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1、计算机基础知识概述 计计算机基础知识概概述1 计算机基础知识概述1 学习目标 了解计算机的发展与应用 掌握计算机硬件系统和软件系统的组成 掌握计算机的工作原理 掌握衡量计算机性能的主要指标 掌握计算机的工作理 主要内容 计算机的发展与应用 计算机系统的基本组成 衡量计算机性能的主要指标 1 第一台计算机的诞生 世界上第一台数字式电子计算机是由美国宾夕法尼亚 大学的物理学家约翰 莫克利 John Mauchly 和工程 师普雷斯伯 埃克特 J Presper Eckert 领导的科研 小组于1943年开始研制并于1946年完成 取名为 ENIAC Electronic Numerical Int
2、egrator And Calculator v5000次加法 秒 v体重30吨 v占地170m2 v17468只电子管 v6000个继电器 v功率174KW vv第一台电子计算机 第一台电子计算机 ENIACENIAC v世界上第一台程序存储式计算EDSAC由英国剑桥 v大学的莫利斯 威尔克于1949年研制成功 它标 志 v着计算机时代的真正开始 vv第一台程序存储式计算机第一台程序存储式计算机 v冯 诺伊曼 Von Neumann v第一台程序存储计算机 v EDSAC 1949 2 计算机的分代 v第一代 v 1946 1959 v电子管 v5千 4万 次 秒 v第二代 v 1960 1
3、963 v晶体管 v几十万 百万 次 秒 v第三代 v 1964 1970 v集成电路 v百万 几百万 次 秒 v第四代 v 1971 至今 v 超 大规模集成电路 v几百万 几亿 次 秒 1 1 计算机的发展与应用 1 1 1 计算机的发展 v第一代 v 1946 1959 v电子管 v5千 4万 次 秒 v第一代计算机的特点 v采用电子管作为基本物理器件 体积大 能耗高 速度慢 容量小 应用也仅限于科 学计算和军事目的 v20 世纪50年代 IBM 704型采用电子管的第一代电 子计算机 v第二代 v 1960 1963 v晶体管 v几十万 百万 次 秒 v第二代计算机的特点 v采用晶体管
4、作为基本物理器件 体积小 能耗低 稳定性强 这一时期适用于事务处理的FORTRAN 语言得到广泛的应用 因此 应用范围从单纯的科 学计算和军事目的扩展到事务处理 工程设计 数 据处理等方面 vIBM公司于1959年生产的IBM 7090型采用晶体管的 第二代电子计算机 它的体积减小了 运算速度却更 快 v第三代 v 1964 1970 v集成电路 v百万 几百万 次 秒 v第三代计算机的特点 v采用中小规模集成电路作为基本物理器件 它 具有通用化 系列化 标准化的特点 v1964年4月IBM360系统问世 它成为使用集成电路的 第三代电子计算机的著名代表 v第四代 v 1971 至今 v 超
5、大规模集成电路 v几百万 几亿 次 秒 v第四代计算机的特点 v采用大规模和超大规模集成电路作为基本物理 器件 这一时期的计算机计算速度可达几百万甚 至上亿次每秒 在系统结构方面发展了并行处理 技术分布式计算机系统和计算机网络等 软件方 面发展了数据库系统 分布式操作系统 高效可 靠的高级语言以及软件工程标准化等 v英国国家航空管理局的控制中心 空中交通管制 用IBM计算机进行控制 vvENIACENIAC v划时代的实验装置 v晶体管实质上是按显微比例的真空管建造的 v电子管的缺点 v体积大 v耗能高 散热量大 v晶体管的优点 v体积小 v耗能低 v性能稳定 vv电子恐龙的缩骨法电子恐龙的缩
