高一信息技术上册：第三节 初步认识计算机系统教案

第三节初步认识计算机系统
一、概述
（一）计算机的发展历程
1946年2月，世界上第1台电子计算机“埃尼阿克”（Electronic Numerical Integrator And Calculator，ENIAC）在美国宾西法尼亚大学研制成功，如图1.1所示。

这台计算机使用了18 800多个电子管，占地约160平方米，重约30吨。

从1946年2月开始投入使用，到1955年10月最后切断电源，服役了9年多。

虽然它每秒只
能进行5000次加法运算，但ENIAC的研制成功为以
后的计算机技术的发展奠定了基础，每克服它一个缺
点，对计算机的发展都带来很大的影响。

目前，计算机的发展已逾半个多世纪，构成计算
机的电子器件发生了几次重大的技术革命，使得计算
机的性能得到迅猛发展。

一般根据电子计算机采用的
图1.1 第1台电子计算机
电子器件的发展，将电子计算机的发展分成如下几个
阶段。

1．第1代电子计算机（电子管时代，1946—1958年）
第1代计算机主要采用电子管元器件，所以也称为电子管时代计算机。

其主要特点是：
①逻辑元件。

采用电子管，体积大、耗电多、速度低、成本高。

②存储部件。

采用汞延迟线、磁芯、磁鼓作为存储设备。

③编程语言。

机器语言。

④系统软件。

无系统软件。

⑤运算速度。

103～105指令每秒。

⑥应用范围。

主要用于科学计算。

2．第2代电子计算机（晶体管时代，1958—1964年）
第2代计算机采用晶体管代替了电子管作为主要电子元件，所以也称为晶体管时代计算机。

其主要特点是：
①逻辑元件。

采用晶体管，相对于电子管时代体积小、耗电低、速度快、性能稳定。

②存储部件。

内存储器主要采用磁芯，外存储器主要采用磁鼓和磁带。

③编程语言。

汇编语言和高级语言。

④系统软件。

产生了操作系统软件。

⑤运算速度。

每秒达十万次。

⑥应用范围。

从科学计算逐步扩展到数据处理、自动控制等。

3．第3代电子计算机（集成电路时代，1964—1970年）
第3代计算机采用集成电路代替了晶体管元器件。

其主要特点是：
①逻辑元件。

采用中、小规模集成电路，体积更小、价格更低、速度更快，可靠性更高。

②存储部件。

采用的是半导体存储器，存储容量和存取速度大幅度提高。

③编程语言。

汇编语言和高级语言。

④系统软件。

功能更强的操作系统。

⑤运算速度。

达百万次每秒。

⑥应用范围。

逐步拓展到文字处理、企事业管理等。

4．第4代电子计算机（1971年以后）
第4代计算机主要采用了大规模、超大规模集成电路作为主要电子元器件。

其主要特点是：
①逻辑元件。

采用大规模、超大规模集成电路，性能价格比更高。

②存储部件。

半导体存储器集成度越来越高，外存储器还采用光盘、移动存储等。

③编程语言。

各种高级语言。

④系统软件。

数据库技术、网络通信技术、多媒体技术等各类系统软件。

⑤运算速度。

达十亿次每秒以上。

⑥应用范围。

已经渗透到社会生活的各个领域。

（二）当代计算机的发展方向
进入21世纪以来，计算机技术的发展非常迅速，产品不断升级换代，融入了各项新技术，使得计算机功能越来越强。

计算机在各个领域的广泛应用，也积极地推动了社会的发展和科学技术的进步，促进了计算机技术的更新和发展。

因而就产生了新一代计算机，可称为第5代计算机，主要用于支持知识库的智能计算机、神经网络计算机和生物计算机等。

新一代计算机主要是将信息采集、存储、加工、通信和人工智能结合在一起的智能计算机，将突破传统计算机的结构模式，注重智能化的功能，即对数据进行处理的同时还具备模拟的功能。

