1、 计算机是一种能快速而高效计算机是一种能快速而高效地自动完成信息处理的数字化地自动完成信息处理的数字化电子设备。电子设备。 随着信息时代的到来，计随着信息时代的到来，计算机已经成为人类活动中不可算机已经成为人类活动中不可缺少的工具。缺少的工具。本章主要内容 退出退出计算机科学的基本概念和基本知识计算机科学的基本概念和基本知识计算机的基本结构与工作原理计算机的基本结构与工作原理计算机系统计算机系统CPUCPU 存储器存储器 数据存储与数字逻辑基础数据存储与数字逻辑基础输入设备输入设备 输出设备输出设备 总线、主板与接口总线、主板与接口 软件系统软件系统 讨论题讨论题1.11.1计算机科学的基本概
2、念和基本知计算机科学的基本概念和基本知识识1.1.1 1.1.1 计算机的基本概念计算机的基本概念“计算机计算机”顾名思义是一种计算的机器，它是顾名思义是一种计算的机器，它是由一系列电子器件组成由一系列电子器件组成英语名称为英语名称为ComputerComputer。计算机可以对数字、文字、颜色、声音、图形、计算机可以对数字、文字、颜色、声音、图形、图像等各种形式的数据进行加工处理。图像等各种形式的数据进行加工处理。计算机具有各种计算的能力。当用计算机进行计算机具有各种计算的能力。当用计算机进行数据处理时，首先把要解决的实际问题，用计算机数据处理时，首先把要解决的实际问题，用计算机语言编写成计
3、算机程序，然后将待处理的数据和程语言编写成计算机程序，然后将待处理的数据和程序输入到计算机中，计算机按程序的要求，一步一序输入到计算机中，计算机按程序的要求，一步一步地进行各种运算，直到存入的整个程序执行完毕步地进行各种运算，直到存入的整个程序执行完毕为止。为止。计算机具有各种计算的能力。在数据处理过程中，计计算机具有各种计算的能力。在数据处理过程中，计算机不仅能进行加、减、乘、除等算术运算，而且还能进算机不仅能进行加、减、乘、除等算术运算，而且还能进行逻辑运算并对运算结果进行判断，从而决定以后执行什行逻辑运算并对运算结果进行判断，从而决定以后执行什么操作。么操作。计算机具有信息处理能力。在当
4、今的信息社会里，各计算机具有信息处理能力。在当今的信息社会里，各行各业，随时随处产生大量的信息，人们为了高效地获取、行各业，随时随处产生大量的信息，人们为了高效地获取、传送、检索信息及从信息中产生各种报表数据，必须将信传送、检索信息及从信息中产生各种报表数据，必须将信息在计算机的控制下进行有效的组织和管理息在计算机的控制下进行有效的组织和管理 。综上所述，可以给计算机下一个定义：综上所述，可以给计算机下一个定义：计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。智
5、能电子设备。1.1.2 1.1.2 计算机科学与技术专业知识体系和专业方计算机科学与技术专业知识体系和专业方向向作为计算机科学与技术专业的大学生作为计算机科学与技术专业的大学生, ,首先必须首先必须了解在大学了解在大学4 4年的学习中应具备什么样的知识结构和年的学习中应具备什么样的知识结构和综合能力，在大学生活开始时就知道构建一个什么样综合能力，在大学生活开始时就知道构建一个什么样的知识体系和如何构建这个知识体系。的知识体系和如何构建这个知识体系。1.1.素质培养和知识体系素质培养和知识体系 综合素质和能力对一个人的事业成功起到了重要的作用。综合素质和能力对一个人的事业成功起到了重要的作用。综
6、合素质应体现在以下几个方面：综合素质应体现在以下几个方面：（1 1）品德素质。热爱祖国；具有远大理想抱负；遵纪守）品德素质。热爱祖国；具有远大理想抱负；遵纪守法，严于律已，宽以待人，团结协作，勤奋向上。法，严于律已，宽以待人，团结协作，勤奋向上。（2 2）文化素质。从人类一切优秀文化中汲取营养，陶冶）文化素质。从人类一切优秀文化中汲取营养，陶冶情操，提高自身的文学素质、科学素质、美学素质。情操，提高自身的文学素质、科学素质、美学素质。（3 3）心理素质。树立科学的世界观和人生观，能适应顺）心理素质。树立科学的世界观和人生观，能适应顺境和逆境环境下的自我调整。境和逆境环境下的自我调整。（4 4）