6、骨法 晶体管晶体管 1 1 计算机的发展与应用 计算机的特点计算机的特点 2 2 3 3 4 4 1 1 运算速度快 计算机精度 记忆能力强 逻辑判断能力强 1 1 2 计算机的特点及分类 1 1 计算机的发展与应用 1 1 2 计算机的特点及分类 计算机的分类 按工作原理划分 按功能划分 模拟式电子计算机 数字式电子计算机 按规模划分 按工作模式划分 专用计算机 通用计算机 巨型机 大型机 小型机 微型机 工作站 服务器 n1 按用途划分 n 1 通用机 适用解决多种一般问题 该 类计算机使用领域广泛 通用性较强 在 科学计算 数据处理和过程控制等多种用 途中都能适应 n 2 专用机 用于解
7、决某个特定方面的问 题 配有为解决某问题的软件和硬件 如 在生产过程自动化控制 工业智能仪表等 专门应用 v计算机分类 n 2 按规模划分 n 1 巨型计算机 应用于国防尖端技术和现代 科学计算中 巨型机的运算速度可达每秒百万亿 次 研制巨型机是衡量一个国家经济实力和科学 水平的重要标志 n 2 大 中型计算机 具有较高的运算速度 每 秒可以执行几千万条指令 而且有较大的存储空 间 往往用于科学计算 数据处理或作为网络服 务器使用 n 3 小型计算机 规模较小 结构简单 运行 环境要求较低 一般应用于工业自动控制 测量 仪器 医疗设备中的数据采集等方面 小型机在 用作巨型计算机系统的辅助机方面
8、也起了重要作 用 4 微型计算机 中央处理器 CPU 采用微 处理器芯片 体积小巧轻便 广泛用于商业 服务业 工厂的自动控制 办公自动化以及大 众化的信息处理 5 工作站 工作站是一种以个人计算机和分 布式网络计算为基础 主要面向专业应用领域 具备强大的数据运算与图形 图像处理能力 为满足工程设计 动画制作 科学研究 软 件开发 金融管理 信息服务 模拟仿真等专 业领域而设计开发的高性能计算机 6 服务器 在网络环境下为多个用户提供服 务的共享设备 一般分为文件服务器 打印服 务器 计算服务器和通信服务器等 n3 按处理对象划分 n 1 数字计算机 计算机处理时输入 和输出的数值都是数字量 n
9、 2 模拟计算机 处理的数据对象直 接为连续的电压 温度 速度等模拟数 据 n 3 数字模拟混合计算机 输入输出 既可是数字也可是模拟数据 n计算机是一种高度自动化的信息处理 设备 主要特点有 n运算速度快 n自动连续的高度计算 n计算精度高 n记忆能力强 存储容量大 n可靠的逻辑判断能力 n可靠性高 通用性强 n计算机的特点 1 1 计算机的发展与应用 1 1 3 计算机的应用领域及发展趋势 计算机的应用领域 信息处理2 计算机辅助教学与计算机管理教学 4 科学计算3 1 计算机辅助设计与计算机辅助制造 3 3 多媒体应用 6 自动控制3 5 vv计算机的应用领域计算机的应用领域 1 科学计
10、算 指计算机应用于完成科学 研究和工程技术中所提出的数学问题 数值计 算 一般要求计算机速度快 精度高 存储 容量相对大 科学计算是计算机最早的应用方 面 2 信息处理 信息处理主要是指非数值形式 的数据处理 包括对数据资料的收集 存储 加工 分类 排序 检索和发布等一系列工作 3 过程控制 把计算机用于科学技术 军事 领域 工业 农业等各个领域的过程控制 4 计算机辅助系统 有计算机辅助教学 CAI 计算机辅助设计 CAD 计算机辅助制造 CAM 计算机辅助测试 CAT 计算机集成制造 CIMS 等系统 5 多媒体技术 把数字 文字 声音 图形 图像和动画等多种媒体有机组合起来 利用计算机
11、通信和广播电视技术 使它们建立起逻辑联系 并能进行加工处理的技术 目前多媒体计算机技术的应用领域正在不断 拓宽 除了知识学习 电子图书 商业及家庭应用 外 在远程医疗 视频会议中都得到了极大的推广 6 计算机通信 是计算机技术与通信技术结合的 产物 计算机网络技术的发展将处在不同地域的 计算机用通讯线路连接起来 配以相应的软件 达到资源共享的目的 7 人工智能 研究解释和模拟人类智能 智能行 为及其规律的一门学科 其主要任务是建立智能 信息处理理论 进而设计可以展现某些近似于人 类智能行为的计算系统 人工智能学科包括 知 识工程 机器学习 模式识别 自然语言处理 智能机器人和神经计算等多方面的
