第1章1 计算机系统概述分解
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第1章 微型计算机系统概述
【学习目标】 了解微型计算机的发展。 了解微型计算机的特点。 认识微型计算机系统的组成。 了解微型计算机的主要性能指标。
1.1 微型计算机概况
世界上第一台电子计算机早在1946年就诞生了，然而微 型计算机在1971年才问世，它具有众多优点，其应用更 加广泛。微型计算机（见图1-1）具有体积小、重量轻、 耗电少、性价比最优、可靠性高、结构灵活等特点，其 应用深入到社会生活中的各个领域，并取得了飞速的发 展。计算机不仅能够完成数学运算，而且还可以进行逻 辑运算，同时还具有推理判断的能力。因此，人们又称 它为电脑。现在，科学家们正在研究具有思维能力的智 能计算机。随着科学技术的发展，人们对计算机的认识 也在不断地深入
操作系统方面
主流的操作系统有Linux、UNIX （System Ⅴ、UNIX BSD、SCO UNIX、 Solaris等）、Windows系列（现在主要有 Windows 98、Windows NT、Windows 2000、Windows XP、Windows 2003、 Windows CE等）等。
图1-1 现代微型计算机
1.1.1 微型计算机的发展
现将有关计算机中央处理器（CPU）的一些基本概念介绍 如下： 中央处理器（CPU）是指把运算和控制功能集成在一起的 那块芯片，这块芯片俗称主机。 微型计算机系统是由中央处理器（CPU）配上一定容量的 存储器（或内存）、接口电路以及必要的外部设备组成。 单板机是指把CPU、一定数量的存储器芯片和I/O接口芯 片装在一块印刷电路板上，并在该板上配以具有一定功能的 输入、输出设备。 单片机是指把CPU、一定容量的存储器和必要的I/O接口 电路集成在一个硅片上。有的单片机还包括模数（A/D）和 数模（D/A）转换器。
02243计算机软件基础(一)
第7页
世界上第一台电子计算机ENIAC
诞生于1942年
18800个晶体 管
70000个电阻 器
18000个电容 器
重量30吨
耗电140千瓦 /h
5000次加法/s
第8页
Pentium IV（2000）
42,000,000个晶体管 时钟频率1.5GHz 运算速度为1700 MIPS （MIPS 代表‘百万指令
第 26 页
软件工程概念
软件工程是指导计算机软件开发和维护的工程学 科，采用工程的概念、原理、技术和方法来开发 与维护软件。
贯穿于这一学科的基本线索是软件生命期学说， 它告诉软件研制者和维护者“什么时候做什么以 及怎么做”。
软件生命期就象人的寿命一样，从出生算到死亡， 从产生开发要求算到软件报废为止。包括：软件 计划、需求分析、软件开发和软件维护四个时期。
汇编语言 为符号化的机器语言。它用助记 符和标识符代替机器指令的操作码和地址码。
高级语言 是一种与具体的计算机指令系统 无关，独立于计算机类型，而且表达方式接 近于自然语言或数学语言，容易被人们掌握 和书写的语言。如C，Pascal，java。
第 17 页
举例
任务：x＋1→x 机器语言
00111110 00001001 00111111B 或 3E 09 3FH
3、硬件与软件的关系
软硬件独立原理和互动原理
独立原理：软件理论上能实现的功能本质上与 硬件是独立的（不管硬件是何种形式） 互动原理：软件实际能实现的功能受制于硬件， 硬件发展一个台阶，软件就能前进一大步
软硬件等效定律
简单的硬件+复杂的软件 简单的软件+复杂的硬件 最终都可以完成同一个任务，不同的只是时间！
世界上第一台电子计算机ENIAC
诞生于1942年
18800个晶体 管
70000个电阻 器
18000个电容 器
重量30吨
耗电140千瓦 /h
5000次加法/s
第8页
Pentium IV（2000）
42,000,000个晶体管 时钟频率1.5GHz 运算速度为1700 MIPS （MIPS 代表‘百万指令
第 26 页
软件工程概念
软件工程是指导计算机软件开发和维护的工程学 科，采用工程的概念、原理、技术和方法来开发 与维护软件。
贯穿于这一学科的基本线索是软件生命期学说， 它告诉软件研制者和维护者“什么时候做什么以 及怎么做”。
软件生命期就象人的寿命一样，从出生算到死亡， 从产生开发要求算到软件报废为止。包括：软件 计划、需求分析、软件开发和软件维护四个时期。
汇编语言 为符号化的机器语言。它用助记 符和标识符代替机器指令的操作码和地址码。
高级语言 是一种与具体的计算机指令系统 无关，独立于计算机类型，而且表达方式接 近于自然语言或数学语言，容易被人们掌握 和书写的语言。如C，Pascal，java。
第 17 页
举例
任务：x＋1→x 机器语言
00111110 00001001 00111111B 或 3E 09 3FH
3、硬件与软件的关系
软硬件独立原理和互动原理
独立原理：软件理论上能实现的功能本质上与 硬件是独立的（不管硬件是何种形式） 互动原理：软件实际能实现的功能受制于硬件， 硬件发展一个台阶，软件就能前进一大步
软硬件等效定律
简单的硬件+复杂的软件 简单的软件+复杂的硬件 最终都可以完成同一个任务，不同的只是时间！
第一章 计算机控制系统概述
第一章计算机控制系统概述§1．1概述随着科学技术的进步，人们越来越多地用计算机来实现控制系统。
近几年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感技术、CRT显示技术、通信与网络技术、微电子技术的高速发展，促进了计算机控制技术水平的提高。
本章主要介绍计算机控制系统及其组成、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势。
1．1．1计算机控制技术研究的内容及特点1、研究的内容：主要研究控制理论、计算机技术（软、硬件技术）、网络通信技术、测量技术、信号处理技术等在微机控制中的应用、以及微机的控制方法及其应用。
2、主要的特点：1）理论性强：应用各种控制理论、信号处理理论等2）综合性强：应用有控制理论、计算机硬件技术、编程技术、网络技术、测量技术、信号处理技术、电子技术等3）实践性强：所有设计、计算必须要反复进行实验；在实践中积累了大量的经验方法、经验数据等4）理论与实践相结合5）实用性强6）应用广泛等1．1．2计算机控制技术这门课所应用到的技术：计算机技术、自动控制技术、微电子技术、信息处理技术、检测与传感技术、通信与网络技术、CRT显示技术等等1．1．3计算机控制技术的现状与发展趋势计算机控制技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分1．1．4目前，计算机控制技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。
一、以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流二、PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展三、面向测控管一体化设计的DCS系统四、控制系统正在向现场总线（FCS）方向发展五、仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展六、数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展七、工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展八、工业控制软件正向先进控制方向发展► 1.2. 计算机控制系统的组成► 1.3 计算机控制系统分类► 1.4 计算机控制系统中的计算机► 1.5 微型计算机控制系统的发展趋势§1.2 计算机控制系统的组成★自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。
第1章计算机系统概论
18800电子管 18800电子管 30吨 30吨 150平方米 150平方米 150kw 5000次十进制加法 次十进制加法/ 5000次十进制加法/秒
ENIAC
ENIAC
ENIAC
ENIAC的特点： ENIAC的特点：十进制表示 的特点 程序用插线开关实现
为了改进程序的输入方式： 为了改进程序的输入方式： 二进制表达方 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制表达方 式和存储程序控制计算机构想。 存储程序控制计算机构想 式和存储程序控制计算机构想。提出并描述一 个计算机模型EDVAC 个计算机模型EDVAC