7、专业素质。具备扎实的基础理论，掌握计算机学科）专业素质。具备扎实的基础理论，掌握计算机学科的基本概念和方法，具有较强的实践能力，了解计算机学科的基本概念和方法，具有较强的实践能力，了解计算机学科的发展方向和应用前景，具备较强的分析问题和解决问题的的发展方向和应用前景，具备较强的分析问题和解决问题的能力。能力。（5 5）身体素质。注重锻炼身体，具备良好的身体素质，）身体素质。注重锻炼身体，具备良好的身体素质，能应对日常工作及超强度工作的需要。能应对日常工作及超强度工作的需要。大学生应具备以下几方面的能力：大学生应具备以下几方面的能力：（1 1）自学能力。进入大学要逐步由以教师传授知）自学能力。进
8、入大学要逐步由以教师传授知识为主向自主获取知识为主过渡，掌握必要的文献检识为主向自主获取知识为主过渡，掌握必要的文献检索、资料查询的基本方法及能力，注重自学能力的提索、资料查询的基本方法及能力，注重自学能力的提高，为日后走向社会独立工作打下基础。高，为日后走向社会独立工作打下基础。（2 2）自控能力。自我控制约束能力是一个人基本）自控能力。自我控制约束能力是一个人基本素质的体现素质的体现 ，进入大学，个人自由空间变大了，自由，进入大学，个人自由空间变大了，自由时间变多了，更需要自我约束控制能力。时间变多了，更需要自我约束控制能力。（3 3）表达沟通能力。包括书面文字表达能力和口）表达沟通能力。
9、包括书面文字表达能力和口头与人沟通的能力。特别要强调的是，从事计算机领头与人沟通的能力。特别要强调的是，从事计算机领域的工作英语表达能力尤为重要，要注重英语的听、域的工作英语表达能力尤为重要，要注重英语的听、说、读、写、译能力的提高，这对于及时了解计算机说、读、写、译能力的提高，这对于及时了解计算机学科的最新成果，正确把握学科的发展趋势都是至关学科的最新成果，正确把握学科的发展趋势都是至关重要的。重要的。大学生应具备以下几方面的能力：大学生应具备以下几方面的能力：（4 4）创新能力。现在社会是一个竞争的社会，要）创新能力。现在社会是一个竞争的社会，要想在竞争中处于有利地位，创新是基础。理论创新
10、、想在竞争中处于有利地位，创新是基础。理论创新、技术创新、制度创新、管理创新、教育创新，无论日技术创新、制度创新、管理创新、教育创新，无论日后从事什么工作都需要创新，没有创新思维和创新能后从事什么工作都需要创新，没有创新思维和创新能力就不具备竞争力。力就不具备竞争力。（5 5）组织能力。大学毕业走向社会，总是要工作）组织能力。大学毕业走向社会，总是要工作在一个团队中，总要涉及到合作问题，组织协调能力在一个团队中，总要涉及到合作问题，组织协调能力对于充分调动成员的积极性，高质量完成合作性工作对于充分调动成员的积极性，高质量完成合作性工作是非常必要的。是非常必要的。 根据素质和能力培养的要求，计算
11、机科学与技术专业的知识根据素质和能力培养的要求，计算机科学与技术专业的知识体系主要包括公共基础知识、学科基础知识和专业知识三大模体系主要包括公共基础知识、学科基础知识和专业知识三大模块。块。 （1 1）公共基础知识模块：主要开设树立科学的世界观、培养）公共基础知识模块：主要开设树立科学的世界观、培养高尚情操和良好的心理素质、增强法制观念等方面的课程，还高尚情操和良好的心理素质、增强法制观念等方面的课程，还有有“大学英语大学英语”、“大学体育大学体育”和和“大学语文大学语文”等。等。 （2 2）学科基础知识模块：主要开设数学和电子学方面的课）学科基础知识模块：主要开设数学和电子学方面的课程。如程
12、。如“高等数学高等数学”、“线性代数线性代数”、“概率论与数理统计概率论与数理统计”、“离散数学离散数学”、“电路基础电路基础”、“模拟电路模拟电路”、“数字电路数字电路”等。等。 （3 3）专业知识模块：主要分为专业基础和专业方向两部分。）专业知识模块：主要分为专业基础和专业方向两部分。专业基础课程主要包括专业基础课程主要包括“计算机科学与技术导论计算机科学与技术导论”、“面向对面向对象程序设计象程序设计”、“计算机组成原理计算机组成原理”、“数据结构数据结构”、“操作操作系统系统”、“数据库原理数据库原理”、“软件工程软件工程”、“编译原理编译原理”、“计算机网络计算机网络”等。专业方向课
13、程根据不同方向开设相关的专等。专业方向课程根据不同方向开设相关的专业课程。业课程。2. 2. 专业方向专业方向 计算机科学与技术学科经过了半个多世纪的迅猛发展，已经成计算机科学与技术学科经过了半个多世纪的迅猛发展，已经成为一个相对比较完备的学科体系，衍生了许多相对独立的方向为一个相对比较完备的学科体系，衍生了许多相对独立的方向和分支。和分支。近十年来，计算机学科发生了巨大变化，从历史上看，在计算近十年来，计算机学科发生了巨大变化，从历史上看，在计算机学科发展的早期，数学、逻辑、电子学、程序语言和程序设机学科发展的早期，数学、逻辑、电子学、程序语言和程序设计是支撑学科发展的主要基础知识。到了计是