因此，未来计算机的发展趋势是微型化、巨型化、网络化、智能化。

①微型化。

随着计算机技术的不断发展，计算机的体积越来越小，功能越来越强，如
笔记本计算机、掌上计算机等便携式计算机。

②巨型化。

巨型化是指最大、最快、最贵的计算机。

例如，目前世界上运行速度达到1704亿次每秒浮点运算的超级计算机。

生产巨型计算机的公司有美国的Cray公司和TMC 公司、日本的富士通公司和日立公司等。

我国研制的银河计算机也属于巨型计算机，银河1号为亿次计算机，银河2号为十亿次计算机。

③智能化。

计算机依据不确定的输入作出决定，它模仿人脑的工作方式，具有直观判断和处理不完整的模糊信息的能力，甚至有接近人的审美和情感能力。

也就是说，计算机工作时只需要告诉它“做什么”，而不必“手把手”教它“怎么做”。

目前科学家们正在采取“人工智能”和“神经网络”方法开发智能计算机。

④网络化。

随着计算机技术与通信技术的飞速发展，全球网络化时代已经到来，可以说有了计算机就拥有了网络资源。

（三）未来计算机
（1）神经网络计算机
具有模仿人的大脑判断能力和适应能力、可并行处理多种数据功能的神经网络计算机可以判断对象的性质与状态，并能采取相应的行动，还可同时并行处理实时变化的大量数据，并引出结论。

以往的信息处理系统只能处理条理清晰、经络分明的数据，而人的大脑具有能处理支离破碎、含糊不清信息的灵活性，因而神经网络计算机将在较大程度上类似人脑的智慧和灵活性。

人脑有140亿神经元及10亿多神经键，人脑总体运行速度相当于1000万亿次每秒的计算机功能。

用许多微处理机模仿人脑的神经元结构，采用大量的并行分布式网络就构成了神经网络计算机。

神经网络计算机除有许多处理器外，还有类似神经的节点，每个节点与许多点相连。

若把每一步运算分配给每台微处理器，它们同时运算，其信息处理速度和智能会大大提高。

神经网络计算机的信息不是存在存储器中，而是存储在神经元之间的联络网中。

若有节点断裂，计算机仍有重建资料的能力，它还具有联想记忆、视觉和声音识别能力。

神经网络计算机将会广泛应用于各领域，它能识别文字、符号、图形、语言以及声纳和雷达收到的信号；判读支票，对市场进行估计；分析新产品；进行医学诊断；控制智能机器人，实现汽车和飞行器的自动驾驶；发现、识别军事目标，进行智能决策和智能指挥等。

日本科学家开发的神经网络计算机用的大规模集成电路芯片，在1.5平方厘米的硅片上可设置400个神经元和4万个神经键，这种芯片能实现2亿次每秒的运算速度。

美国研究出由左脑和右脑两个神经块连接而成的神经网络计算机。

右脑为经验功能部分，有1万多个神经元，适于图像识别；左脑为识别功能部分，含有100万个神经元，用于存储单词和语法规则。

（2）生物计算机
生物计算机是利用生物工程技术产生的蛋白分子为主要材料的芯片。

它是利用DNA（脱氧核糖核酸）计算技术替代传统电子技术的新型、未来的计算机。

生物计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。

计算机的
转换开关由酶来充当，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。

遗传化学物质DNA具有超强的信息储存能力，人体内的每一个小细胞核中都包含着构成整个人体的编码指令。

计算机科学家现在正设法仿效自然、利用DNA建立一种完整的信息技术形式。

（3）光子计算机
光子计算机是利用光子代替现代半导体芯片中的电子。

现有的计算机是由电子来传递和处理信息。

电子在导线中的运动速度虽然比人们看到的任何运载工具都快，但是，从发展高速率计算机来说，采用电子做输运信息载体不能满足快的要求，提高计算机运算速度也明显表现出能力有限。