•它采用了间接寻址技术。在这种技术中，间接寻址指令所 它采用了间接寻址技术。在这种技术中， 它采用了间接寻址技术 形成的地址，不是存放操作数的地址， 形成的地址，不是存放操作数的地址，而是用来形成操作 数地址的地址。这种寻址技术在分类、 数地址的地址。这种寻址技术在分类、排序中是非常有用 的； •采用了专用的程序控制指令，这种指令对应于不同程序 采用了专用的程序控制指令， 采用了专用的程序控制指令 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对， LINK/TRA指令对 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对，即后来人们常 称的调用子程序/子程序返回指令对， 称的调用子程序/子程序返回指令对，对调用子过程等是 十分有效的； 十分有效的； •I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制 I/O 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU I/O设备间的字 CPU和 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU和I/O设备间的字 长能够匹配； 长能够匹配； •采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术 I/O处理机请求访问主存储器时 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期， CPU的主存访问请求延迟一个存储周期 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期，但是并不 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期； CPU的操作 CPU操作推迟一个存储周期 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期；
ENIAC
ENIAC
ENIAC
ENIAC的特点： ENIAC的特点：十进制表示 的特点 程序用插线开关实现
为了改进程序的输入方式： 为了改进程序的输入方式： 二进制表达方 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制表达方 式和存储程序控制计算机构想。 存储程序控制计算机构想 式和存储程序控制计算机构想。提出并描述一 个计算机模型EDVAC 个计算机模型EDVAC
•它采用了间接寻址技术。在这种技术中，间接寻址指令所 它采用了间接寻址技术。在这种技术中， 它采用了间接寻址技术 形成的地址，不是存放操作数的地址， 形成的地址，不是存放操作数的地址，而是用来形成操作 数地址的地址。这种寻址技术在分类、 数地址的地址。这种寻址技术在分类、排序中是非常有用 的； •采用了专用的程序控制指令，这种指令对应于不同程序 采用了专用的程序控制指令， 采用了专用的程序控制指令 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对， LINK/TRA指令对 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对，即后来人们常 称的调用子程序/子程序返回指令对， 称的调用子程序/子程序返回指令对，对调用子过程等是 十分有效的； 十分有效的； •I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制 I/O 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU I/O设备间的字 CPU和 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU和I/O设备间的字 长能够匹配； 长能够匹配； •采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术 I/O处理机请求访问主存储器时 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期， CPU的主存访问请求延迟一个存储周期 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期，但是并不 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期； CPU的操作 CPU操作推迟一个存储周期 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期；
第一章 微型计算机系统概述(戴梅萼)
32位微处理器（80386，80486） （Pentium，P2,P3,P4 ）
1、3 微处理器、微型计算机微型计算机系统
算术逻辑部件 累加器、寄存器 控制部件 内部总线 存储器（ROM、RAM） 输入输出接口 系统总线 外围设备 系统软件 微 处 理 器
微 型 计 算 机
微 型 计 算 机 系 统
1、4 微型计算机的应用
1、科学计算和科学研究
计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出 的数学问题（数值计算）。 2、信息处理 （数据处理） 主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字 信息进行加工。 3、工业过程控制
用微型计算机实现工业生产控制。
4、计算机辅助系统 计算机辅助系统主要有计算机辅助教（CAI）、计算 机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算 机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系 统。 5、人工智能 人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能、智能行 为及其规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的 思维过程，计算机学习等等。其主要任务是建立智能 信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智 能行为的计算系统。
1、3、3 微型计算机系统的组成 一个微型计算机系统包括硬件系统和软件系统。硬件和 软件的结合，才能使计算机正常工作运行。
计算机硬件系统是一个为执行程序建立物质基础的物理 装置，称为硬件或裸机。
计算机软件系统指为运行、管理、应用、维护计算机所 编制的所有程序及文档的总和。
依据功能的不同，软件分为系统软件和应用软件两大类。
1、3、1 微处理器
微处理器（CPU）由运算器和控制器组成。
• 必须具备功能： *可以进行算术和逻辑运算 *可保存少量的数据 *能对指令进行译码并执行 *能和存储器及外设交换数据 *能提供系统所需的定时和控制 *可以相应其它部件发来的中断请求
1、3 微处理器、微型计算机微型计算机系统
算术逻辑部件 累加器、寄存器 控制部件 内部总线 存储器（ROM、RAM） 输入输出接口 系统总线 外围设备 系统软件 微 处 理 器
微 型 计 算 机
微 型 计 算 机 系 统
1、4 微型计算机的应用
1、科学计算和科学研究
计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出 的数学问题（数值计算）。 2、信息处理 （数据处理） 主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字 信息进行加工。 3、工业过程控制
用微型计算机实现工业生产控制。
4、计算机辅助系统 计算机辅助系统主要有计算机辅助教（CAI）、计算 机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算 机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系 统。 5、人工智能 人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能、智能行 为及其规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的 思维过程，计算机学习等等。其主要任务是建立智能 信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智 能行为的计算系统。
1、3、3 微型计算机系统的组成 一个微型计算机系统包括硬件系统和软件系统。硬件和 软件的结合，才能使计算机正常工作运行。
计算机硬件系统是一个为执行程序建立物质基础的物理 装置，称为硬件或裸机。
计算机软件系统指为运行、管理、应用、维护计算机所 编制的所有程序及文档的总和。
依据功能的不同，软件分为系统软件和应用软件两大类。
1、3、1 微处理器
微处理器（CPU）由运算器和控制器组成。
• 必须具备功能： *可以进行算术和逻辑运算 *可保存少量的数据 *能对指令进行译码并执行 *能和存储器及外设交换数据 *能提供系统所需的定时和控制 *可以相应其它部件发来的中断请求
第一章微型计算机系统概述
2. 字长
计算机一次能处理的二进制数字的位数。取决于微处理 器的内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度
3. 微处理器的集成度
微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 Pentium 310万管/片
4. 内存容量
是CPU可以直接访问的存储器，内存大小反映了计 算机即时存储信息的能力；
以上只是一些主要性能指标，还须综合考虑其他因素。
一、 二，八，十，十六进制数
十进制数的两个主要特点：
1. 有十个不同的数字符号：0, 1, 2, … 9。 2. 遵循“逢十进一”原则。
一般地，任意一个十进制数N都可以表示为：
N=Kn-1×10n-1+Kn-2 ×10n-2+······+K1×101+K0×100
+
m
K-1×10-1+K-2×10-2+······+K-m×10-m = Ki 10 i
i n 1
*基数：数制所使用的数码的个数
*权：数制中每一位所具有的位值.
