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1、第1章计算机概述教材第1章 计算机概述教学重点：1、计算机系统的组成 2、数制转换教学难点：计算机的工作原理授课进度：理论4学时，实验4学时1.1 计算机的发展及应用1.1.1 计算机的发展历史计算机是一种能迅速而高效的自动完成信息处理的电子设备它能按照程序对信息进行加工、处理、存储。世界上第一台电子数字式计算机由美国宾夕法尼亚大学、穆尔工学院和美国陆军火炮公司联合研制而成于1946年2月15日正式投入运行它的名称叫ENIC是The Electronic Numerical Integrator and Calculator (电子数值积分计算机)的缩写。它使用了17468个真空电子管耗电17

2、4千瓦占地170平方米重达30吨每秒钟可进行5000次加法运算。虽然它的功能还比不上今天最普通的一台微型计算机但在当时它已是运算速度、精确度和准确度也是以前的计算工具无法比拟的。以圆周率()的计算为例中国的古代科学家祖冲之利用算筹耗费15年心血才把圆周率计算到小数点后7位数。一千多年后，英国人香克斯以毕生精力计算圆周率才计算到小数点后707位。而使用ENIAC进行计算仅用了40秒就达到了这个记录还发现香克斯的计算中第528位是错误的。ENIAC奠定了电子计算机的发展基础开辟了一个计算机科学技术的新纪元。有人将其称为人类第三次产业革命开始的标志。ENIAC诞生后短短的几十年间计算机的发展突飞猛进

3、。主要电子器件相继使用了真空电子管晶体管中、小规模集成电路和大规模、超大规模集成电路引起计算机的几次更新换代。每一次更新换代都使计算机的体积和耗电量大大减小功能大大增强应用领域进一步拓宽。特别是体积小、价格低、功能强的微型计算机的出现使得计算机迅速普及进入了办公室和家庭在办公室自动化和多媒体应用方面发挥了很大的作用。目前计算机的应用已扩展到社会的各个领域。1 第一阶段 电子管计算机(19461957年) 其主要特点是： （1） 采用电子管作为基本逻辑部件体积大耗电量大寿命短可靠性大 成本高。 （2） 采用电子射线管作为存储部件容量很小 后来外存储器使用了磁鼓存储信息扩充了容量。 （3） 输入输

4、出装置落后主要使用穿孔卡片速度慢容易出错使用十分不便。（4） 没有系统软件只能用机器语言和汇编语言编程。 2 第二阶段 晶体管计算机 (19581964年)随着半导体技术的发展50年代中期晶体管取代了电子管晶体管计算机的体积大为缩小只有电子管计算机的1/100左右耗电也只有电子管计算机的1/100左右但它的运算速度大为提高达每秒几万次。主要特点是： （1） 采用晶体管制作基本逻辑部件体积减小重量减轻能耗降低成本下降计算机的可靠性和运算速度均得到提高。（2） 普遍采用磁芯作为贮存器采用磁盘/磁鼓作为外存储器。 （3） 开始有了系统软件(监控程序)提出了操作系统概念出现了高级语言。 3 第三阶段

5、集成电路计算机 (19651970年) 1962年世界上第一块集成电路在美国诞生在一个只有2.5平方英寸的硅片上集成了几十个至几百个晶体管计算机的体积进一步缩小运算速度可达每秒几百万次。主要特点是： （1） 采用中小规模集成电路制作各种逻辑部件从而使计算机体积小重量更轻耗电更省寿命更长成本更低运算速度有了更大的提高。 （2） 采用半导体存储器作为主存取代了原来的磁芯存储器使存储器容量的存取速度有了大幅度的 提高增加了系统的处理能力。 （3） 系统软件有了很大发展 出现了分时操作系统 多用户可以共享计算机软硬件资源。（4） 在程序设计方面上采用了结构化程序设计为研制更加复杂的软件提供了技术上的保