14、支撑学科发展的主要基础知识。到了2020世纪世纪60607070年代，年代，数据结构、计算机原理、编译技术、操作系统、程序设计与程数据结构、计算机原理、编译技术、操作系统、程序设计与程序语言、数据库系统原理等成为学科的主要基础知识。从序语言、数据库系统原理等成为学科的主要基础知识。从2020世世纪纪8080年代开始，并行与分布计算、网络技术、软件工程等开始年代开始，并行与分布计算、网络技术、软件工程等开始成为新的学科内容，计算机学科原有的专业设置框架被突破，成为新的学科内容，计算机学科原有的专业设置框架被突破，逐渐形成了在逐渐形成了在“计算机科学与技术计算机科学与技术”一个专业之下分为计算机一
15、个专业之下分为计算机科学、计算机工程、软件工程、信息技术等多个专业方向的新科学、计算机工程、软件工程、信息技术等多个专业方向的新格局。格局。1 1计算机科学（计算机科学（CSCS）计算机科学的学科范围跨度很大，包括从理论基础、算计算机科学的学科范围跨度很大，包括从理论基础、算法基础到最前沿的学科发展，比如机器人学、计算机视觉、法基础到最前沿的学科发展，比如机器人学、计算机视觉、智能系统、仿生信息学等许多令人兴奋的学科。计算机科学智能系统、仿生信息学等许多令人兴奋的学科。计算机科学家的工作包括三个方面：家的工作包括三个方面：（1 1）设计和实现软件。）设计和实现软件。（2 2）发明应用计算机的新
16、方法。）发明应用计算机的新方法。（3 3）发明高效的方法解决计算问题。）发明高效的方法解决计算问题。2 2计算机工程（计算机工程（CECE）计算机工程是一门关于设计和构造计算机以及基于计算计算机工程是一门关于设计和构造计算机以及基于计算机系统的学科。它所涉及的研究包括软件、硬件、通信以及机系统的学科。它所涉及的研究包括软件、硬件、通信以及它们之间的相互作用等方面。它们之间的相互作用等方面。3 3软件工程（软件工程（SESE）软件工程是一门交叉性的工程学科，它是将计算机科学、软件工程是一门交叉性的工程学科，它是将计算机科学、数学、工程学和管理学等基本原理应用于软件的开发和维护数学、工程学和管理学
17、等基本原理应用于软件的开发和维护中，其重点在于大型软件的分析与评价、规格说明、设计和中，其重点在于大型软件的分析与评价、规格说明、设计和演化，同时涉及管理、质量、创新、标准、个人技能、团队演化，同时涉及管理、质量、创新、标准、个人技能、团队协作和专业实践等。协作和专业实践等。4 4信息技术（信息技术（ITIT）信息技术专业，主要培养能满足多种组织对计算机技术信息技术专业，主要培养能满足多种组织对计算机技术需求的人才。信息技术专业更多地关注于需求的人才。信息技术专业更多地关注于“技术技术”本身，信本身，信息技术是一门新的且快速发展的学科，并作为一门基础学科息技术是一门新的且快速发展的学科，并作为
18、一门基础学科响应着公司或组织的多种日常实践需求。响应着公司或组织的多种日常实践需求。甘肃民族师范学院计算机科学系现设专业情况：甘肃民族师范学院计算机科学系现设专业情况：现设有计算机科学与技术专业，分为普通类和藏汉现设有计算机科学与技术专业，分为普通类和藏汉双语类。双语类。普通类分为技术科学与技术（网络方向、数字媒体普通类分为技术科学与技术（网络方向、数字媒体方向）方向）1.2.1 电子计算机的发展(1) 算筹中国古代的计算工具。 算盘产生于约公元600年左右。 计算器（1642年）产生。 1832年由英国数学家巴贝奇（Charles Babbage，1792 - 1871）首先提出了通用数字计
19、算机的设计思想，并且设计出了第一台由外部指令驱动的计算机。 1854年，英国数学家布尔（George Boole，1824 - 1898）提出了符号逻辑的思想，数十年后形成了计算机科学软件的理论基础。 1.21.2计算机的基本结构与工作原理计算机的基本结构与工作原理 1.2.1 电子计算机的发展(2) 1936年英国数学家图灵（Alan Turing，1912 - 1954）提出了著名的“图灵机”模型，探讨了现代计算机的基本概念，理论上证明了研制通用数字计算机的可行性。 1945年，匈牙利出生的美籍数学家冯诺依曼（John von Neumann，1903 1958）提出了在数字计算机内部的存