整数部分 小数部分
式中，10称为十进制数的基数，i表示数的某一位，10i 称该位 的权，Ki 表示第I位的数码。 Ki 的范围为0~9中的任意一个数
设基数用R表示，则对于二进制，R=2, Ki为0或1， 逢二进一。
m
N= Ki 2i i n1
4. 按体积大小分：
(1) 台式机(又称桌上型) (2) 便携式(又称可移动微机、笔记本型、
膝上型、口袋型、掌上型和钢笔型)
四、微型计算机的主要性能指标
1. 运算速度
通常所说的计算机运算速度(平均运算速度)，是指每秒 钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令／秒”(MIPS) 来描述。
计算机一次能处理的二进制数字的位数。取决于微处理 器的内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度
3. 微处理器的集成度
微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 Pentium 310万管/片
4. 内存容量
是CPU可以直接访问的存储器，内存大小反映了计 算机即时存储信息的能力；
以上只是一些主要性能指标，还须综合考虑其他因素。
一、 二，八，十，十六进制数
十进制数的两个主要特点：
1. 有十个不同的数字符号：0, 1, 2, … 9。 2. 遵循“逢十进一”原则。
一般地，任意一个十进制数N都可以表示为：
N=Kn-1×10n-1+Kn-2 ×10n-2+······+K1×101+K0×100
+
m
K-1×10-1+K-2×10-2+······+K-m×10-m = Ki 10 i
i n 1
*基数：数制所使用的数码的个数
*权：数制中每一位所具有的位值.
整数部分 小数部分
式中，10称为十进制数的基数，i表示数的某一位，10i 称该位 的权，Ki 表示第I位的数码。 Ki 的范围为0~9中的任意一个数
设基数用R表示，则对于二进制，R=2, Ki为0或1， 逢二进一。
m
N= Ki 2i i n1
4. 按体积大小分：
(1) 台式机(又称桌上型) (2) 便携式(又称可移动微机、笔记本型、
膝上型、口袋型、掌上型和钢笔型)
四、微型计算机的主要性能指标
1. 运算速度
通常所说的计算机运算速度(平均运算速度)，是指每秒 钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令／秒”(MIPS) 来描述。
《计算机应用基础》完整教案
*读操作（Read）：按地址从存储器中取出信息，不破坏原有的内容，称为对存储器进行“读”操作。
*写操作（Write）：把信息写入存储器，原来的内容被覆盖，称为对存储器进行“写”操作。
*主频主频是衡量CPU运行速度的重要指标。它是指系统时钟脉冲发生器输出周期性脉冲的频率。通常以赫兹（Hz）为单位。目前的奔腾Ⅵ微处理器的主频已高达1.5GHz、2.2GHz。
由此介绍十进制到其它进制的转换；
其它进制到十进制的转换；
二进制与八进制的转换；
二进制与十六进制的转换；
对于整数的情况、小数的情况、混合数据的情况的不同处理。
详细内容与要求
第三讲、数据编码和进制转换(2学时)
1、编码指采用少量的基本符号按照一定原则，用以表示大量的、复杂多样的信息。
1）BCD编码
BCD码是指“二-十进制码”，即一位十进制对应四位二进制数。
4、计算机的分类：
1）、根据规模大小分类：巨型机、大型机、中型机、小型机、微机、
2）、根据用途分类：通用计算机、专用计算机
5、计算机的主要应用
科学计算、数据处理、计算机控制、计算机辅助系统、人工智能、办公自动化系统中的应用
注：记住一些专用名字的缩写
详细内容与要求
第二讲、计算机系统(1学时)
计算机系统：是由硬件系统和软件系统两部分组成；两者相辅相成，构成计算机系统的统一体。
阶段
年份
物理器件
软件特征
应用X围
第一代
46-57
电子管
机器语言、汇编语言
科学计算
第二代
58-64
晶体管
高级语言
科学计算、数据处理、工业控制
第三代
65-70
小规模集成电路
*写操作（Write）：把信息写入存储器，原来的内容被覆盖，称为对存储器进行“写”操作。
*主频主频是衡量CPU运行速度的重要指标。它是指系统时钟脉冲发生器输出周期性脉冲的频率。通常以赫兹（Hz）为单位。目前的奔腾Ⅵ微处理器的主频已高达1.5GHz、2.2GHz。
由此介绍十进制到其它进制的转换；
其它进制到十进制的转换；
二进制与八进制的转换；
二进制与十六进制的转换；
对于整数的情况、小数的情况、混合数据的情况的不同处理。
详细内容与要求
第三讲、数据编码和进制转换(2学时)
1、编码指采用少量的基本符号按照一定原则，用以表示大量的、复杂多样的信息。
1）BCD编码
BCD码是指“二-十进制码”，即一位十进制对应四位二进制数。
4、计算机的分类：
1）、根据规模大小分类：巨型机、大型机、中型机、小型机、微机、
2）、根据用途分类：通用计算机、专用计算机
5、计算机的主要应用
科学计算、数据处理、计算机控制、计算机辅助系统、人工智能、办公自动化系统中的应用
注：记住一些专用名字的缩写
详细内容与要求
第二讲、计算机系统(1学时)
计算机系统：是由硬件系统和软件系统两部分组成；两者相辅相成，构成计算机系统的统一体。
阶段
年份
物理器件
软件特征
应用X围
第一代
46-57
电子管
机器语言、汇编语言
科学计算
第二代
58-64
晶体管
高级语言
科学计算、数据处理、工业控制
第三代
65-70
小规模集成电路
第1章 计算机控制系统概述
与RS232相比：速度快、传输距离远。
3.MODBUS总线
是MODICON公司为生产的PLC与外界通信而设计的一种通信协议。
（可通过24总线命令实现）
特点（3） ： 1）应用广泛：凡具有RS232/485接口的MODBUS协议设备都可以使 用本产品实现与过程现场总线（PROFIBUS）的互连。
监督计算机控制系统（Supervisory Computer Control, SCC）有两种不 同的结构形式：一种是SCC＋模拟调节器，另一种是SCC＋DDC控制系统。 1.SCC＋模拟调节器 如图1-6（a）所示，在该系统中，计算机对工业对象的各个物理量进行巡 回检测，并按生产过程的数学模型计算出最佳给定值，送给模拟调节器。 检测元件获得的测量值与该给定值进行比较后，得到的偏差经模拟调节器 分析计算后输出至执行机构，从而实现控制生产过程的目的。 2.SCC＋DDC控制系统 如图1-6（b）所示，该系统可看成是一种二级控制系统，SCC监督级的作 用是计算最佳给定值，送给DDC直接控制生产过程，它与DDC级计算机之 间通过接口进行信息交换。当DDC级计算出现故障时，可由SCC级计算代 替，因此，大大提高了系统的可靠性。