6、证。 4 第四阶段 大规模、超大规模集成电路计算机 (1971年至今)1971年INTEL公司的工程师们把计算机的算术与逻辑运算电路合在一片长六分之一、宽八分之一英寸的硅片上做成了世界上第一片微处理器（INTEL4004）,在这片硅片上相当于集成了2250只晶体管从此掀起信息革命浪潮的微型电子计算机（简称微机）诞生了。它的体积更小运算速度达每秒上亿次这正是我们目前正在普及使用的一代计算机。主要特点是： （1） 基本逻辑部件采用大规模超大规模集成电路使计算机体积重量成本均大幅度降低出现了微型机。 （2） 作为主存的半导体存储器其集成度越来越高容量越来越大；外存储器除广泛使用软硬磁盘外还引进了光盘

7、。 （3） 各种使用方便的输入输出设备相继出现。 （4） 软件产业高度发达各种实用软件层出不穷极大地方便了户。 （5） 计算机技术与通信技术相结合计算机网络把世界紧密地联系在一起 （6） 多媒体技术崛起计算机集图像、图形、声音和文字处理于一体在信息处理领域掀起了一场革命与之对应的信息高速公路正在紧锣密鼓地筹划实施当中。从20世纪80年代开始日本美国欧洲等发达国家都宣布开始新一代计算机的研究。普遍认为新一代计算机应该是智能型的它能模拟人的智能行为理解人类自然语言并继续向着微型化网络化发展。在计算机的发展历程中微型机的出现开辟了计算机的新纪元。微型机因其体积小结构紧凑而得名。它的一个重要特点是将中

8、央处理器(CPU)制作在一块电路芯片上这种芯片称作微处理器。根据微处理器的集成规模和处理能力又形成了微型机的不同发展阶段它以23年的速率迅速更新换代。 微型机的发展阶段1 第一代微型机(19711972年) 2 1971年美国Intel公司首先研制成4004微处理器它是一种4位微处理器随后又研制出 8 位微处理器Intel 8008。由这种4位或8位微处理器制成微型机都属于第一代。3 第二代微型机(19731977年) 4 第二代微型机的微处理器都是8位的但集成有了较大的提高。典型产品有Intel公司的8080Motorola 公司的 6800 和 Zilog 公司的 Z80 等处理器芯片。以

9、这类芯片为 CPU生产的微型机其性能较第一代有了较大提高5 第三代微型机(19781981年) 6 1978年 Intel 公司生产出16位微处理器8086标志着微处理器进入第三代其性能比第二代提高近10倍。典型产品有 Intel 8086、Z8000、M68000等。用16位微处理器生产出的微处理器支持多种应用如数据处理和科学计算。 7 第四代微型机(1981年至今) 随着半导体技术工艺的发展集成电路的集成度越来越高众多的 32 位高档微处理器被研制出来典型产品有 Intel 公司的 Pentium 系列；AMD 公司的 AMD 公司的 AMD K6、AMD K6-2； Cyrix 公司的

10、6X86 等。用 32 位微处理器生产的微型机一般归于第四代其性能可与20世纪70年代的大中型计算机相媲美。1.1.2 计算机的主要特点ENIAC诞生后数学家冯诺依曼提出了重大的改进理论主要有两点：其一是电子计算机应该以二进制为运算基础其二是电子计算机应采用存储程序方式工作并且进一步明确指出了整个计算机的结构应由五个部分组成：运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置。冯诺依曼的这些理论的提出解决了计算机的运算自动化的问题和速度配合问题对后来计算机的发展起到了决定性的作用。直至今天绝大部分的计算机还是采用冯诺依曼方式工作。计算机的主要特点有1 运算速度快计算机内部有个承担运算的部件叫做运算器。

11、现在高性能电脑每秒能进行几十亿次加减运算。很多场合下运算速度起决定作用。 例如 计算机控制导航要求“运算速度比飞机飞的还快”。再如气象预报要分析大量资料运算速度必须跟上天气变化否则便会失去预报的意义以往很多工程计算限于计算工具的落后只能凭经验公式估计如今可以利用电脑进行精确求值省时省料使产品不断更新换代。 2 计算精度高数字式电子计算机用离散的数字信号形式模拟自然界的连续物理量无疑存在一个精度问题。但是除特殊情况外一味地追求高精度是没有意义的 只要相对误差在允许范围内就够了。实际上计算机的计算精度在理论上并不受限制一般的计算机均能达到15位有效数字通过一定技术手段可以实现任何精度求。 3 记忆