20、储器中存放程序的概念。这是所有现代计算机的范式，被称为“冯诺依曼结构”，按这一结构建造的计算机称为存储程序计算机，又称为通用计算机。长达101页的EDVAC（Electronic Discrete Variable Computer，“离散变量自动电子计算机”的简称）方案是计算机发展史上的一个划时代的文献. 1.2.1 电子计算机的发展(3) 1946年，由宾夕法尼亚大学的工程师们开发出了世界上第一台多用途的计算机ENIAC，这是一台真正现代意义上的计算机。 ENIAC：“电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Calculator）” 器件
21、：18000只电子管（主要元件）10000只电容7000只电阻占地170平方米重量30吨功耗150千瓦第一台电子计算机平面图(1)第一台电子计算机平面图(2)埃克特为ENIAC换电子管电子计算机发展阶段电子计算机发展阶段 第一阶段：电子管计算机(1946-1957) 第二阶段：晶体管计算机(1958-1964) 第三阶段：集成电路时代(1965-1970) 第四阶段：大规模、超大规模集成电路时代 (1971年以后) 四个阶段的比较电子管计算机(1946-1957) 主要特点：逻辑元件采用逻辑元件采用电子管电子管主存储器采用主存储器采用磁鼓磁鼓或或延迟线延迟线外存储器使用外存储器使用纸带纸带、卡
22、片卡片、磁带磁带等等运算速度为每秒几千次或几万次运算速度为每秒几千次或几万次软件使用软件使用机器语言机器语言或或汇编语言汇编语言主要用于主要用于科学计算科学计算晶体管计算机(1958-1964) 主要特点：逻辑元件采用逻辑元件采用晶体管晶体管主存储器采用磁性材料制成的主存储器采用磁性材料制成的磁芯存储器磁芯存储器外存储器使用外存储器使用磁带磁带、磁盘磁盘计算速度为每秒几十万次计算速度为每秒几十万次软件使用软件使用操作系统操作系统，并出现，并出现FORTRANFORTRAN、COBOLCOBOL等面向过等面向过程的程的高级语言高级语言集成电路时代(1965-1970) 主要特点：逻辑元件采用逻辑
23、元件采用中、小规模集成电路中、小规模集成电路主存储器采用主存储器采用半导体存储器半导体存储器运算速度运算速度几十万次到几百万次几十万次到几百万次软件方面操作更加完善，高级语言进一步发展。软件方面操作更加完善，高级语言进一步发展。 会话型高级语言（如会话型高级语言（如BASICBASIC）得到广泛应用）得到广泛应用大规模、超大规模集成电路时代 主要特点：逻辑元件采用逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路大规模和超大规模集成电路主存储器采用集成度更高的主存储器采用集成度更高的半导体存储器半导体存储器外存储器使用外存储器使用软、硬磁盘和光盘软、硬磁盘和光盘运算速度每秒运算速度每秒几百万次至上亿次几百万
24、次至上亿次软件方面发展了软件方面发展了数据库系统数据库系统、分布式操作系统分布式操作系统，高级，高级语言发展为数百种语言发展为数百种外部设备丰富多彩，输入输出设备品种多、质量高外部设备丰富多彩，输入输出设备品种多、质量高网络通信技术、多媒体技术及信息高速公路网络通信技术、多媒体技术及信息高速公路使世界范使世界范围内的信息传递更加方便围内的信息传递更加方便表1-1 计算机发展的四个阶段代次代次起止年份起止年份所用电子元件所用电子元件数据处理方式数据处理方式运算速度运算速度应用领域应用领域第一代第一代1946195719461957电子管电子管汇编语言、代汇编语言、代码程序码程序5 5千千33万次
25、万次/ /秒秒国防及高科国防及高科技技第二代第二代1958196419581964晶体管晶体管高级程序设计高级程序设计语言语言数十万数十万 几几百万次百万次/ /秒秒工程设计、工程设计、数据处理数据处理第三代第三代1965197019651970中、小规模集中、小规模集成电路成电路结构化、模块结构化、模块化程序设计、化程序设计、实时处理实时处理数百万数百万 几几千万次千万次/ /秒秒工业控制、工业控制、数据处理数据处理第四代第四代19701970今今大规模、超大大规模、超大规模集成电路规模集成电路分时、实时数分时、实时数据处理、计算据处理、计算机网络机网络上 亿 条 指上 亿 条 指令令/ /
