學(xué)習(xí)情境一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)了解計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程任務(wù)一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程1946年2月，美國賓夕法尼亞大學(xué)成功研制出世界上第一臺(tái)電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，ENIAC。ENIAC使用了約18000個(gè)電子管、1500個(gè)繼電器及其他器件，占地170平方米，重達(dá)30多噸，與今天的微型計(jì)算機(jī)相比，ENIAC簡直是一個(gè)龐然大物。ENIAC每秒可以進(jìn)行5000次加、減法運(yùn)算或400次乘法運(yùn)算，雖然它的性能無法與今天計(jì)算機(jī)的性能相提并論，但在當(dāng)時(shí)，ENIAC的運(yùn)算速度和精度都是史無前例的。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程1．第一代計(jì)算機(jī)（1946—1957）第一代計(jì)算機(jī)使用的主要邏輯元件是電子管。內(nèi)存儲(chǔ)器（以下簡稱內(nèi)存）采用汞延遲線，容量僅為幾KB；外存儲(chǔ)器（以下簡稱外存）采用磁鼓；運(yùn)算速度為每秒幾千次；使用機(jī)器語言或匯編語言編寫程序，主要應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算。1945年6月，馮·諾依曼提出了“存儲(chǔ)程序”的理論，奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程2．第二代計(jì)算機(jī)（1958—1964）第二代計(jì)算機(jī)使用的主要邏輯元件是晶體管。與第一代計(jì)算機(jī)相比，第二代計(jì)算機(jī)體積小、速度快、性能更穩(wěn)定。第二代計(jì)算機(jī)的內(nèi)存采用磁芯存儲(chǔ)器，容量為幾十KB；外存采用磁帶和磁盤；運(yùn)算速度達(dá)到每秒幾十萬次；使用高級(jí)語言和文件管理程序。第二代計(jì)算機(jī)除了可以應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算，還可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程3．第三代計(jì)算機(jī)（1965—1970）第三代計(jì)算機(jī)使用的主要邏輯元件是中、小規(guī)模集成電路，即在幾平方毫米的單晶硅片上集成由十幾個(gè)甚至上百個(gè)電子元件組成的邏輯電路。第三代計(jì)算機(jī)的內(nèi)存采用半導(dǎo)體芯片；外存體積越來越小，容量越來越大；運(yùn)算速度達(dá)到每秒上千萬次；開始出現(xiàn)操作系統(tǒng)。第三代計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍更加廣泛，主要用于數(shù)據(jù)處理、工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)一、計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程4．第四代計(jì)算機(jī)（1971年至今）第四代計(jì)算機(jī)使用的主要邏輯元件是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，即在幾平方毫米的硅片上集成上萬個(gè)甚至上百萬個(gè)晶體管和線寬在1μm以下的集成電路。第四代計(jì)算機(jī)的內(nèi)存采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器；外存的容量大大增加，并開始使用光盤，計(jì)算機(jī)的體積、質(zhì)量、成本大幅度降低；運(yùn)算速度達(dá)到每秒上千萬次甚至上萬億次。面向?qū)ο?、可視化的程序設(shè)計(jì)開始出現(xiàn)并逐漸實(shí)用化。各種實(shí)用軟件層出不窮，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件等應(yīng)用廣泛；多媒體技術(shù)崛起，計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合，從而進(jìn)入以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為主的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)二、計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)1．運(yùn)算速度快、計(jì)算精度高2．存儲(chǔ)容量大、記憶能力強(qiáng)3．具有邏輯判斷能力4．自動(dòng)運(yùn)行三、計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)分類巨型機(jī)大型機(jī)小型機(jī)工作站服務(wù)器微型機(jī)四、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用（1）科學(xué)計(jì)算；（2）數(shù)據(jù)處理；（3）計(jì)算機(jī)輔助工程；（4）自動(dòng)控制；（5）人工智能；（6）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；（7）辦公自動(dòng)化。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)五、計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)向巨型化和微型化的兩極化方向發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化是計(jì)算機(jī)發(fā)展的主流計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)多媒體化是計(jì)算機(jī)研究和開發(fā)的熱點(diǎn)研制非馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)智能化是未來計(jì)算機(jī)發(fā)展的總趨勢(shì)認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)及