12、能力强在计算机中有一个承担记忆职能的部件称为存储器。如果没有存储器计算机就丧失了记忆能力就不能叫电脑了。计算机存储器的容量可以做得很大 能存储大量数据。除能记住各种数据信息外存储器还能记住加工这些数据的程序。程序是人设计的反应了人的思想方法和行为动作记住程序就等于记住了人的思维和活动。 4 具有逻辑判断能力 逻辑判断能力就是因果关系分析能力分析命题是否成立以便作出相应对策。例如让计算机检测一个开关的闭合状态如开路做什么闭路又做什么。计算机的逻辑判断 能力是通过程序实现的可以让它做各种复杂的推理。例如数学中有个“四色问题”就 是后来的科学家用计算机解决的。5 可靠性高由于采用了大规模和超大规模集

13、成电路计算机具有非常高的可靠性可以连续五故障工作长达几年。6 通用性强现代计算机部不仅可以进行科学计算也可用于数据处理、实时控制、辅助设计和辅助制造、办公自动化和计算机网络等通用项非常强。1.1.3 计算机的分类可以从不同的角度对计算机进行分类。计算处理的信号有数字信号和模拟信号按计算机处理的信号不同可分为数字计算、模拟计算机和数字模拟混合计算机。数字计算机处理数字信号数据模拟计算机处理模拟信号数据数字模拟混合计算机机可以处理数字信号也可以处理模拟信号。计算机按其功能可分为专用计算机和通用计算机。专用计算机功能单一、适应性差但是在特定用途下有效、经济、快速。通用计算机功能齐全、适应性强目前所说

14、的计算机都是指通用计算机。在通用计算机中又可根据运算速度、输入输 出能力、数据存储能力、指令系统的规模和机器价格等因素将其划分为巨型机、大型机、小型机、微型机、服务器及工作站等。 1 巨型机 巨型机运算速度快存储容量大结构复杂价格昂贵主要用于尖端科学研究领域。2 大型机 大型机规模仅次于巨型机有比较完善的指令系统和丰富的外部设备主要用于计算中心和计算机网络中。 3 小型机 小型机较之大型机成本较低维护也较容易。小型机用途广泛既可用于科学计算、数据处理也可用于生产过程自动控制和数据采集及分析处理。4 微型机 20世纪70年代后期微型机的出现引发了计算机硬件领域的一场革命。如今微型机家族中“人丁兴

15、旺”。微型机采用微处理器、 半导体存储器和输入输出接口等芯片组装使得它较之小型机体积更小价格更低 灵活性更好可靠性更高使用更加方便。5 服务器 随着计算机网络的日益推广和普及一种可供网络用户共享的、商性能的计算机应运而生这就是服务器。服务器一般具有大容量的存储设备和丰富的外部设备 其上运行网络操作系统要求较高的运行速度对此很多服务器都配置了双 CPU。 服务器上的资源可供网络用户共享。 6 工作站 20世纪70年代后期出现了一种新型的计算机系统,称为工作站(WS)。工作站实际上是一台高档微机。 但它有其独到之处易于联网配有大容量主存大屏幕显示器特别适合于CADCAM和办公自动化典型产品有美国

16、SUN公司的 SUN3、SUN4等。随着大规模集成电路的发展目前的微型机与工作站乃至小型机之间的界限已不明显现在的微处理器芯片速度已经达到甚至超过十年前的一般大型机CPU的速度。1.1.4 计算机的应用领域现在计算机的应用已广泛而深入地渗透到人类社会各个领域。从科研、生产、国防、文化、教育、卫生直到家庭生活都离不开计算机提供的服务。计算机促进了生产率的大幅度提高把社会生产力提高到了前所未有的水平。下面根据其应用领域归纳成几大类。1 科学计算在自然科学中诸如数学、物理、化学、天文、地理等领域在工程技术中诸如航天、汽车、造船、建筑等领域计算工作量是很大的。计算正是计算机的特长通过计算手段上的改进往