26、秒秒工业、生活工业、生活等各方面等各方面 2.2.冯冯诺依曼设计思想和摩尔定律诺依曼设计思想和摩尔定律 冯冯诺依曼提出诺依曼提出“存储程序存储程序”的思想；的思想；确立现代计算机体系结构；确立现代计算机体系结构；五十多年来，虽然计算机技术突飞猛五十多年来，虽然计算机技术突飞猛进，但计算机系统基本结构没有变。进，但计算机系统基本结构没有变。 英国科学家艾兰英国科学家艾兰. .图灵图灵 19361936发表论文发表论文“论可计算数及其在判论可计算数及其在判定问题中的应用定问题中的应用”，为计算机的理论和，为计算机的理论和模型奠定了基础；模型奠定了基础； 提出图灵测试，阐述了机器智能的概提出图灵测试
27、，阐述了机器智能的概念念 。美籍匈牙利数学家冯美籍匈牙利数学家冯. .诺依曼诺依曼 冯冯诺依曼的三个重要设计思想诺依曼的三个重要设计思想五大基本部件五大基本部件; ; 采用二进制数表示指令和数据采用二进制数表示指令和数据; ; 将程序和数据存放在计算机的内存中，并让计算机自将程序和数据存放在计算机的内存中，并让计算机自动执行动执行 集成电路中的晶体管数平均每集成电路中的晶体管数平均每1818个月翻一番，芯片个月翻一番，芯片的性能的性能 也随之提高一倍也随之提高一倍 20032003年年2 2月摩尔发表讲话说，月摩尔发表讲话说，摩尔定律至少在未来摩尔定律至少在未来1010年中还能继续发挥作用年中
28、还能继续发挥作用摩尔定律摩尔定律 3. 3. 微型机的发展微型机的发展 微型机已从微型机已从4 4位机、位机、8 8位机、位机、1616位机、位机、3232位机发展到位机发展到6464位机。位机。 微型机微型机的核心是微处理器的核心是微处理器 微型机已经深入到社会生活的各个领域，并进入千家万户，真正成微型机已经深入到社会生活的各个领域，并进入千家万户，真正成为大众化的信息处理工具为大众化的信息处理工具 4. 4. 计算机的发展趋向计算机的发展趋向 三合一：三合一：三网合一（电信网、计算机网、广播电视网）三网合一（电信网、计算机网、广播电视网） 三线合一（数据线、声频线、视频线）三线合一（数据线
29、、声频线、视频线） 三机合一（电脑、电视、电话）三机合一（电脑、电视、电话）计算机的发展趋向微型化微型化巨型化巨型化网络化网络化智能化智能化多媒体化多媒体化 9696年前后微软董事会主席比尔年前后微软董事会主席比尔. .盖茨提出盖茨提出 未来计算机能与人对话，进未来计算机能与人对话，进入无线网络。具有看、听和说入无线网络。具有看、听和说的能力。无论是在家里还是办的能力。无论是在家里还是办公室，人们都能够通过对话操公室，人们都能够通过对话操纵计算机纵计算机 20012001年年1010月亚太会议上，盖茨提出月亚太会议上，盖茨提出 未来十年，人类将迎来一未来十年，人类将迎来一个既个性化又全球化的数
30、字时个既个性化又全球化的数字时代。未来的电脑，会像一张纸代。未来的电脑，会像一张纸那么大，它可以识别每一个人那么大，它可以识别每一个人的声音，无论在何时、何地，的声音，无论在何时、何地，人们都可以自由地与世界交流，人们都可以自由地与世界交流，再没有在线与否的限制。再没有在线与否的限制。 在第在第1313届届WindowsWindows硬体设计会议（硬体设计会议（20042004年年5 5月月4 4日至日至7 7日，华盛顿州的西雅图举行）上，日，华盛顿州的西雅图举行）上， 盖茨盖茨又指出又指出 1. 1. 桌面电脑从桌面电脑从3232位过渡到位过渡到6464位运算已经近在咫尺。位运算已经近在咫尺
31、。微软将在第四季度推出微软将在第四季度推出Windows XPWindows XP及及Windows Server Windows Server 20032003的的6464位元版本。位元版本。 预计到预计到20052005年年底，几乎全部芯片将支持年年底，几乎全部芯片将支持6464位运算。位运算。 2. 2. 强调了强调了“无缝运算（无缝运算（Seamless ComputingSeamless Computing）”的重要性，并表示不管在家或办公，重要的是无论在哪的重要性，并表示不管在家或办公，重要的是无论在哪种环境都可随时使用电脑。在这方面，种环境都可随时使用电脑。在这方面，“家庭概念电