2）应用简单：用户不必了解PROFIBUS和MODBUS技术细节以及复 杂编程，用户只需参考本手册及提供的应用实例，根据要求完成配置， 即可在短时间内实现连接通信。 3）透明通信：用户可以依照PROFIBUS通信数据区和MODBUS通信 数据区的映射关系，实现PROFIBUS到MODBUS之间的数据透明通 信。
(4) 通信网络为开放式互连网络，可极其方便地实现数据共享；
(5) 技术和标准实现了全开放，面向任何一个制造商和用户。
1.4 计算机控制系统的控制规律
第1章 计算机系统概述
1.4.2 电子 计算机的发展简史
• 第一代 电子管时代 电子管时代(1946-1958) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言， 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言 • 第二代 晶体管时代 晶体管时代(1958-1965) 变集中处理为分级处理，浮点运算、 变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言 • 第三代 中小规模集成电路时代 中小规模集成电路时代(1965-1970) 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次 秒 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒 • 第四代 大规模集成电路时代 大规模集成电路时代(1971至今 至今) 至今 向大型机和微型机两个方向发展 • 现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化 巨型化，微型化，网络化，智能化， 根据摩尔定律集成电路大体上每18个月翻一番，今后可再用 年 根据摩尔定律集成电路大体上每 个月翻一番，今后可再用10年。 个月翻一番
计算机组成与结构
清华大学 王爱英主编 主讲 马洪连
第一பைடு நூலகம்计算机系统概论
1.1 计算机的语言 自然语言：人类相互交流信息所用的语言 自然语言 高级语言：由于当前的计算机还不具备理解自然 高级语言 语言的能力，于是人们希望找到一种和自然语言 接近并能为计算机接受的语言，这种语言被称为 计算机的高级语言 。 机器语言：然而目前的通用计算机不会直接执行 机器语言 用高级语言编写的程序，因而要先将其翻译成机 器能执行的语言，这种语言被称为机器语言（由 二进制代码表示的指令组成）。 汇编语言：符号式程序设计语言。 汇编语言
1.4.3 计算机的六大分类
• 巨型机——世界几家公司生产，最快1.4万亿次，9千个CPU组成 Cray-1,Cray-2,Cray-3,国产银河I, 银河II, 银河III • 小巨型机——功能同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速 美国Convex公司的C系列机为其代表产品。 • 大型机——大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调 度主机资源，代表产品有IBM360，370，4300等。 • 小型机——它可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用， 典型产品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列，国产太级 • 工作站——用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助设计等。 典型产品有HP-APOLLO，SUN工作站等。 • 微型机——个人或家庭使用，PC机/个人计算机，价格低廉
《计算机应用基础》教案——office2010版
在上机操作时，要注意强调正确指法的操作。
参阅教材
第一章第一节，第二节
作业
P172一.1~30
教学后记
该节内容理论2学时，内容略显多一些，时间较紧张；
实验2学时上机练习指法不够用，学生应在课余时间多加练习。
《计算机应用基础》教案
教学对象
教学时间
年月日
教学内容
第一章计算机基础知识
1．3数据编码和进制转换
4）数据库系统
按数据模型的不同分为三种类型：层次型、网状型、关系型。目前比较流行的数据库系统有Fo7ro、Oracle、SQL等。
教学小结
这一节最为重要的内容是掌握计算机系统的概念，这一点在教学过程中要注意强调；
对于上机实验的第一节课，要注意强调正确的指法操作。
学习指导
学生在学习这一节内容时，对计算机的概念有了初步的了解；
三、重点与难点
重点：计算机的发展史和应用领域，计算机软件系统及硬件系统构成，数据在计算机中的表示及编码
难点：计算机基本工作原理，数据在计算机中的表示及编码。
四、课时分配：讲授4学时、实验2学时
五、教学方法：讲授(ppt)
六、教学过程：
第一讲、计算机概述(1学时)
1、什么是计算机（概念）
2、计算机发展过程
5）Windows7提供了更好用的网络功能。
6）Windows7的计划任务将在系统后台自动执行。
7）远程支援。
8）内置网络防火墙功能。
9）“智能标签”软件。
4、Windows7启动和退出
1）启动
开机后系统硬件自检，然后自动启动计算机系统。
先开显示开关，再开主机开关。
2）退出
（1）正常退出
关闭所有的应用程序窗口；
参阅教材
第一章第一节，第二节
作业
P172一.1~30
教学后记
该节内容理论2学时，内容略显多一些，时间较紧张；
实验2学时上机练习指法不够用，学生应在课余时间多加练习。
《计算机应用基础》教案
教学对象
教学时间
年月日
教学内容
第一章计算机基础知识
1．3数据编码和进制转换
4）数据库系统
按数据模型的不同分为三种类型：层次型、网状型、关系型。目前比较流行的数据库系统有Fo7ro、Oracle、SQL等。
教学小结
这一节最为重要的内容是掌握计算机系统的概念，这一点在教学过程中要注意强调；
对于上机实验的第一节课，要注意强调正确的指法操作。
学习指导
学生在学习这一节内容时，对计算机的概念有了初步的了解；
三、重点与难点
重点：计算机的发展史和应用领域，计算机软件系统及硬件系统构成，数据在计算机中的表示及编码
难点：计算机基本工作原理，数据在计算机中的表示及编码。
四、课时分配：讲授4学时、实验2学时
五、教学方法：讲授(ppt)
六、教学过程：
第一讲、计算机概述(1学时)
1、什么是计算机（概念）
2、计算机发展过程
5）Windows7提供了更好用的网络功能。
6）Windows7的计划任务将在系统后台自动执行。
7）远程支援。
8）内置网络防火墙功能。
9）“智能标签”软件。
