教案01计算机硬件技术基础.docx

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教案01计算机硬件技术基础

计算机硬件技术基础第1次课

章节名称

第1章微型计算机基础知识

第1讲微型计算机的发展

目的要求

1．理解计算机的基本工作原理和冯⋅诺伊曼结构；

2．了解计算机、微型计算机的发展概况和微型计算机的特点；

重点

难点

计算机组成原理框图、信息流、存储程序工作原理

方法

手段

多媒体课件

图片（增加形象性）

文字资料：

计算机应用领域的新成果

文字资料：

计算机应用领域的难题

课堂提问

1．计算机的定义是什么？

2．说出计算机中各部件间传送的信息流？

3．指令、程序的概念？

本次课内容总结

思

考

题

作

业

题

1．指出计算机中各部件间传送的信息流？

2．指出存储程序控制原理的主要要点。

参考

资料

授　课　内　容

自我介绍：

略

课程教学内容与时间安排：

计算机系统概述（2学时）

80X86系列微处理器（8学时）

寻址方式与指令系统（10学时）

汇编语言程序设计（10学时）

内存储器组织（8学时）

输入/输出接口（4学时）

中断技术（8学时）

可编程接口芯片及其应用（8学时）

课程特点：

软件和硬件相结合

理论与实践相结合

前修知识：

模拟与数字电路

程序设计基础

通信基础

目标要求：

掌握微机硬件系统组成与工作原理

掌握微机指令系统与硬件结构之间的相互关系

掌握常用I/O接口芯片的应用

初步具备微机软硬件系统的设计能力（接口电路、测控系统等）

考核方法：

笔试：

90%

作业：

10%

参考资料：

1．《16位—32位微机组成原理》史杏荣杨寿保编著，中国科学技术大学出版社

2．《微型计算机技术及应用》戴梅萼史嘉权编著，清华大学出版社

3．《INTEL系列微处理器结构编程和接口技术（美）BarryB.Brey著机械工业出版社

4．《微机原理与接口技术》周明德蒋本珊编著，人民邮电出版社

5．《现代微型计算机与接口教程》杨文显寿庆余编著，清华大学出版社

6．《计算机硬件技术基础》邹逢兴主编，高等教育出版社

7．《微型计算机控制技术》潘新民王燕芳著，人民邮电出版

8．《微型计算机接口技术及应用》刘乐善主编，华中科技大学出版社

9．《现代微机原理与接口技术》杨全胜主编，电子工业出版社

10．《微型计算机技术》孙德文主编，高等教育出版社

第1章微型计算机基础知识

第1讲微型计算机的发展

主要内容

⏹计算机的概念

⏹基本结构

以运算器为核心的组成结构

以存储器为核心的组成结构

⏹指令及其编码结构、程序

⏹基本工作原理（存储程序控制工作原理）

⏹计算机系统（硬件、软件，软件的分类）

⏹计算机的分类、发展与应用

1、计算机的概念

1946年，世界上第一台计算机ENIAC诞生，这台为美国陆军作弹道计算的机器，由18800个真空管、6000个开关、10000个电容器、70000个电阻、1500个继电器组成，占地面积150平方米、重达30吨。