32、脑家庭概念电脑（Windows Home ConceptWindows Home Concept）”可算是无缝计算的典型一可算是无缝计算的典型一例。例。1.1.2.12.1计算机的发展计算机的发展自自19461946年美国宾西法尼亚大学研制出世界上第一台年美国宾西法尼亚大学研制出世界上第一台电子数字计算机电子数字计算机ENIACENIAC（电子数字积分计算机的英文缩写）电子数字积分计算机的英文缩写）至今虽然只有至今虽然只有6060多年的时间，但计算机系统和计算机应用多年的时间，但计算机系统和计算机应用得到了飞速发展。元件制作工艺水平的不断提高是计算机得到了飞速发展。元件制作工艺水平的不断提高是
33、计算机发展的物质基础，因此以计算机元器件的变革作为标志，发展的物质基础，因此以计算机元器件的变革作为标志，计算机的发展已经历了四代，并正在研制第五代计算机的发展已经历了四代，并正在研制第五代。 1 1第一代计算机第一代计算机电子管计算机（电子管计算机（1946194619571957年）年） 其主要特征是采用电子管作为主要元器件。其主要特征是采用电子管作为主要元器件。ENIACENIAC。2 2第二代计算机第二代计算机晶体管计算机（晶体管计算机（1958195819641964年）年） 其主要特征是由电子管改为晶体管。其主要特征是由电子管改为晶体管。 1.21.2计算机的基本结构与工作原理计算
34、机的基本结构与工作原理3 3第三代计算机第三代计算机集成电路计算机（集成电路计算机（1965196519711971年）年） 其主要特征是用半导体中小规模集成电路代替分立其主要特征是用半导体中小规模集成电路代替分立元件的晶体管。元件的晶体管。 4 4第四代计算机第四代计算机大规模与超大规模集成电路计算机大规模与超大规模集成电路计算机（19721972年至今）年至今） 其主要特征是以大规模和超大规模集成电路为计算其主要特征是以大规模和超大规模集成电路为计算机的主要功能部件。机的主要功能部件。 5 5新一代计算机新一代计算机智能计算机智能计算机 新一代计算机正在研制之中，主要特征是人工智能，新一代
35、计算机正在研制之中，主要特征是人工智能，它将具有自然语言理解能力、模式识别能力和推理判断它将具有自然语言理解能力、模式识别能力和推理判断能力等，突破冯能力等，突破冯. . 诺依曼体系结构的限制，提出非冯诺依曼体系结构的限制，提出非冯. .诺依曼的体系结构，如神经网络计算机。诺依曼的体系结构，如神经网络计算机。 6 6微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况 微型计算机（简称微机）诞生于微型计算机（简称微机）诞生于19711971年，它的诞生和迅速普年，它的诞生和迅速普及是计算机发展史中最重大的事件。微型计算机具有体积小、重及是计算机发展史中最重大的事件。微型计算机具有体积小、重量轻、功耗小、可
36、靠性高、使用环境要求不严格、价格低廉、易量轻、功耗小、可靠性高、使用环境要求不严格、价格低廉、易于成批生产等特点。于成批生产等特点。 世界上第一台微机是由美国世界上第一台微机是由美国IntelIntel公司年轻的工程师马西安公司年轻的工程师马西安. .霍夫（霍夫（M.E.HoffM.E.Hoff）于于19711971年研制成功的。年研制成功的。他大胆地提出了一个设想，把计算机的全部电路做在四个芯他大胆地提出了一个设想，把计算机的全部电路做在四个芯片上，即一片片上，即一片4 4位微处理器位微处理器Intel4004Intel4004、一片一片320320位的随机存取存位的随机存取存储器、一片储器
37、、一片256256字节的只读存储器和一片字节的只读存储器和一片1010位的寄存器，它们通位的寄存器，它们通过总线连接起来就组成了世界第一台过总线连接起来就组成了世界第一台4 4位微型计算机位微型计算机MCS-4MCS-4。微型计算机的核心部件是微处理器（微型计算机的核心部件是微处理器（MPUMPU），），根据微处理器根据微处理器集成规模和功能，形成了微型计算机的不同发展阶段。集成规模和功能，形成了微型计算机的不同发展阶段。 （1 1）第一代微型计算机）第一代微型计算机 19721972年年IntelIntel公司研制成功公司研制成功8 8位微处理器位微处理器Intel8008Intel8008