17、往会促使学科理论上发生某种突破例如建筑设计中的“有限单元法”。2 数据处理有资料表明世界上的计算机80%以上主要用于数据处理。这类工作量大面广成为计算应用的主流。现代社会是信息化社会随着生产的高度发展导致信息量急剧膨胀。信息是资源,人类进行各项社会活动不仅要考虑物质条件而且要认真研究信息。信息已经和物质、能量一起被列为人类社会活动的三大支柱.数据处理就是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称目的是获取有用的信息作为决策的依据。目前计算机数据处理已广泛地应用于办公自动化、企事业计算辅助管理与决策、文字处理、文档管理、情报检索、激光照排、电影电视动画设计、

18、会计电算化、图书管理、医疗诊断等各行各业。信息已经形成独立的产业多媒体技术更为信息产业插上腾飞的翅膀。有了多媒体展现在人们面前的再也不是枯燥的数字、文字而是人们喜闻乐见、声情并茂的声音和图像信息了。3 计算机辅助设计辅助制造(CAD/CAM)20世纪切年代开始许多国家就开始了计算机辅助设计与制造的探索。应用计算机图形方法学对产品结构、部件和零件进行计算、分析比较和制图。CAD的方便之处是可随时更改参数、反复迭代、优化设计直到满意为止,还可进一步输出零部件表、材料表以及数字机床加工用的纸带或磁带,从而直接把CAD设计的产品加工出来,这就是 CAM。4 过程控制工业生产过程自动控制能有效地提高劳动

19、生产率。过去工业控制主要采用模拟电路响应速度慢、精度低现在已逐渐被微型机控制所代替。微机控制系统把工业现场的模拟量、开关量以及脉冲量经由放大电路和模数、数模转换电路送给微型机由微型机进行数据采集、显示以及控制现场。微机控制系统除了应用于工业生产外还广泛应用于交通、邮电、卫星通讯等。5 多媒体技术多媒体计技术是应用计算机技术将文字、图像、图形和声音等信息以数字化的方式进行综合处理从而是计算机具有表现、处理、存储各种媒体信息的能力。多媒体技术的关键是数据压缩技术。6 计算机通讯计算机通讯是计算机技术和通讯技术相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软件达到

20、资源共享的目的。多媒体技术的发展给计算机通讯注入了新内容。是计算机通讯由单纯的文字数据通讯扩展到音频、视频图像的通信。Internet的迅速普及使诸如远程会议、远程医疗、网上理财、电子商务等网上通讯活动进入了人们的生活。7 人工智能人工智能是计算机应用的一个新领域利用计算机模拟人的智能用于机器人专家系统、推理证明等各方面。1.1.5 计算机的发展趋势电子计算机还在向以下四个方面发展：1 巨型化天文、军事、仿真等领域需要进行大量的计算要求计算机有更高的运算速度、更大的存储量这就需要研制功能更强的巨型计算机。2 微型化专用微型机已经大量应用于仪器、仪表和家用电器中。通用微型机已经大量进入办公室和家

21、庭但人们需要体积更小、更轻便、易于携带的微型机以便出门在外或在旅途中均可使用计算机。应运而生的便携式微型机(笔记本型)和掌上型微型机正在不断涌现迅速普及。3 网络化将地理位置分散的计算机通过专用的电缆或通信线路互相连接就组成了计算机网络。网络可以使分散的各种资源得到共享使计算机的实际效用提高了很多。计算机联网不再是可有可无的事而是计算机应用中一个很重要的部分。人们常说的因特网(INTERNET国际互联网)就是一个通过通信线路联接、覆盖全球的计算机网络。通过因特网人们足不出户就可获取大量的信息与世界各地的亲友快捷通信进行网上贸易等等。4 智能化目前的计算机已能够部分地代替人的脑力劳动因此也常称为