每秒可完成5000次加法运算。

凝聚了全世界最优秀科学家的智慧和最顶尖的电子技术。

现今，计算机已经渗透到国民经济的各个领域，进入到千家万户。

什么是计算机？

计算机是一种以电子器件为基础、不需要人工的直接干预、对各种数字化的信息进行运算加工的快速工具。

由计算机的定义可见，计算机具有如下的特点：

自动连续性

高速性

高运算精度性

通用性

2、计算机的基本结构

计算机的基本结构主要研究组成计算机的主要部件的总体布局、部件的主要特性以及部件间的主要连接关系。

世界上有多种类别和形式的计算机，但从第一台计算机ENIAC，直到目前最先进的超级计算机，其基本结构大多都采用计算机的经典结构--冯.诺依曼结构。

其基本思想是：

计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。

这五大基本部件都是按照图1-1（a）计算机的基本结或图1-1（b）以存储为核心的计算机基本结构来组织的。

1-1（a）计算机的基本结或图1-1（b）以存储为核心的计算机基本结构

其中，运算器是完成各种运算和加工的部件。

其基本运算类型包括算术、逻辑、移位等，可扩展至多种，核心是全加器和移位器。

存储器是计算机中各种数据信息的存储器件，主要保存的信息类型有数据（输入、输出、结果等）、程序等。

存储器的组织形式是按地址找内容，地址指出信息存放的位置，一般按字节编排；内容则是存储信息本身。

存储器中信息的一般存储格式是：

字节：

占一个地址单元。

字：

占两个连续的地址单元，反向存储。

双字：

占四个连续的地址单元，反向存储。

信息的读出的步骤是：

1.给出地址

2.发出读命令

3.信息被“复制”读出

信息的写入的步骤是：

1.给出地址

2.给出写入数据

3.发出写命令。

原存储信息被新写入信息覆盖。

输入设备将输入数据、程序、人工控制命令等提交给计算机，并转化成计算机内部可识别的格式。

常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、磁盘、光盘等。

输出设备完成将各种输出数据的转换、显示或拷贝。

常见的输出设备：

显示器、打印机、磁盘、光盘（可写式）等。

控制器是计算机的控制中心，它从存储器中取得指令，并根据指令的要求协调和控制各逻辑组件有条不紊地工作，完成指令和程序规定的操作。

或者说控制器总是连续不断地从存储器中取指令、分析指令、执行指令，并根据指令的要求，向系统各功能部件发出执行该指令所需的各种控制命令。

因此，控制器是全计算机的协调控制中心。

在计算机的五大部件中，运算器和控制器是信息处理的中心部件，所以将它们合称为“中央处理单元（CPU；CentralProcessingUnit）。

存储器、运算器和控制器在信息处理操作中起主要作用，是计算机组成的主体部分，通常被称为主机”。

而输入（Input）设备和输出队（Output）设备统称为“外部设备”，简称为外设或I／O设备。

计算机各内部逻辑组件间有两种信息流，一种为数据流，表示组件间的数据联系关系，图中用中空箭头线表示。

另一种为控制流，表示组件间的控制联系关系，图中用单实线箭头线表示。

归纳起来，这些信息流主要有：

数据流：

数据信息、指令

输入数据：

输入设备→运算器→存储器

输出数据：

存储器→运算器→输出设备

运算数据：

存储器→运算器→存储器

指令数据：

存储器→控制器

控制流：

控制信息，只能由控制器发出

控制器→运算器

控制器→存储器

控制器→输入设备

控制器→输入设备

原始的冯·诺依曼计算机在结构上是以运算器为中心的，见图1-1（a）示。

输入设备将事先编制好的程序和数据经过运算器的中转，存放在存储器中；控制器从存储器中取得指令，并根据指令的功能完成相应的控制，向各组件发出各种控制命令；指令执行过程中所需的各种运算由运算器完成，运算器可从存储器中取得参加运算的数据和向存储器存放运算的中间和最终结果；由输出设备完成运算结果的输出（经运算器中转）。

在现代计算机系统结构中，为了摆脱高速高性能CPU对相对慢速I／O设备的干预，改善系统性能，大多采用图1-1（b）所示的以存储器为中心的体系结构。

在计算机体系结构中引入通道技术，使得I／O设备与存储器间的数据不再经运算器中转而直接传送。

通道技术的引入，提高了系统中CPU、通道和外设的并行工作程度，显著地改善了系统性能。

3、计算机的基本工作原理----存储程序控制

几乎所有的冯.诺依曼结构的计算机都依据存储程序控制的工作原理。

为了理解存储程序控制工作原理的基本要点，先来看两个名词。

指令：

使计算机完成某种特定操作的命令。

指令的一般格式：

操作码+操作数。

其中操作码指出操作的类型，操作数指出该操作所使用的数据。

程序：

程序员按一定算法编写的、能完成某种解算任务的指令的有序序列。

存储程序控制工作原理主要解决的问题是：

计算机为什么能自动连续地解算各种实际问题？

计算机工作的基础和核心是什么？

计算机是由程序控制其操作过程的。

采用二进制形式表示数据和指令并将其存放在存储器中。

计算机在工作时依次逐条地从存储器中取出指令加以执行，自动完成解算任务。

控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作的，并由一个程序计数器（即指令地址计数器、指令指针）控制指令的执行。

控制器具有判断能力，能以计算结果为基础，选择不同的动作流程，实现程序的分支与转移。

因此，只要根据应用的需要，事先编制好程序并输入计算机，计算机就能自动连续地工作，完成预定的处理任务。

把这种“存储程序”和“程序控制”简称为存储程序控制。

存储程序是计算机工作的一个重要原则，这也是计算机能自动处理的基础。

归纳起来，存储程序控制工作原理的基本要点主要有：

实际问题→算法→编程

输入程序并存储

在控制器的控制下，逐条取指令→分析指令→执行指令

最后一条指令执行完后，输出结果，解算任务完成

其中，自动连续地逐条取指令→分析指令→执行指令是计算机设计的关键。

4、计算机系统

计算机系统由硬件和软件两部分组成。

其中，计算机硬件（Hardware）是指构成计算机的所有实体部件，通常指由电路（电子元件）、机械系统、磁性材料、光电元件等组成的计算机元部件和计算机外部设备，它们都是计算机系统中看得见摸得着的物理实体，依照计算机系统结构的要求构成有机的整体。