工作原理任務(wù)二一、了解計(jì)算機(jī)的工作原理（一）馮·諾依曼的設(shè)計(jì)思想計(jì)算機(jī)早期重要的設(shè)計(jì)者馮·諾依曼就計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)提出了以下非常重要的思想。（1）計(jì)算機(jī)內(nèi)的所有信息都應(yīng)采用二進(jìn)制數(shù)表示。（2）計(jì)算機(jī)硬件應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成。（3）可以將指令存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)一、了解計(jì)算機(jī)的工作原理1．采用二進(jìn)制數(shù)的必要性為什么在馮·諾依曼的設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)只能采用二進(jìn)制數(shù)，而不是采用我們熟悉的十進(jìn)制數(shù)？這是因?yàn)槭M(jìn)制數(shù)包括0～9共10個(gè)數(shù)字，這就要在計(jì)算機(jī)的電路中設(shè)計(jì)出10種不同的電路狀態(tài)來分別表示這10個(gè)數(shù)字。其實(shí)ENIAC在設(shè)計(jì)之初就是采用了十進(jìn)制的體系結(jié)構(gòu)，結(jié)果電路十分復(fù)雜，計(jì)算機(jī)體積非常龐大，馮·諾依曼提出的三點(diǎn)設(shè)計(jì)思想也正是針對(duì)此問題的改進(jìn)方案。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)一、了解計(jì)算機(jī)的工作原理2．計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)單位既然計(jì)算機(jī)中的所有信息都是一些二進(jìn)制數(shù)據(jù)，則必然得有一種統(tǒng)一的方法來計(jì)量和管理這些數(shù)據(jù)，這也就是計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)單位。最小的數(shù)據(jù)單位為“位”，英文為“bit”（比特）。1位其實(shí)就是二進(jìn)制數(shù)的1個(gè)“0”或1個(gè)“1”。一個(gè)8位的二進(jìn)制數(shù)被稱為“1字節(jié)”。字節(jié)的英文為“Byte”，簡寫為“B”。字節(jié)是計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最基本單位，因?yàn)樽止?jié)這個(gè)單位比較小，所以后來又發(fā)展出“KB”“MB”“GB”“TB”等作為較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單位。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)一、了解計(jì)算機(jī)的工作原理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單位與字節(jié)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：一、了解計(jì)算機(jī)的工作原理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)在計(jì)算機(jī)中表示數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)，通常以bit/s為基本單位，因此帶寬為100Mbit/s就表示這種網(wǎng)絡(luò)每秒可以傳輸100Mbit的數(shù)據(jù)。從網(wǎng)上下載某資源時(shí)，表示下載速率所采用的數(shù)據(jù)單位與前面介紹的不同。由于網(wǎng)上的資源被下載下來后會(huì)保存到計(jì)算機(jī)中，因此在表示下載速率時(shí)采用的單位與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單位一樣是字節(jié)。例如，下載速率表示為1MB/s。根據(jù)之前所介紹的單位換算關(guān)系，我們很容易計(jì)算出bit/s和B/s之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系：1B/s=8bit/s。因此，一個(gè)帶寬為100Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)，它支持的最大下載速率應(yīng)該為100Mbit/s÷8=12.5MB/s。一、了解計(jì)算機(jī)的工作原理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)