38、，它主要采用工艺简单、速度较低的它主要采用工艺简单、速度较低的P P沟道沟道MOSMOS电路。由它装备起来的计算机电路。由它装备起来的计算机MCS-8MCS-8称为第一代微称为第一代微型计算机。型计算机。 （2 2）第二代微型计算机）第二代微型计算机 第二代微处理器是在第二代微处理器是在19731973年研制成功的，主要采年研制成功的，主要采用速度较快的用速度较快的N N沟道沟道MOSMOS技术的技术的8 8位微处理器。代表性位微处理器。代表性的产品有的产品有IntelIntel公司的公司的Intel8085Intel8085、MotorolaMotorola公司的公司的M6800M6800、
39、ZilogZilog公司的公司的Z80Z80等。等。（3 3）第三代微型计算机）第三代微型计算机 第三代微处理器是在第三代微处理器是在19781978年研制成功的，主要采年研制成功的，主要采用用H-MOSH-MOS新工艺的新工艺的1616位微处理器。其典型产品是位微处理器。其典型产品是IntelIntel公司的公司的Intel8086Intel8086。（4 4）第四代微型计算机）第四代微型计算机 从从19851985年起采用超大规模集成电路的年起采用超大规模集成电路的3232位微处理位微处理器，标志着第四代微处理器的诞生。典型产品有器，标志着第四代微处理器的诞生。典型产品有IntelInte
40、l公司的公司的Intel80386Intel80386。由第四代微处理器装备起来的计。由第四代微处理器装备起来的计算机称为第四代微型计算机。算机称为第四代微型计算机。 1.1.2 2.2 .2 计算机的工作原理计算机的工作原理计算机是一种能存储程序和数据，并能自动对各种计算机是一种能存储程序和数据，并能自动对各种数字化信息进行处理的机器。数字化信息进行处理的机器。 计算机之所以能自动进行信息处理，是因为它能将计算机之所以能自动进行信息处理，是因为它能将程序及数据存储在内存中，并能自动执行程序，我们称程序及数据存储在内存中，并能自动执行程序，我们称之为存储程序原理。要使计算机能自动工作，必须根据
41、之为存储程序原理。要使计算机能自动工作，必须根据要解决的问题编好程序，并将程序转换成由机器语言指要解决的问题编好程序，并将程序转换成由机器语言指令组成的形式存入内存中，然后以存储程序的首地址启令组成的形式存入内存中，然后以存储程序的首地址启动机器执行第一条指令。以后，计算机便开始自动地取动机器执行第一条指令。以后，计算机便开始自动地取指令，分析指令，执行指令所规定的操作，周而复始，指令，分析指令，执行指令所规定的操作，周而复始，直到将该程序执行完毕。直到将该程序执行完毕。 以计算以计算3 35 58 8为例具体说明计算机工作原理和过程。为例具体说明计算机工作原理和过程。要想让计算机计算要想让计
42、算机计算3 35 5，首先编写好计算程序，假设用，首先编写好计算程序，假设用80868086指令系统编写此程序，程序如下：指令系统编写此程序，程序如下： MOV AL, XMOV AL, X ADD AL, Y ADD AL, Y MOV SUM,AL MOV SUM,AL HLT HLT 说明：说明：X X，Y Y，SUMSUM是变量，其存储情况如下：是变量，其存储情况如下： 系统把这系统把这4 4条指令组成的程序段存放到存储器中。当条指令组成的程序段存放到存储器中。当把首地址置入程序计数器把首地址置入程序计数器IPIP中中，便可启动计算机执行该程便可启动计算机执行该程序，其工作过程如下：序
43、，其工作过程如下： 1 1取第一条指令并执行取第一条指令并执行（1 1）取指令并分析指令）取指令并分析指令 在取指令机器周期内，取出第一条指令在取指令机器周期内，取出第一条指令“MOV MOV ALAL，X”X”的机器码送入指令寄存器的机器码送入指令寄存器IRIR中，该指令的中，该指令的操作码部分经指令译码器分析产生传送操作的信操作码部分经指令译码器分析产生传送操作的信号，号，“告诉告诉”微操作控制部件本指令将要执行传微操作控制部件本指令将要执行传送操作。与此同时，指令寄存器中的寻址方式和送操作。与此同时，指令寄存器中的寻址方式和形式地址部分经地址形成器，计算出源操作数的形式地址部分经地址形成
44、器，计算出源操作数的物理地址（物理地址（1 1FD40HFD40H），），目标操作数是内部寄存器目标操作数是内部寄存器ALAL。在取指令机器周期内还更新在取指令机器周期内还更新IPIP的内容，为执的内容，为执行下一条指令作好准备行下一条指令作好准备。 （2 2）执行指令执行指令 微操作控制部件接收到来自指令译码器的译码信号微操作控制部件接收到来自指令译码器的译码信号“取取数和传递数和传递”，则转入执行，则转入执行“存储器读机器周期存储器读机器周期”。在该周期。在该周期内将完成从地址为内将完成从地址为1 1FD40HFD40H的单元中取出的单元中取出X X的值是的值是3 3，并送入寄，并送入寄存