计算机软件（Software）是计算机中全部程序的集合。

按其功能可以把计算机软件分为应用软件和系统软件两大类。

系统软件是由计算机厂家作为系统资源提供给用户使用的软件，用于实现计算机的管理、调度、监视和服务等功能。

其目的是方便用户，提高计算机的使用效率，扩充系统的功能。

系统软件是使用和管理计算机的软件，是为其它软件服务的软件。

它最靠近计算机硬件，其它软件都要通过它发挥作用。

从用途上来看，主要有：

（1）面向计算机管理和操作的软件：

包括操作系统、网络通信系统、监控程序、故障处理程序等。

（2）面向用户的软件：

主要用来方便用户解决自已的问题。

包括语言处理程序，如汇编程序、编译程序和解释程序；辅助加工软件，如编辑程序、连接程序、各种通用和专用的计算程序、数据库和软件包；数据库管理程序等。

（3）面向计算机维护人员的软件：

如各种诊断调试程序、测试程序等。

应用软件是用户在各自的领域中，为解决各类特定问题而编写的应用程序。

如科学计算程序、自动控制程序、工程设计程序、数据处理程序、情报检索程序等。

应用软件一般由用户编写。

应用领域不同，应用软件的差别很大。

目前应用软件也向着标准化、模块化和商品化的方向发展。

5、计算机的分类

根据计算机的应用范围，将计算机分可为专用计算机和通用计算机。

专用计算机是为特定应用问题而设计的计算机，具有经济、有效和快速等特点，但它的使用面较窄。

通用计算机使用面广，通用性强，操作相对简单，是经常使用的计算机系统。

根据计算机的规模，又可将计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机等。

它们的区别在于体积大小、功能强弱、机器规模等多方面。

随着计算机技术的飞速发展，各种机型的划分也在不断地变化，所以，确切地给出它们的区别已无可能，也无必要。

一般来说，巨型计算机主要用于科学计算，其运算速度最快、性能极高，而且它的结构复杂、体积庞大、价格昂贵。

微型计算机则相反，具有体积小、功耗低、价格便宜、结构简单、操作容易等特点。

其他机型则界于这两者之间。

6、计算机的发展

传统的按年代划分法，将计算机的发展划分成四个阶段，主要是按制造计算机所采用的主要电子器件来划分：

电子管阶段：

1946年------第一代

晶体管阶段：

1958年------第二代

集成电路阶段：

1965年—第三代

大规模/超大规模集成电路阶段：

1970年---第四代

上世纪80年代到90年代，欧美、日本等国都提出了研制第五代计算机----即智能计算机的计划。

设想中的第五代计算机能够模拟人的思维和智慧，具有学习能力，可以听懂自然语言和看懂各种文字，能够自己编写程序等，但由于技术的限制，最终均偃旗息鼓。

经过20多年的努力，人们在智能计算机的某些方面，还是取得了一些突破。

虽然学术界不再提五代机，但按传统的年代划分法，第四代计算机后的30多年，却是一个空白。

而恰恰相反的是，这30多年，正是计算机突飞发展的年代，因此，人们又提出了第二种划分方法。

新划法：

按应用阶段

主机阶段（超、大、中、小型机）1946-1980

开创了机器劳动代替人脑劳动新纪元

微型机阶段1981-1991

开创了计算机由少数人拥有变成多数人享用并逐步走向寻常百姓家的新纪元

计算机网络阶段1991-

开创了以网络为中心，实现全球资源共享的新纪元

7、计算机的应用领域

在ENIAC问世后将近30余年的时间里，计算机一直被作为大学和研究机构的娇贵设备。

20世纪70年代中期后，随着大规模集成电路工艺的日趋成熟，计算机的价格大幅度下降，加之计算机软件技术的日趋完美，终于使计算机走出了实验室而渗透到国民经济的各个领域乃至走进普通百姓的家中。

尤其是近年来计算机技术和通信技术相互融合，出现了沟通全球的Internet网，更使计算机的应用范围从科学计算、数据处理、过程控制、计算机辅助系统等传统的应用领域扩展到办公自动化、多媒体、电子商务、网络教育、虚拟现实等，遍及政治、经济、军事、科技、以及个人文化生活和家庭生活的各个角落。