用光子（不用电子）作传递信息的载体，能制造出性能更优异的计算机。

用光子作传递信息的载体有以下几方面的好处。

①光子不带电荷，它们之间不存在电磁场相互作用。

在自由空间中几束光平行传播、相互交叉传播，彼此之间不发生干扰，千万条光束可以同时穿越一只光学元件而不会相互影响。

一个光学系统能够提供5×105行传输信息通道；一只质量好的透镜能够提供1亿条信息通道。

如果用光波导传输，光波导也可以相互穿越，只要它们的交叉角大于10°左右就不会有明显的交叉耦合。

上述的性质又称光信号传输的并行性。

②光子没有静止质量，它既可以在真空中传播，也可以在介质中传播，传播速度比电子在导线中的传播速度快得多（约1000倍）。

也就是说，光子携带信息传递的速度比电子快。

计算机内的芯片之间用光子互连不受电磁干扰影响，互连的密度可以很高。

在自由空间进行互连，每平方毫米面积上的连接线数目可以达到5万条，如果用光波导方式互连可达上万条。

所以，用光子作为信息处理载体会制造出运算速度极高的计算机，理论上信息存储量达到1018位。

③超高速的运算速度。

光子计算机并行处理能力强，因而具有更高的运算速度。

电子的传播速度是593km/s，而光子的传播速度却达3×105km/s。

对于电子计算机来说，电子是信息的载体，它只能通过一些相互绝缘的导线来传导，即使在最佳的情况下，电子在固体中的运行速度也远远不如光速。

尽管目前的电子计算机运算速度不断提高，但它的能力极限还是有限的。

此外，随着装配密度的不断提高，会使导体之间的电磁作用不断增强，散发的热量也在逐渐增加，从而制约了电子计算机的运行速度。

而光子计算机的运行速度要比电子计算机快得多，对使用环境条件的要求也比电子计算机低得多。

④超大规模的信息存储容量。

与电子计算机相比，光子计算机具有超大规模的信息存储容量。

光子计算机具有极为理想的光辐射源——激光器，光子的传导可以不需要导线，而且即使在相交的情况下，它们之间也不会产生丝毫的相互影响。

光子计算机无导线传递信息的平行通道，其密度实际上是无限的，一枚5分硬币大小的枚镜，它的信息通过能力可以是
全世界现有电话电缆通道总和的许多倍。

⑤能量消耗小，散发热量低，是一种节能型产品。

光子计算机的驱动只需要同类规格的电子计算机驱动能量的一小部分，这不仅降低了电能消耗，大大减少了机器散发的热量，而且为光子计算机的微型化和便携化研制提供了便利的条件。

科学家们正试验将传统的电子转换器和光子结合起来，制造一种“杂交”的计算机，这种计算机既能更快地处理信息，又能克服巨型电子计算机运行时内部过热的难题。

光子计算机由光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备组成。

有模拟式与数字式两种。

模拟式光子计算机的特点是直接利用光学图像的二维性，因而结构比较简单。

这种光子计算机现在已用于卫星图片处理和模式识别工作。

美国提出的“星球大战”计划，就打算发展这种计算机来识别高速飞行的导弹图像。

数字式光子计算机的结构方案有许多种，其中认为开发价值比较大的有两种：一种是采用电子计算机中已经成熟的结构，只是用光学逻辑元件取代电子逻辑元件，用光子互连代替导线互连；另一种是全新的、以并行处理（光学神经网络）为基础的结构，在20世纪80年代已制成了光学信息处理机——数字光处理机，它由激光器、透镜和棱镜等组成。

虽然光子计算机已经成功，但光子计算机在功能以及运算速度等方面还有很大的发展潜力，特别是在对图像处理、目标识别和人工智能等方面，光子计算机将来发挥的作用远比电子计算机大。