12、研究 1 1 计算机的发展与应用 1 1 3 计算机的应用领域及发展趋势 计算机计算机 发展趋势发展趋势 2 2 5 5 3 3 4 4 1 1 巨型化 微型化 网络化 智能化多媒体化 1 2 计算机系统的基本组成 1 2 1 计算机硬件系统 1 2 1 计算机硬件系统 v控制器是计算机的指挥中心 负责从存储器中取 出指令 并对指令进行译码 v根据指令的要求 按先后顺序 负责向其他各部 件发出控制信号 v保证各部件协调一致地工作 v控制器主要由指令寄存器 译码器 程序计数器 和操作控制器等组成 v运算器是计算机的核心部件 它负责对信息的加 工处理 v它在控制器的控制下 与内存交换信息 并进行
13、各种算术运算和逻辑运算 v运算器还具有暂存运算结果的功能 它由加法器 寄存器 累加器等逻辑电路组成 v控制器和运算器之间在结构关系非常密切 v到了第四代计算机 运算器和控制器集成在一个 芯片上 形成中央处理器CPU 1 2 1 计算机硬件系统 存储器 主存储器 辅助存储器 随机存储器 只读存储器 静态RAM 动态 RAM 硬盘 光盘 U盘 1 2 1 计算机硬件系统 v用于接受用户输入的原始程序和数据 v是重要的人机接口 v负责将输入的程序和数据转换成计算机能识别的 二进制代码 并放入内存中 v常见的输入设备有键盘 鼠标 扫描仪等 1 2 1 计算机硬件系统 v将计算机运算处理的结果以用户熟悉
14、的信息形式 反馈给用户 v通常输出形式有数字 字符 图形 视频 声音 等类型 v常见的输出设备有显示器 打印机 绘图仪等 1 2 1 计算机硬件系统 相对于计算机硬件而言 软件是计算机的无形部分 是计算机的灵魂 软件可以对硬件进行管理 控制和维护 根据软件的用途可将其分为 系统软件 应用软件 计算机硬件 操作系统 高级语言程序 各种应用软件 用户 1 2 计算机系统的基本组成 1 2 2 计算机软件系统 1 2 2 计算机软件系统 操作系统 操作系统是最基本最重要的系统软件 用来管理和控制 计算机系统中硬件和软件资源的大型程序 是其他软件运行的 基础 操作系统负责对计算机系统的全部软 硬件和数
15、据资源进 行统一控制 调度和管理 主要作用就是提高系统的资源利用率 提供友好的用户界 面 从而使用户能够灵活 方便地使用计算机 语言处理程序 人与人交流需要语言 人与计算机之间交流同样需要语言 人与计算机之间交流信息使用的语言叫做程序设计语言 按 照其对硬件的依赖程度通常把程序设计语言分为三类 机器语言 汇编语言 高级语言 1 2 2 计算机软件系统 机器语言 机器语言是一种用二进制代码 1 和 0 组成的一组代码指 令 是唯一可以被计算机硬件识别和执行的面向机器的语言 优点 占用内存小 执行速度快 缺点 编写程序工作量大 程序阅读性差 调试困难 1 2 2 计算机软件系统 汇编语言 汇编语言
16、是使用一些能反映指令功能的助记符来代替机器 指令的符号语言 汇编语言的指令与机器语言的指令基本上是一一对应的 这些助记符一般是人们容易记忆和理解的英文缩写 优点 汇编语言在编写 阅读和调试方面有很大进步 运 行速度快 缺点 是面向机器的语言 编程复杂 可移植性差 1 2 2 计算机软件系统 高级语言 高级语言是一种独立于机器的算法语言 高级语言的表达方式接近于人们日常使用的自然语言和数 学表达式 并且有一定的语法规则 缺点 编写的程序运行要慢一些 优点 编程简单易学 可移植性好 可读性强 调试容易 1 2 2 计算机软件系统 数据库管理系统 数据库管理系统主要面向解决数据处理的非数值计算问题 对计算机中存放的大量数据进行组织 管理 查询 目前 常用的数据库管理系统有SQL Server Oracle Mysql和Visual FoxPro等 1 2 2 计算机软件系统 1 2 2 计算机软件系统 硬件系统 软件系统 主机外设系统软件应用软件 随机存储器 只读存储器 高速缓冲存储器 输出设备 输入设备 操作系统 语言处理程序 网络通信管理程序 数据管理系统 用户程序 应用软件包 控制器