4、Windows7启动和退出
1）启动
开机后系统硬件自检，然后自动启动计算机系统。
先开显示开关，再开主机开关。
2）退出
（1）正常退出
关闭所有的应用程序窗口；
第1章微型计算机控制系统概述
PIO：并行I/O接口
接口电路
SIO：串行I/O接口 中断控制器
DMA
的
操作设备：由显示器、键盘、指示灯等组成
组
成
系统软件：OS、编译诊断程序、监控程序
软件 应用软件：针对过程编写的控制、管理程序
包括输入、控制、输出及显示打印程序
第一章 微型计算机控制系统概述
1.2 微型计算机控制系统的组成
4、检测元件及执行机构
在微机控制系统中，为了对生产过程进行控制，首先必须对各种数据，如 温度、压力、流量、液位、成分等进行采集。为此，必须通过检测元件，即 传感器，把非电量参数转换成电量。此外，为了控制生产过程，还必须有执 行机构。它们的作用就是控制各参数的流入量。
5、通用外部设备
主要为了扩大主机的功能而设置的，是实现微机和外界交换信息的功能的设备。 常规外部设备可分为输入设备，输出设备和存储设备，并根据控制系统的规 模和要求来配置。
第一章 微型计算机控制系统概述
1.1 微型计算机控制系统的结构原理
给定信号
微型计算机 微处理器
D\A转换器
执行机构
被控参数 被控对象
A\D转换器
1、控制过程 图1.3 计算机控制系统基本框图
从本质上看，微型计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下四 点： （1）实时数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测，并且将采样 结果输入计算机； （2）实时决策：对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理后， 按照预先规定的控制规律进行运算，则称为实时决策，或简称决策；
（3）保护重要数据的后备存贮体
Watchdog和掉电保护功能均要有能保存重要数据的存贮体支持， 后备存贮体容量不大，在系统掉电时数据不会丢失，故常采用 NOVRAM，EEPROM或常有后备电池的SRAM，为了保证可靠、安 全，系统存贮器工作期间，后备存贮体应处于上锁状态。
第一章 计算机系统概述(二)
所谓软件是指为运行、维护、管理、应用计算机所编制的所有程序及文档的总和。
计算机软件一般分为两大类：一类叫系统软件,一类叫应用软件。
★系统软件
系统软件用于实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等功能，其目的是方便用户，提高计算机使用效率，扩充系统的功能。
系统软件包括以下四类:
1、操作系统
操作系统是管理计算机资源（如处理器、内存、外部设备和各种编译、应用程序）和自动调度用户的作业程序，使多个用户能有效地共用一套计算机系统的软件。操作系统的出现，使计算机的使用效率成倍的提高，并且为用户提供了方便的使用手段和令人满意的服务质量。概括起来，操作系统具有三大功能：管理计算机硬、软件资源，使之有效应用；组织协调计算机的运行，以增强系统的处理能力；提供人机接口，为用户提供方便。
图1-5存储器组成框图
存储器组成框图演示
存储器所有存储元的总数称为存储器的存储容量，通常用单位KB，MB（1B＝1个字节＝8位二进制代码）来表示。存储容量越大，表示计算机记忆储存的信息就越多。
半导体存储器的存储容量有限，计算机中又配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称为外存储器。相对而言，半导体存储器称为内存储器，简称内存。
累加器A是特殊的寄存器，它既能接受来自总线的二进制信息作为参加运算的一个操作数，向算术逻辑单元ALU输送，又能存储由ALU运算的中间结果和最后结果。算术逻辑单元由加法器及控制门等逻辑电路组成，以完成A和B中的数据的各种算术与逻辑运算。
运算器一次运算二进制数的位数，称为字长。它是计算机的重要性能指标。常用的计算机字长有8位、16位、32位及64位。寄存器、累加器的长度应与ALU的字长相等。
3、语言处理程序
常用的语言处理程序有汇编程序、编译程序和解释程序等。
计算机软件一般分为两大类：一类叫系统软件,一类叫应用软件。
★系统软件
系统软件用于实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等功能，其目的是方便用户，提高计算机使用效率，扩充系统的功能。
系统软件包括以下四类:
1、操作系统
操作系统是管理计算机资源（如处理器、内存、外部设备和各种编译、应用程序）和自动调度用户的作业程序，使多个用户能有效地共用一套计算机系统的软件。操作系统的出现，使计算机的使用效率成倍的提高，并且为用户提供了方便的使用手段和令人满意的服务质量。概括起来，操作系统具有三大功能：管理计算机硬、软件资源，使之有效应用；组织协调计算机的运行，以增强系统的处理能力；提供人机接口，为用户提供方便。
图1-5存储器组成框图
存储器组成框图演示
存储器所有存储元的总数称为存储器的存储容量，通常用单位KB，MB（1B＝1个字节＝8位二进制代码）来表示。存储容量越大，表示计算机记忆储存的信息就越多。
半导体存储器的存储容量有限，计算机中又配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称为外存储器。相对而言，半导体存储器称为内存储器，简称内存。
累加器A是特殊的寄存器，它既能接受来自总线的二进制信息作为参加运算的一个操作数，向算术逻辑单元ALU输送，又能存储由ALU运算的中间结果和最后结果。算术逻辑单元由加法器及控制门等逻辑电路组成，以完成A和B中的数据的各种算术与逻辑运算。
运算器一次运算二进制数的位数，称为字长。它是计算机的重要性能指标。常用的计算机字长有8位、16位、32位及64位。寄存器、累加器的长度应与ALU的字长相等。
3、语言处理程序
常用的语言处理程序有汇编程序、编译程序和解释程序等。
《微机原理》教学课件 第1章 计算机系统概述
0.09μm / 315万
执行速度 (MIPS)
0.06 0.75
1. 5
112
时钟频率 (MHz)
代表产品
<1
MCS-4,MCS-8 4004，8008
<4
Intel8080,8085 M6800,Z80
4~10
Intel8086,80286 M68000,Z8000
16~3G
Intel8386,80486 Pentium ,Ⅱ, Ⅲ，4
（3）知识库管理功能。要求能完成知识获取、检 索和更新等功能。
第一章 计算机系统概论
1.1.2 微型计算机的发展
微型计算机指采用超大规模集成电路，形成体积 小、重量轻、功能强、耗电少的计算机系统。
电子计算机技术 微型计算机
超大规模集成电路工艺技术