45、器存器ALAL中，第一条指令执行完毕，转入执行第二条指令。中，第一条指令执行完毕，转入执行第二条指令。2 2取第二条指令并执行取第二条指令并执行（1 1）取指令并分析指令）取指令并分析指令从存储单元中取出第二条指令从存储单元中取出第二条指令“ADD ALADD AL，Y”Y”的机器码并送的机器码并送入入IRIR中，中，IRIR中的操作码部分经指令译码器中的操作码部分经指令译码器）译码产生译码产生“ADD”ADD”的信号有效，同时从寻址方式和形式地址指明的目标操作数的信号有效，同时从寻址方式和形式地址指明的目标操作数是寄存器是寄存器ALAL，源操作数是存储器，由地址形成器计算出操作源操作数是存储
46、器，由地址形成器计算出操作数的存储单元地址为数的存储单元地址为1 1FD41HFD41H。此外为取下一条指令准备此外为取下一条指令准备IPIP地地址。址。 （2 2）执行指令执行指令 微操作控制部件接收到来自微操作控制部件接收到来自IDID的译码信号的译码信号“相加寄相加寄存器操作数和存储器操作数存器操作数和存储器操作数”，在此机器周期内要完成，在此机器周期内要完成存储器读操作和加法操作。先从存储器读操作和加法操作。先从1 1FD41HFD41H存储单元中取出存储单元中取出Y Y的值的值5 5送到运算器输入端，运算器执行加法运算送到运算器输入端，运算器执行加法运算3+53+5，得出和得出和8
47、8送入送入ALAL中。第二条指令执行完毕，故转入执行中。第二条指令执行完毕，故转入执行第三条指令。第三条指令。第三条指令与第一条指令相似，完成的都是数据传送，第三条指令与第一条指令相似，完成的都是数据传送，但传送的方向不同，完成的是存储器写操作，即将但传送的方向不同，完成的是存储器写操作，即将ALAL的的内容传送（写）到内容传送（写）到SUMSUM的存储单元之中（的存储单元之中（1 1FD42HFD42H号单号单元）。元）。第四条指令是停机指令，可在取指令机器周期内完成。第四条指令是停机指令，可在取指令机器周期内完成。 综上所述，我们对计算机的自动工作原理作综上所述，我们对计算机的自动工作原理
48、作如下概括：从计算机程序员的角度看，计算机自如下概括：从计算机程序员的角度看，计算机自动工作过程是执行预先编写好的程序的过程，而动工作过程是执行预先编写好的程序的过程，而执行程序的过程就是周而复始地完成取指令、分执行程序的过程就是周而复始地完成取指令、分析指令和执行指令的过程。析指令和执行指令的过程。 1.1.1.1.4 4 计算机的分类计算机的分类 计算机科学技术的发展日新月异，它已成为一个庞大的计算机科学技术的发展日新月异，它已成为一个庞大的家族。计算机的种类很多，从不同角度对计算机有不同的分家族。计算机的种类很多，从不同角度对计算机有不同的分类方法。类方法。 1 1按计算机处理数据的方式
49、分类按计算机处理数据的方式分类可以分为数字计算机可以分为数字计算机、模拟计算机和数字模拟混合计算模拟计算机和数字模拟混合计算机三类。机三类。2 2按计算机的用途分类按计算机的用途分类可分为通用计算机和专用计算机两类。可分为通用计算机和专用计算机两类。3 3按计算机的规模和处理能力分类按计算机的规模和处理能力分类 可分为巨型计算机可分为巨型计算机、大大/ /中型计算机中型计算机、小型计算机小型计算机、微微型计算机型计算机、工作站工作站、服务器以及网络计算机等种类。服务器以及网络计算机等种类。 1.1.1.1.5 5 计算机的特点计算机的特点 计算机作为一种通用的信息处理工具，它具有极高的处计算机
50、作为一种通用的信息处理工具，它具有极高的处理速度，很强的存储能力，精确的计算能力和逻辑判断能力。理速度，很强的存储能力，精确的计算能力和逻辑判断能力。虽然各类计算机在性能上、用途上、规模结构上有所不同，虽然各类计算机在性能上、用途上、规模结构上有所不同，但它们都具备以下一些特点。但它们都具备以下一些特点。1 1运算速度快运算速度快 由于计算机是采用高速电子器件组成，因此能以极高的由于计算机是采用高速电子器件组成，因此能以极高的速度工作。目前的巨型机运算速度已达到每秒几百亿次运算，速度工作。目前的巨型机运算速度已达到每秒几百亿次运算，微机也可达到每秒亿次以上微机也可达到每秒亿次以上 。2 2计算