以下仅列举计算机的几个主要应用领域。

（1）科学计算

科学计算最初是现在仍然是计算机应用的一个重要领域。

由于计算机具有很高的运算速度和精度，使得过去用手工无法完成的计算成为现实可行。

（2）数据处理

数据处理是是目前计算机应用最广泛的一个领域。

早在20世纪五六十年代起，人们就把大批复杂的事务数据交给了计算机处理，例如政府机关公文、报表和档案；大银行、大公司、大企业的财务、人事、物料，包括市场预测、情报检索、经营决策、生产管理等大量的数据信息，都由计算机收集、存储、整理、检索、统计，修改、增删等，井由此获得某种决策数据或趋势，供各级决策指挥者参考。

（3）过程检测与控制

利用计算机对工业生产过程中的某些信号进行检测，并把检测到的数据送入计算机，经过计算机的运算，根据偏差，驱动执行机构进行调整，达到自动控制的目的。

特别是微型计算机进人仪器仪表后所构成的智能化仪器仪表，将工业自动化推向了一个更高的水平。

（4）计算机辅助系统

计算机辅助系统包括辅助设计、辅助制造、辅助教学等方面。

计算机辅助设计（CAD）是指利用计算机来帮助设计人员进行工程设计，以提高设计工作的自动化程度，节省人力和物力。

用计算机进行辅助设计，不仅速度快。

而且质量高，为缩短产品的开发周期与提高产品质量创造了有利条件。

计算机辅助制造（CAM）是指利用计算机进行生产设备的管理、控制与操作，从而提高产品质量、降低生产成本、缩短生产周期，并且还大大改善了制造人员的工作条件。

计算机辅助教学（CAI）是指利用计算机帮助学习的自动系统，它将教学内容、教学方法以及学习情况等存储在计算机中，使学生能够轻松自如地从中学到所需要的知识。

（5）人工智能

人工智能是专门研究如何使用计算机来模拟人的智能的技术。

尽管经过了近半个世纪的努力，被人们称之为“电脑”的计算机与“人脑”相比，仍无法相提并论。

但近年来在人工智能的某些领域如模式识别、文字/语音识别、专家系统和机器人制作方面都取得了较大的成就。

（6）多媒体技术

多媒体技术是计算机技术和视、音频及通信等技术集成的产物，它集对各种媒体（如文字、图形、影像、音频、视频、动画等）的采集、传输、转换、编辑、存储与管理于一体，并由计算机综合处理为文字、图形、动画、音响、影像等新的视听信息。

（7）电子商务

电于商务的含义是指任何一个组织机构可利用Internet网络来改变他们与客户、供应商、业务伙伴和内部员工的交流，也可以认为是消费者、销售者和银行等结算部门之间利用Internet完成商品采购、支付收款甚至物流配送的过程。

这种简洁、快捷、可靠的商品销售方式，从根本上改变了传统的销售方式。

（8）网络教育

传统的老师讲、学生听的教学摸式的最大缺点是，作为受知主体的学生在教学过程中自始至终处于受灌输的被动地位，其主动性、积极性难以发挥，学生无法主动探索，主动发现社会上、国际上的信息资源，很难培养具有“信息能力”的劳动者。

因此，不利于创新能力的形成和创新型人才的成长。

此外，这种模式受场地、空间的限制，投资大，受教育面有限，不能适应各种学科的终身教育和全面教育。

基于Internet的网络教育，学生受教可以不受时间、空间和地域的限制，通过网络伸展到全球的每个角落，建立真正意义上的开放式的虚拟学校，每个学生可以在任意时间、任意地点通过网络自由地学习，不论学生的贫富贵贱，都可以找到第一流老师的指导，都可以向世界最权威的专家请教，都可以从世界任何角落获取最新的信息和资料。

（9）虚拟现实

虚拟现实是利用计算机生成的一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与环境直接进行交互的目的。

这种模拟环境是用计算机构成的具有表面色彩的立体图形，它可以是某一特定现实世界的真实写照，也可以是纯粹构想出来的世界。

虚拟现实在军事、教育、航天、航空以及娱乐、教育、生活中的应用，不仅会改变人们的思维方式和生活方式，而且必将导致一场重大的技术革命。

小结

⏹计算机的概念

⏹基本组成

以运算器为核心的组成结构

以存储器为核心的组成结构

⏹指令及其编码结构、程序

⏹基本工作原理（存储程序控制工作原理）

⏹计算机系统（硬件、软件，软件的分类）

⏹计算机的分类、发展与应用

备注：

给出ENIAC的图片资料

地址/内容图

信息存储图

信息读出图

信息写入图

举例