结 晶
微型机的发展是以微处理器的发展为表征的，以 微处理器为中心的微型机是电子计算机的第四代产 品。微处理器自1971年诞生以来，发展迅猛，每 2～3年就更换一代。
第一章 计算机系统概论
第五代计算机设想：
1981年日本提出实现智能计算机，但没有取得预 期的结果。美国也有多家公司推出智能计算机。一 般要求智能计算机具有下列功能：
（1）智能接口功能。能自动识别自然语言、图形、 图象。即有语音识别、视觉、感知、理解功能。
（2）解题推理功能。根据自身存储的知识进行推 理，具有问题求解和学习的功能。
第一章 计算机系统概论
2. 电子数字计算机的发展的四个阶段
时间
46－5 8
器件
电子管
58－6 4
晶体管
64－7 1
集成电路
71－今
大规模集 成电路
第一章 计算机控制系统概述
式中 —— 控制器比例增益；
—— 积分时间；
—— 微分时间。
8 、什么叫积分分离？什么叫微分先行？
答：积分分离是指在 PID 控制中，当被控制量开始跟踪时，取消积分作用；而当被控制量接近给定值时，才将积分作用投入以消除静差。
微分先行是指在 PID 控制中，只对被控变量求导，而不对设定值求导。这样，在改变设定值时，输出不会突变，而被控变量的变化，通常总是比较和缓的。
4 、简述集散控制系统的组成与特点。
答： 集散控制系统分为多个层次，每层由多个计算机组成，分别行使不同的功能，主要由数据采集站、控制站、数据通信系统、操作站、工程师站、监控计算机、输入输出通道等部分组成。其特点是集中监视、集中操作，分散控制、分散危险。
5 、简述现场总线控制系统的组成与特点。
答：现场总线控制系统由工作站、服务器、现场总线通信网络、智能仪表等组成；
(2) 半双工方式 信息可以沿着两个方向传输，但在指定时刻，信息只能沿一个方向传输的通信方式称为半双工方式。
(3) 全双工方式 信息可以同时沿着两个方向传输的通信方向称为全双工方式。
串行传输与并行传输
(1) 串行传输是把数据逐位依次在信道上进行传输的方式。如图 2.4(a) 所示。
(2) 并行传输是把数据多位同时在信道上进行传输的方式。
9 、什么是集散控制系统 ? 其基本设计思想是什么 ?
答： 集散控制系统是一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层结构形式、局部网络通信的计算机综合控制系统。其基本设计思想是集中管理、分散控制。
10 、简述集散控制系统的体系结构及各层次的主要功能。
答：集散控制系统分为四个层次，每个层次由多个计算机组成，分别行使不同的功能， 自下而上分别是：现场控制级、过程控制级、过程管理级和经营管理级。与这四层结构相对应的四层局部网络分别是现场网络、控制网络、监控网络和管理网络。
—— 积分时间；
—— 微分时间。
8 、什么叫积分分离？什么叫微分先行？
答：积分分离是指在 PID 控制中，当被控制量开始跟踪时，取消积分作用；而当被控制量接近给定值时，才将积分作用投入以消除静差。
微分先行是指在 PID 控制中，只对被控变量求导，而不对设定值求导。这样，在改变设定值时，输出不会突变，而被控变量的变化，通常总是比较和缓的。
4 、简述集散控制系统的组成与特点。
答： 集散控制系统分为多个层次，每层由多个计算机组成，分别行使不同的功能，主要由数据采集站、控制站、数据通信系统、操作站、工程师站、监控计算机、输入输出通道等部分组成。其特点是集中监视、集中操作，分散控制、分散危险。
5 、简述现场总线控制系统的组成与特点。
答：现场总线控制系统由工作站、服务器、现场总线通信网络、智能仪表等组成；
(2) 半双工方式 信息可以沿着两个方向传输，但在指定时刻，信息只能沿一个方向传输的通信方式称为半双工方式。
(3) 全双工方式 信息可以同时沿着两个方向传输的通信方向称为全双工方式。
串行传输与并行传输
(1) 串行传输是把数据逐位依次在信道上进行传输的方式。如图 2.4(a) 所示。
(2) 并行传输是把数据多位同时在信道上进行传输的方式。
9 、什么是集散控制系统 ? 其基本设计思想是什么 ?
答： 集散控制系统是一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层结构形式、局部网络通信的计算机综合控制系统。其基本设计思想是集中管理、分散控制。
10 、简述集散控制系统的体系结构及各层次的主要功能。
答：集散控制系统分为四个层次，每个层次由多个计算机组成，分别行使不同的功能， 自下而上分别是：现场控制级、过程控制级、过程管理级和经营管理级。与这四层结构相对应的四层局部网络分别是现场网络、控制网络、监控网络和管理网络。
计算机系统结构第1章
第1章 计算机系统结构概论
（3）结构不同，组成也不同 如例：A：=B+C
D：=E*F 采用面向寄存器系统结构和采用面向主存三地址寻址方式结 构在组成上就不一样。 （4）计算机组成也会影响系统结构，如微程序控制
三者关系对系统结构设计的要求：
①系统结构设计不要对组成、实现技术的采用与发展 有过多或不合理的限制；
第1章 计算机系统结构概论
1.1 计算机系统的多级层次结构
计算机系统的层次结构(从不同的层次看计算机系统）
应用软件
虚拟机
系统软件
软硬件界面
应 用 语 言 级M5 应用语言
高 级 语 言 级M4 高级语言
5级
翻译(应用程序包)
4级
翻译(编译程序)
汇 编 语 言 级M3
3级
汇编语言
翻译(汇编程序)
操 作 系 统 级M2 作业控制语言
（2）含义
系统结构实际上是研究计算机系统中软、硬件之间的
界面定义，以及其上下的功能分配。
第1章 计算机系统结构概论
透明性
• 客观存在的事物和属性从某个角度看不到的现 象，被称为是“透明性” 。
例如，高级程序员看不到各种不同类型机 器的差异性就是一个明显的例证。如编译程序 对用户是透明的，Cache对程序员是透明的。
第1章 计算机系统结构概论
1.3.2 计算机系统的性能评测与定量设计原理
一.计算机的性能评价
计算机的性能以及对系统评价的目标都指系统速度的性能。 计算机的速度性能通常是用解题时间来衡量 解题时间是指用户的一个任务从送入计算机处理到得到 结果所需的时间
CPU时间
时间
解题时间
(访磁盘时间) (访主存时间） (I/O时间及其他时间)
第1章 计算机系统概述
第1章 计算机系统概述
第1章 计算机系统概述
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 计算机概论 计算机系统的组成 计算机的分类 计算机的信息表示 思 考 题
1.1 计算机概论
1.1.1 计算机的发展历史和发展趋势
第一台计算机产生于1946年,美国 按计算机采用的电子逻辑器件划分为四代：
第一代：电子管 第二代：晶体管 第三代：中小规模集成电路 第四代：大规模集成电路