3．計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)編碼為了便于計(jì)算機(jī)識(shí)別，我們必須對(duì)這些輸入的字符進(jìn)行編碼，也就是為它們分別指定對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。例如，字符“A”對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)是01000001，當(dāng)在鍵盤上按下A鍵時(shí)，向計(jì)算機(jī)中輸入的其實(shí)是01000001。毫無疑問，所有國家使用的編碼方案必須是統(tǒng)一的，否則不同國家之間的信息不同，將無法進(jìn)行交流，也就不可能有今天的國際互聯(lián)網(wǎng)——Internet。目前，國際上通用的英文字符編碼是ASCII。ASCII對(duì)英文字母及一些常用的符號(hào)進(jìn)行編碼，一共包含128個(gè)字符。每個(gè)字符在計(jì)算機(jī)內(nèi)部都對(duì)應(yīng)1個(gè)8位的二進(jìn)制數(shù)，大小為1字節(jié)。二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的。其中，硬件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件系統(tǒng)相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的“靈魂”，兩者相輔相成、協(xié)調(diào)工作，共同構(gòu)成了一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)（一）硬件系統(tǒng)

1．馮·諾依曼“存儲(chǔ)程序和程序控制”理論的核心內(nèi)容（1）計(jì)算機(jī)硬件由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成。（2）計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用二進(jìn)制數(shù)表示數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)指令。（3）基本部件的工作原理：通過輸入設(shè)備將編寫好的程序和原始數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，存儲(chǔ)在內(nèi)存中。控制器從存儲(chǔ)器中取出程序指令，對(duì)指令進(jìn)行分析。由運(yùn)算器進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，并將結(jié)果存儲(chǔ)在內(nèi)存中。之后，通過輸出設(shè)備將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們能接受的形式進(jìn)行輸出。二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)2．各部件的基本功能（1）輸入設(shè)備。計(jì)算機(jī)通過輸入設(shè)備來接收外界的信息，并將數(shù)據(jù)、程序和其他信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的電信號(hào)。（2）運(yùn)算器和控制器。運(yùn)算器是用于算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件。控制器是計(jì)算機(jī)的指揮控制中心，用于向其他各部件發(fā)出控制信號(hào)，控制數(shù)據(jù)的傳輸和加工。運(yùn)算器和控制器合在一起被稱為中央處理器，CPU是整個(gè)計(jì)算機(jī)的核心。決定CPU性能的重要指標(biāo)是字長與主頻。二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)（3）存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)各種信息的設(shè)備，分為內(nèi)存和外存兩種。內(nèi)存又稱主存，可以與CPU直接進(jìn)行信息交換，其容量較小，讀取數(shù)據(jù)的速度較快。外存中的數(shù)據(jù)不能直接被CPU處理，要先寫入內(nèi)存。外存容量較大，讀取數(shù)據(jù)的速度較慢。（4）輸出設(shè)備。輸出設(shè)備可以將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果以人們或其他機(jī)器能識(shí)別的形式輸出，如文字、圖形、圖像、音頻和視頻等。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、投影儀、繪圖儀和音響等。二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)（3）存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)各種信息的設(shè)備，分為內(nèi)存和外存兩種。內(nèi)存又稱主存，可以與CPU直接進(jìn)行信息交換，其容量較小，讀取數(shù)據(jù)的速度較快。外存中的數(shù)據(jù)不能直接被CPU處理，要先寫入內(nèi)存。外存容量較大，讀取數(shù)據(jù)的速度較慢。（4）輸出設(shè)備。輸出設(shè)備可以將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果以人們或其他機(jī)器能識(shí)別的形式輸出，如文字、圖形、圖像、音頻和視頻等。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、投影儀、繪圖儀和音響等。二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)（二）軟件系統(tǒng)只有硬件系統(tǒng)，沒有軟件系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)被稱為“裸機(jī)”。軟件系統(tǒng)是為了方便使用計(jì)算機(jī)、提高使用效率而組織的程序和文檔的集合，其核心是程序。計(jì)算機(jī)程序是符號(hào)化的語句序列，編寫程序的過程被稱為程序設(shè)計(jì)。文檔是指使用自然語言編寫的文字資料和