22、“电脑”。但是人们希望计算机具有更多的类似人的智能比如：能听懂人类的语言能识别图形会自行学习等等这就需要进一步进行研究。近年来通过进一步的深入研究发现由于电子电路的局限性理论上电子计算机的发展也有一定的局限因此人们正在研制不使用集成电路的计算机例如：生物计算机、量子计算机、超导计算机等。1.2 计算机系统的组成1.2.1 计算机系统的组成计算机系统由硬件系统和软件系统组成，其具体结构如图1.2-1所示。图1.2-1计算机系统的组成1.2.2 计算机硬件系统1 计算机硬件系统的组成计算机硬件系统是指构成计算机的所有实体部件的集合通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成它们都是能看得见摸

23、得着的因此通称为“硬件”是进行一切工作的基础。计算机的硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。1) 运算器运算器是计算机的运算部件，进行算术运算和逻辑运算并暂存中间结果。常把运算器称为算术与逻辑运算部件,即ALU。运算器是计算机的核心部件,它的技术性能的高低直接影响着计算机的运算速度和性能。2) 控制器：控制器是计算机的控制中心按照人们事先给定的指令步骤统一指挥各部件有条不紊地协调动作。控制器的主要功能是从内存中取出一条条指令，并指出当前所取指令的下一条指令在内存中的地址,对所取指令进行译码和分析，并产生相应的电子控制信号，启动相应的部件执行当前指令规定的操作，周而复始

24、地使计算机实现程序的自动执行。控制器的功能决定了计算机的自动化程度。随着大规模集成电路技术的发展运算器和控制器通常做在一块半导体芯片上称为中央处理器或微处理器简称CPU，CPU是计算机核心和关键,计算机的性能主要取决于 CPU。3) 存储器：存储器是具有记忆功能的部件。计算机在运行过程中所需要的大量数据和计算程序，都以二进制编码形式存于存储器中。存储器分为许多小的单元，称为存储单元。每个存储单元有一个编号，称为地址。存储器中的数据被读出以后,原存储器中的数据仍能保留，只有重新写入，才能改变存储器存储单元的存储状态。计算机的存储器分为内存储器和外存储器。内存储器简称内存又称主存是 CPU能根据地

25、址线直接寻址的存储空间由半导体器件制成。其特点是存取速度快基本上能与 CPU速度相匹配。计算机工作时将用户需要的程序与数据装入内存。内存按其功能和存储信息的原理又可分成两大类即随机存储器和只读存储器。随机存储器简称RAM(Random Only Memory)。RAM在计算机工作时既可随时从中读出信息也可随时写人信息所以RAM是在计算机正常工作时可读写的存储器。当机器掉电时RAM的信息会丢失。因此用户在操作电脑过程中应养成随时存盘的习惯以防断电丢失数据。只读存储器简称Rom(Read only Memory)。计算机工作时只能从Rom中读出信息而不能向Rom写信息当机器掉电时Rom的信息不会丢

26、失。利用这一特点常将操作系统基本输人输出程序固化其中机器加电后立刻执行其中的程序ROM BIOS 就是指含有这种基本输入输出程序的ROM 芯片。外存储器简称外存它作为一种辅助存储设备 主要用来存放一些暂时不用而又需长期保存的程序或数据。当需要执行外存中的程序或处理外存中的数据时必须通过CPU 输入输出指令将其调入BAM中才能被CPU执行处理 所以外存实际上属于输入输出设备。 内存是程序存储的基本要素存取速度快 但价格较贵容量不可能配置的非常大；而外存响应速度相对较慢但容量可以做得很大（如一张3.5英寸软盘片容量1.44MB一张光盘片容量640MB硬盘容量可达几十GB）。外存价格比较便宜并且可以

27、长期保存大量程序或数据是计算机中必不可少的重要设备。 外存储器用来放置需要长期保存的数据它解决了内存不能保存数据的缺点。微型计算机中的外存储器有软磁盘驱动器、硬磁盘驱动器、光盘驱动器。把计算机的运算器、控制器和存储器合在一起称为计算机的主机。 4) 输入设备：计算机在与人进行会话、接受人的命令或是接收数据时需要的设备叫做输入设备。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、游戏杆等。 图1.2-2计算机的工作原理5) 输出设备：计算机在与人进行会话、接受人的命令或是接收数据时需要的设备叫做输入设备。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、游戏杆等。 输出设备是将计算机处理的结果以人们能够认识的方式输出的设