| 小数位 尾数部分
1.4 计算机的信息表示
1.4.3 常用的数据编码
BCD码
BCD码也叫做8421码，是一种二进制的数字编码形式，用4位 二进制数来编码1位十进制数。例：(8765)10=(1000 0111 0110 0101)8421
字符编码
常用的字符有十进制数字符号0～9，大小写的英文字母，各种 运算符、标点符号等。为了便于计算机识别与处理，这些字符 在计算机中是用二进制形式来表示的，通常称为字符的二进制 编码。国际上通用的是美国标准信息交换码(American Standard Code for Information Interchange，ASCII)。
汉字编码
根据国标GB 2312—1980规定，全部国标汉字及符号组成 94×94的矩阵，在这个矩阵中，每一行称为一个“区”，每 一列称为一个“位”。这样，就组成了94个区(01～94区)，每 个区内有94个位(01～94)的汉字字符集。
1.5 思考题
1. 计算机的发展经历了哪几代？每一代的特点是什么？ 2. 计算机系统的基本组成是什么？每一部分又包括哪些内容？ 3. 简述计算机的应用主要包含哪些方面。 4. 微型计算机可以分为哪几类？每一类的特点是什么？ 5. 将下列十进制数转换为BCD码：6021、9257、7368。 6. 计算机能够直接识别和处理的语言是什么？ 7. 微型计算机中普遍使用的字符编码是什么码？ 8. 根据传送内容的不同，总线分为哪几种？ 9. 分别说出3款台式机品牌名称和3款笔记本电脑品牌的名称。 10. 比较一下笔记本电脑、移动PC和一体化电脑有什么不同。 11. 字节是计算机中最常用、最基本的存储单位，用什么来表示？一般英 文字符是多少个字节？而汉字是由几个字节构成的？
第1章 计算机系统概述
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 计算机概论 计算机系统的组成 计算机的分类 计算机的信息表示 思 考 题
1.1 计算机概论
1.1.1 计算机的发展历史和发展趋势
第一台计算机产生于1946年,美国 按计算机采用的电子逻辑器件划分为四代：
第一代：电子管 第二代：晶体管 第三代：中小规模集成电路 第四代：大规模集成电路
| 小数位 尾数部分
1.4 计算机的信息表示
1.4.3 常用的数据编码
BCD码
BCD码也叫做8421码，是一种二进制的数字编码形式，用4位 二进制数来编码1位十进制数。例：(8765)10=(1000 0111 0110 0101)8421
字符编码
常用的字符有十进制数字符号0～9，大小写的英文字母，各种 运算符、标点符号等。为了便于计算机识别与处理，这些字符 在计算机中是用二进制形式来表示的，通常称为字符的二进制 编码。国际上通用的是美国标准信息交换码(American Standard Code for Information Interchange，ASCII)。
汉字编码
根据国标GB 2312—1980规定，全部国标汉字及符号组成 94×94的矩阵，在这个矩阵中，每一行称为一个“区”，每 一列称为一个“位”。这样，就组成了94个区(01～94区)，每 个区内有94个位(01～94)的汉字字符集。
1.5 思考题
1. 计算机的发展经历了哪几代？每一代的特点是什么？ 2. 计算机系统的基本组成是什么？每一部分又包括哪些内容？ 3. 简述计算机的应用主要包含哪些方面。 4. 微型计算机可以分为哪几类？每一类的特点是什么？ 5. 将下列十进制数转换为BCD码：6021、9257、7368。 6. 计算机能够直接识别和处理的语言是什么？ 7. 微型计算机中普遍使用的字符编码是什么码？ 8. 根据传送内容的不同，总线分为哪几种？ 9. 分别说出3款台式机品牌名称和3款笔记本电脑品牌的名称。 10. 比较一下笔记本电脑、移动PC和一体化电脑有什么不同。 11. 字节是计算机中最常用、最基本的存储单位，用什么来表示？一般英 文字符是多少个字节？而汉字是由几个字节构成的？
计算机组成与结构第1章 计算机系统概述
45
计算机的过去
根据逻辑元件，计算机的发展划分为四代： 第一代(1946年～1958年)是电子管计算机 第二代(1959年～1964年)是晶体管计算机 第三代(1965年～1970年)是集成电路计算机 第四代( 1971年以后)是大规模和超大规模集成电路计算机
从1946年计算机诞生以来，大约每五年运算速度提高10倍，可 靠性提高10倍，成本降低10倍，体积缩小10倍。60多年来计算 机的发展过程，是在冯 · 诺依曼型计算机结构的基础上，紧紧围 绕提升运算速度、扩大存储容量、降低制造成本、提高系统可靠 性和使用的方便性为目的，不断采用新器件和研制新软件的过程。
23
二、计算机的分类
计算机从总体上分： • 模拟计算机、数字计算机（数字计算机俗称电脑）
计算机从用途上分： • 通用机、专用机
数字计算机按性能进一步分： • 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机
24
计算机的应用
1．科学计算 2．信息管理 3．过程检测与控制 4．计算机辅助工程 5．人工智能方面的
目前绝大多数计算机仍然建立在存储程序、程序控制概念的基础 上，称为冯·诺依曼型计算机。
28
外设
四、计算机的硬件组成
Байду номын сангаас输入设备
存储器
辅助存储器
输出设备
主存储器
主机
运算器
控制器
CPU
控制 数据 地址/指令
29
1、运算器
运算器的功能是执行算术运算、逻辑运算以及数据 转换，更复杂的运算分解成这些基本运算来实现。
计算机组成与结构第1章 计算机系统 概述
为什么要开设“计算机组成与结构”
重要的专业基础课有：
数据结构
计算机的过去
根据逻辑元件，计算机的发展划分为四代： 第一代(1946年～1958年)是电子管计算机 第二代(1959年～1964年)是晶体管计算机 第三代(1965年～1970年)是集成电路计算机 第四代( 1971年以后)是大规模和超大规模集成电路计算机
从1946年计算机诞生以来，大约每五年运算速度提高10倍，可 靠性提高10倍，成本降低10倍，体积缩小10倍。60多年来计算 机的发展过程，是在冯 · 诺依曼型计算机结构的基础上，紧紧围 绕提升运算速度、扩大存储容量、降低制造成本、提高系统可靠 性和使用的方便性为目的，不断采用新器件和研制新软件的过程。
23
二、计算机的分类
计算机从总体上分： • 模拟计算机、数字计算机（数字计算机俗称电脑）
计算机从用途上分： • 通用机、专用机
数字计算机按性能进一步分： • 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机
24
计算机的应用