二、微型计算机的系统组成
完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的，如图1.2所示。

计算机硬件系统一般指用电子器件和机电装置组成的计算机实体，软件系统一般指为计算机运行工作服务的全部数据和各种程序。

1．计算机硬件系统的组成
微型计算机的硬件也就是组成一台计算机设备的总称。

例如，键盘、鼠标、显示器、机箱、主板、各类适配卡等都是计算机硬件。

微型计算机的硬件系统一般由CPU、存储器、输入输出设备、接口、BIOS和总线等部件组成。

图1.2 计算机系统
1．微处理器
微处理器即中央处理器（CPU）由控制器和运算器组成，是计算机的核心部件。

控制器是整个计算机的指挥系统，控制整个计算机的各个部件协调稳定地工作。

它的基本功能就是从内存取指令和执行指令。

所谓执行指令就是控制器首先按程序计数器所指出的指令地址从内存中取出1条指令，并对指令进行分析，然后根据指令的功能向有关部件发出控制命令，控制它们执行这条指令所规定的操作。

这样逐一执行一系列指令，就使计算机能
够按照这一系列指令组成的程序的要求自动完成各项任务。

运算器也称为算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU），它的功能就是算术运算和逻辑运算。

算术运算是指加、减、乘、除（有些ALU没有乘、除功能，乘、除运算通过加、减运算实现）运算，而逻辑运算是指“与”、“或”、“非”等操作。

在控制器的控制下，它对取自内存或内部寄存器的数据进行算术或逻辑运算。

2．主板
主板（Mother Board）是微型计算机中的重要部件，如图1.3所示。

微型计算机中的CPU、内存条、声卡、显示卡、BIOS芯片、I/O接口等都安装在主板上。

其中，芯片组固定在主板上，主要提供CPU的类型和主频、内存的类型和ISA/PCI/AGP总线等支持。

3．存储器
存储器是计算机存储程序和数据的部件。

计算机的存储器分为两大类：一类是内存储器，一类是外存储器。

（1）内存储器
内存储器（简称内存或主存）是临时存放数据的记忆部件，如图1.4所示。

内存一般由半导体器件构成。

微型计算机的型号和功能不同，相应的内存容量也不同，目前使用的微机内存的配置已达到256MB、512MB或1GB、甚至2GB。

微型计算机的内存储器包括只读存储器和随机存取存储器两部分。

图1.3 主板图1.4 内存储器
①只读存储器。

只读存储器（Read Only Memory，ROM）是一种用专用设备才能写入的存储芯片，用户只能从ROM中读出内容，不能修改，断电后其中的内容也不会消失。

一般在系统主板上都装有只读存储器ROM，在它里面固化了一个基本输入输出系统（Basic Input Output System，BIOS）。

该系统的主要作用是完成对系统的加电自检、系统中各功能模块的初始化、系统的基本输入输出的驱动程序及引导操作系统。

BIOS提供了许多底层服务，如磁盘驱动程序、显示器驱动程序、键盘驱动程序、打印机驱动程序以及串行通信接口驱动程序等。

②随机存取存储器。

随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）又称为读写存储器，用于存放现场数据和程序。

RAM中的内容可随时按地址进行存取。

因为RAM中的信息是由电路的状态表示的，所以断电后信息一般会立即丢失。

为此，在录入和编辑过程中应经常存盘，以免因故障或断电而造成信息丢失。

内存一般插在计算机的主机板上，它的存取速度比较快，但存储容量比较小。

内存的衡量标准主要是容量和读写速度，在其他条件相同的情况下，内存容量越大、读取速度越快，计算机运行速度等性能就越好。