28、备。常用的输出设备有显示器、音箱、打印机、绘图仪等。 2 计算机的工作原理 美籍匈牙利数学家冯诺依曼在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想。到现在为止尽管计算机制造技术已经发生了极大的变化但是就其体系结构而言仍然是根据他的设计思想制造的这样的计算机称为冯诺依曼结构计算机。 冯诺依曼设计思想可以简要地概括为以下三点： 1) 计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件。 2) 计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。其中操作码表示运算性质地址码指出操作数在存储器中的地址。 3) 将程序送人内存储器中然后启动计算机工作 计算机

29、勿需操作人员干预能自动逐条取出指令和执行指令。 计算机的工作过程就是执行程序的过程。程序是若干指令的序列执行程序的过程是： 1） 取出指令：从存储器某个地址中取出要执行的指令送到 CPU 内部的指令寄存器暂存；2） 分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令寄存器译出该指令对应的微操作； 3） 执行指令：根据指令译码器向各个部件发出相应控制信号完成指令规定的操作； 4） 为执行下一条指令做好准备即形成下一条指令地址。 3 计算机的性能指标1.2.3 计算机软件系统只有硬件系统而没有软件系统的计算机称为裸机是无法工作的。要想让计算机完成某项工作必须配备相应的软件系统。计算机的软件系统分为系统软

30、件和应用软件。 1 系统软件系统软件是管理、监控和维护计算机资源的软件是计算机必备的软件。它负责管理和控制计算机的资源提供用户使用计算机的界面。包操作系统、各种程序设计语言（如C语言、BASIC语言）的编译与解释程序、监控和诊断程序等。最重要的系统软件是操作系统。2 应用软件应用软件是为了解决各种实际问题而设计的程序。包括各种管理软件、办公自动化软件、工业控制软件、计算机辅助设计软件包、数字信号处理及科学计算程序包等。1.2.4 计算机语言一般的计算机目前还不能在人类的自然语言上直接操作用计算机解决实际问题必须对所要解决的问题周密考虑一个明确的处理方法(算法)再使用计算机能理解的计算机语言编制

31、成程序然后通过输入设备才能告诉计算机该怎么去做。 计算机语言通常分为三个层次：机器语言汇编语言和高级语言。 1 机器语言机器语言是用二进制代码表示的计算机能直接识别和执行的一种机器指令的集合。它是计算机的设计者通过计算机的硬件结构赋予计算机的操作功能。机器语言具有灵活、直接执行和速度快等特点。不同型号的计算机其机器语言是不相通的,按着一种计算机的机器指令编制的程序,不能在另一种计算机上执行。 用机器语言编写程序，编程人员要首先熟记所用计算机的全部指令代码和代码的涵义。手编程序时，程序员得自己处理每条指令和每一数据的存储分配和输入输出,还得记住编程过程中所使用的工作单元处在何种状态。这是一件十分

32、繁琐的工作，编写程序花费的时间往往是实际运行时间的几十倍或几百倍。而且,编出的程序全是些0和1的指令代码直观性差还容易出错。现在除了计算机生产厂家的专业人员外,绝大多数程序员已经不再去学习机器语言了。 2 汇编语言 为了克服机器语言难读、难写、难记和易出错的缺点，人们就用与代码指令实际含义相近的英文缩写词、字母和数字等符号来取代指令代码(如用ADD表示运算符号“”的机器代码)，于是就产生了汇编语言。所以说,汇编语言是一种用助记符表示的仍然面向机器的计算机语言。汇编语言亦称符号语言。 汇编语言由于是采用了助记符号来编写程序,比用机器语言的二进制代码编程要方便些，在一定程度上简化了编程过程。汇编语言的特点是用符号代替了机器指令代