1．科学计算 2．信息管理 3．过程检测与控制 4．计算机辅助工程 5．人工智能方面的
目前绝大多数计算机仍然建立在存储程序、程序控制概念的基础 上，称为冯·诺依曼型计算机。
28
外设
四、计算机的硬件组成
Байду номын сангаас输入设备
存储器
辅助存储器
输出设备
主存储器
主机
运算器
控制器
CPU
控制 数据 地址/指令
29
1、运算器
运算器的功能是执行算术运算、逻辑运算以及数据 转换，更复杂的运算分解成这些基本运算来实现。
计算机组成与结构第1章 计算机系统 概述
为什么要开设“计算机组成与结构”
重要的专业基础课有：
数据结构
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存储程序的思想，使计算机从专
用走向通用。正是这一创新，开
创了计算机的新时代。
1.1 计算机的发展:Turing机特点
通用计算机：并不是保存所有问题的结果。
存储程序计算机：问题的求解由程序或过程给出
，程序和过程可以通过语言描述。
有限速度：计算机执行程序的时间是有限的。 是现代计算机的鼻祖。
第一章 计算机系统概论
1
2 3 4 5 计算机的发展
计算机的分类与特点
计算机系统组成 计算机系统层次结构 计算机主要技术指标
学习要求
掌握：计算机发展过程中的摩尔定律、计算机硬件
的技术指标、层次结构、软硬件的逻辑等价性
理解：计算机系统的工作过程 重点：计算机硬件的技术指标、层次结构 了解：了解冯诺依曼计算机的特点、计算机系统结 构、组成和实现的基本概念以及计算机的应用
专用计算机：只能适应某种特殊应用的需求，具 有运行效率高、速度快、精度高等特点。一般用
在过程控制中，如智能仪表、飞机的自动控制、
导弹的导航系统等。
1.2 计算机的分类与特点
Michael Flynn分类法：按指令流与数据流的多
倍性分，有单指令流单数据流(SISD)、单指令 流多数据流(SIMD)、多指令流单数据流计算机系统
计算机结构
计算机处理器
设备制造
逻辑设计 电路（VLSI）设计
1.3 计算机系统组成
计算机剖析（续）
计算机系统
计算机结构
计算机处理器
高级语言
汇编语言
机器语言
1.3 计算机系统组成
计算机系统
硬件系统 主机 C P U 内 存 外围设备 软件系统
系统软件
输 出 设 备 操 作 系 统 数 语 据 言 处 …… 库 管 理 理 程 系 序 统 数 据 处 理 程 序
按 系 统 结 构 分 类
(MISD)、多指令流多数据流(MIMD)四种。
冯氏分类法：用最大并行度进行分类。有字串
位串（WSBS）、 字串位并（WSBP）、 字并 位串（WPBS）、 字并位并（WPBP）四种
1.2 计算机的分类与特点
1.2 计算机的分类与特点
计算机的特点
运算速度快 计算精度高 记忆能力强 有逻辑推理和判断能力 自动化程度高 通用性强
Moore’s Law in 37 Years (IEEE Spectrum, May 2008)
1.1 计算机的发展
计算机发展趋势
巨型化
微型化
多媒体化网络化 智能化
1.2 计算机的分类与特点
计算机的分类
模拟计算机 巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机 工作站 服务器
电子计算机
数字计算机
1.1 计算机的发展:现代计算机的里程碑
年代 1834 1936 1943 1944 1946 1949 1951 1952 1960 1961 1962 1963 1964 1964 1965 1970 1974 1974 1978 1981 1985 1987 1990 机器名称 Analytical Engine Z1 COLOSSUS Mark I ENIAC I EDSAC Whirlwind I IAS PDP-1 1401 7094 B5000 360 6600 PDP-8 PDP-11 8080 CRAY-1 VAX IBM PC MIPS SPARC RS6000 制造者 Babbage Zuse 英国政府 Aiken Eckert/Mauchley Wilkes M.I.T. Von Neumann DEC IBM IBM Burroughs IBM CDC DEC DEC Intel Cray DEC IBM MIPS Sun IBM 说明 建造数字计算机的第一次尝试 第一台使用继电器的计算机器 第一台电子计算机 第一台美国通用计算机 现代计算机历史从它开始 第一台存储程序的计算机 第一台实时计算机 大多数现代计算机还用的设计 第一台小型机（销售 50 台） 非常流行的小型商用机 60 年代早期的主流科学计算用机 面向高级语言设计的第一台计算机 系列机的第一个产品 第一台用于科学计算的超级计算机 第一台占领市场的小型机（销售 50，000 台） 70 年代的主导小型机 第一台在一个芯片上的 8 位计算机 第一台向量超级计算机 第一台 32 位超级小型计算机 开创现代个人计算机新纪元 第一台商用 RISC 机 第一台基于 SPARC 的 RISC 工作站 第一台超标量体系结构计算机
应用软件 自 动 控 制 程 序 企 科 业 学 管 …… 计 理 算 程 程 序 序
提出算法概念，并出版 以算法（Algorithm） 1833年，分析机(Analytical 为题的书籍 Engine)，通用机器
1.1 计算机的发展:Turing机
1937年，Alan Turing提出一种 “通用”计算机的概念，它可以 执行任何一个描述好的程序（算 法），实现需要的功能，形成了 “可计算性”概念的基础。
通用计算机 专用计算机
按信息的表示方式分
按应用范围分
按规模和处理能力分
• 无论按哪一种方法分类，各类计算机之间的主要区别是运 算速度、存储容量及机器体积等。
1.2 计算机的分类与特点
通用计算机：能解决各种问题，具有较强的通用
按 使 用 范 围 分 类
性。适用于一般的科学计算、学术研究、工程设 计和数据处理等广泛用途。
时间： 2~3学时
1.1 计算机的发展:古代及近代计算技术
公元前500年，中国出现算盘 1642年，Blaise Pascal发明 自动进位的加法机器，齿轮 驱动拨盘，在窗口显示结果 1822年，Charles Babbage，差分机 （Differential Engie）
16世纪，Alkhowarizmi
1.1 计算机的发展
计算机的产生
布尔代数
理论基础
电子管
物质基础
ENIAC（1946年）
1.1 计算机的发展
计算机发展简介
电子管 晶体管 中小规模集成电路 体 积 缩 小 ， 性 能 提 高
摩尔定律：在相等
大规模、超大规模集成电路
巨大规模集成电路
外 设 种 类 多 样 化 ， 功 能 增 强
面积(制作成本)上， CPU上的晶体管数量以 每18个月倍增