（2）外存储器
图1.5 硬盘
外存储器又称为辅助存储器，简称外存（或辅存）。

外存作为内存的后备和补充而被广泛使用。

目前，常用的外存有硬盘、光盘、USB移动硬盘、USB闪存、记忆棒（MS卡）、MO卡、CF卡、SM卡、SD卡、ZIP盘片等。

它们和内存一样，存储容量也是以字节为基本单位。

与内存相比，外存的特点是存储容量大、成本低、存储速度慢，可永久地脱机保存信息。

①硬盘存储器。

硬盘由若干个涂有磁性材料的铝合金圆盘封装而成，如图1.5所示。

它的特点是存储容量大、工作速度快。

硬盘的两个主要性能指标是硬盘的平均寻道时间和内部传输速率。

一般来说，转速越高的硬盘寻道的时间越短且内部传输速率也越高。

目前市场上常用的硬盘容量有40GB、80GB、160G等。

②光盘存储器。

随着计算机技术的发展，光盘作为外存储器已越来越广泛。

目前，用于计算机系统的光盘主要有3类：只读光盘、一次性写入光盘和可擦写光盘。

现在微型计算机中使用最广泛的是只读光盘（CD-ROM）和可读写（CD-RW）光盘。

CD-ROM的盘片是由生产厂家预先写入数据或程序，出厂后用户只能读取数据，而不能写入和修改数据。

光盘驱动器简称光驱，是专门用于读取光盘上数据的设备。

随着多媒体技术的发展，越来越多的软件刻录在光盘上，光驱成为计算机不可缺少的设备。

光驱按其读取数据的速度有36倍速、52倍速及更高的倍速。

另外，还有用于写入数据的CD刻录机、DVD刻录机。

③USB闪存。

目前市场上涌现出了很多种移动存储的设备，USB闪存（Flash Memory）是其中的一种，如图 1.6所示。

USB闪存不需要专门的读写设备，对于使用Windows Me/2000/XP操作系统的用户来说，连驱动程序都无须安装，即插即用。

由于USB闪存具备无须驱动器和额外电源，而且体积小、容量大、寿命长、即插即用的优点，越来越受到用户的青睐。

目前常用的闪存有优盘、CF卡（Compact Flash）、SM卡（Smart Media）等。

图1.6 USB闪存图1.7 移动硬盘
④移动硬盘。

移动硬盘也是一种新型的移动存储器，如图1.7所示，其特点是使用比较方便。

在USB接口出现以前，在计算机上添加或撤换任何一个存储器，都必须关掉主机才能进行插拔操作，以免出现端口烧毁及系统死机的现象。

而使用移动硬盘设备，则无须有这方面的顾虑，可以在开机的状态下安全地随时进行插拔操作，系统会自动识别出移动硬盘，并在操作系统的支持下自动安装相应的驱动程序。

需要指出的是，当拔掉移动硬盘时，需要在系统中设定停止使用该设备，以免造成数据损坏。

（3）关于存储器的有关术语
①地址。

整个内存被分成若干个存储单元，每个存储单元一般可存放8位二进制数（字节编址）。

每个存储单元可以存放数据或程序代码。

为了能有效地存取该单元内存储的内容，每个单元必须有惟一的编号（称为地址）来标识。

如同旅馆中每个房间必须有惟一的房间号，
才能找到该房间内的人一样。

②位（Bit）。

最小的数据单位，用于存放1位二进制数（即0或1），或称为比特，用b表示。

③字节（Byte）。

存储信息的基本单位，由8个二进制位组成。

为了便于衡量存储器的大小，统一以字节（Byte简写为B）为单位。

容量一般用KB、MB、GB、TB来表示，它们之间的关系是1KB＝1024B，1MB＝1024KB，1GB＝1024MB，1TB＝1024GB，其中1024＝210。

4．输入、输出设备（也简称I/O设备）
输入设备用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机能识别的形式（二进制数）存放到内存中。

