上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识笔记本电脑：一种体积更小、重量更轻的便携式微型机单片计算机：微型计算机的主要部件集成在一块芯片上，也称单片微型计算机，简称单片机。其他微型计算机上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识课堂交互现代计算机与微型机“分代”的标准有什么不同？现代计算机：电子器件不同微型机：微处理器的位数上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识综合化、智能化网络化、高速化、整体化、协同化多样化、大众化微小化、低能耗、低污染、缩微化、绿色化商品化集成化、高效化上一页返回下一页1.1.3计算机应用的发展趋势P6~7第1章计算机系统的基础知识课堂交互按计算机采用的电子器件来划分计算机的发展，经历了（）代。A）4B）6C）7D）3分析：按计算机采用的电子器件来划分，计算机的发展经历了四代。结论：答案应选A）上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识教学小结计算工具的演进与发展；计算机科学家现代计算机发展4阶段；微型计算机发展4阶段,各个阶段特点；计算机的应用上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识课后思考1．冯诺依曼计算机的主要特征是什么？2.计算机和微型计算机分别是根据什么划代的？计算机和微型计算机这几代各是什么？返回上一页第1章计算机系统的基础知识教学目的掌握计算机系统的组成成分及各组成成分的功能了解计算机的工作过程教学重点计算机硬件组成及各部分功能1.2计算机的基本组成及工作原理第1章计算机系统的基础知识教学引入现在，我们已经了解计算机的发展，那么计算机的内部有哪些部件组成？返回下一页第1章计算机系统的基础知识概念硬件系统：指由电子部件和机电装置组成的计算机实体。软件系统：指为计算机工作服务的全部技术资料和各种程序。功能硬件的功能：接受计算机程序,并在程序的控制下完成数据输入、数据处理和输出结果等任务。软件的功能：保证计算机硬件的功能得以充分发挥，并为用户提供一个宽松的工作环境。关系二者缺一不可，没有软件的计算机称为“裸机”裸机不能做任何工作。硬件是组成计算机的物质基础,软件则是其灵魂1.2.1计算机的基本组成P7上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识负责数据的算术运算和逻辑运算即数据的加工处理实现记忆功能的部件用来存放计算程序及参与运算的各种数据。存储器运算器控制器输入设备实现计算程序和原始数据的输入负责对整个运算过程进行控制并协调输入、输出操作或内存访问1.2.1计算机的基本组成P7输出设备实现计算结果的输出重点上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识结果数据中央处理器CPU取数存数外部设备接口输入设备输出设备外存储器内存储器运算器控制器程序数据外设主机上一页返回下一页指令第1章计算机系统的基础知识冯●诺依曼型计算机两大特征：程序存储采用二进制微型计算机的组成框图P8重点上一页返回下一页第1章计算机系统的基础知识指令定义：能够被计算机识别的命令，是对计算机进行程序控制的最小单位组成：操作码：计算机应该执行的某种操作的性质和功能；地址码：被操作的数据存放在何处，即指明操作数的地址程序是由完成某一特定任务的一组指令所组成。机器指令：是要计算机执行某种操作的命令，它们全部由0和1这样的二进制编码组成，其操作通过硬件逻辑电路实现。1.2.2计算机的基本工作原理P9上一页返回下一页输出设备执行结果程序数据先编写出完成这一算题的计算程序；结束指令输入设备内存储器微处理器地址/指令/数据分析指令取指令执行指令结束其他指令计算机工作过程CPU工作过程程序和数