常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。

（1）输入设备
①键盘。

键盘是计算机最常用的输入设备。

用户的各种命令、程序和数据都可以通过键盘输入计算机。

②鼠标。

鼠标是取代传统键盘的光标移动键，使光标移动定位更加方便、准确的输入装置，它是一般窗口软件和绘图软件的首选输入设备。

目前常用的鼠标有3种类型：机械鼠标、光学鼠标和光学机械鼠标。

③扫描仪。

扫描仪是一种捕获图像并将之转换为计算机可以显示、编辑、存储和输出的数字化输入设备。

这里所说的图像是指照片、文本页面、图画和图例等，甚至诸如硬币或纺织品等三维对象也可以作为扫描对象。

常用的扫描仪一般有以下类型：平台式扫描仪、进纸式扫描仪和投影片扫描仪。

输出设备用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式。

常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

（2）输出设备
①显示器。

显示器是微型计算机不可缺少的输出设备。

显示器可显示程序的运行结果，显示输入的程序或数据等。

目前常用的显示器有3类：液晶显示器（LCD）、电子发光显示器（ELD）、气体等离子显示器（GPD）。

其中，LCD显示器发展最快，各种技术指标有很大的提高，其分辨率可达到1600×1200像素，显示器通常为15英寸或17英寸。

②打印机。

打印机的种类很多，但按印字工作原理分为两大类：击打式和非击打式。

击打式打印机靠机械动作实现印字，如点阵式打印机、行式打印机都是击打式打印机。

这类打印机可以打印连续纸或刻蜡纸，但噪声较大、打印质量较粗糙。

激光打印机、喷墨打印机属于非击打式打印机，它们在印字过程中，无机械的击打动作，因此噪声较小，而且打印效果好，速度很快。

③绘图仪。

绘图仪是将计算机的输出信息绘制成图形的输出设备，可输出各类工程设计图纸的设备。

一般可分为两类，即笔式绘图仪和非笔式绘图仪。

笔式绘图仪又分为平板式
绘图仪、滚轴式绘图仪和转筒式笔式绘图仪。

2．计算机软件系统的组成
通常将不安装任何软件的计算机称为“裸机”，只有配上软件的计算机才能构成一台完整的计算机系统。

计算机是依靠硬件和软件的协同工作来完成某一给定任务的，一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。

为了实现预期的任务计算机所执行的一系列指令称为程序。

程序可以用机器指令来编写，也可以用程序设计
语言来编写。

计算机软件系统就是指系统中的程序以及开
发、使用和维护程序所需要的所有文档的集合。

一般分为
系统软件和应用软件两大类。

软件和硬件的关系如图 1.8
所示。

（1） 系统软件
系统软件是指控制和协调计算机及其外部设备、支持应用软件的开发和运行的软件。

为用户开发应用系统提供一个平台，用户可以使用它，但不能随意修改它。

一般包括操作系统、语言处理程序、数据库管理系统和服务程序等。

目前微机内存的配置已达到256MB 、512MB 或1GB 。

（2） 应用软件
应用软件是指计算机用户利用计算机的软、硬件资源为某一专门的应用目的而开发的软件。

例如：科学计算、工程设计、数据处理、事务管理、过程控制等方面的程序。

1．文字处理软件
主要用于将文字输入到计算机并以文件形式存储。

用户能对输入的文字进行编辑并以多种格式打印。

目前常用的文字处理软件有WPS 、Microsoft Word 等。

2．表格处理软件
表格处理软件主要处理各式各样的表格。

它可以根据用户的要求自动生成各式各样的表格，表格中的数据可以输入也可以从数据库中提取。

可根据用户给出的计算公式，完成复杂的表格计算，计算结果自动填入对应栏目里。

如果修改了相关的原始数据，计算结果栏目中的结果数据也会自动更新，不需用户重新计算。

一张表格制作完后，可存入外存，方便以后重复使用；也可以通过打印机将表格打印出来。

目前常用的表格处理软件有Microsoft Excel 等。

3．辅助设计软件
计算机辅助设计（CAD ）技术是近20年来最具有成效的工程技术之一。

由于计算机有
图1.8 软件和硬件的关系。