计算机发展与进制

大学计算机应用基础

第1章计算机基础知识湖北医药学院计算机教研室I1

本科教学安排（针对等级考试）

理论课：

第一章计算机系统基础（4学时）

第二章操作系统基础（2学时）

第1章计算机基础知识|湖北医药学院计算机教研室|2

实验教学安排

练习计算机实际操作能力

1、掌握操作系统Windows2000的使用（6学时）

2、学会Office办公自动化软件的使用

（6学时）

上课地点：5号教学楼6楼计算机机房

|湖北医药学院计算机教研室|3

第1章计算机基础知识

第一章计算机系统基础

1.1计算机概述

1.2计算机系统组成

1.3转换及信息编码

|湖北医药学院计算机教研室|4

第1章计算机基础知识

1.1计算机的发展

1.早期计算工具的发展

2.早期计算机的发展

3.现代计算机的发展

4.微型计算机的发展

5.未来新型计算机

6.计算机的分类

第1章计算机基础知识|湖北医药学院计算机教研室|5

1.1.1早期计算工具的发展

1642年，莱斯•帕斯卡发明的加法器

19世纪初，巴贝奇发明的差分机和分析机

第1章计算机基础知识I湖北医药学院计算机教研室\~6

CharlesBabbage

LL2计算机的发展历程

1.计算机3c如〃匕"）：俗称电脑，是一种由高

度精密和复杂的电子线路所构成的、能对信息

进行高速和自动处理的现代化电子设备。是进

行信息处理的工具。

2.人类历史上第一台计算机:

1946年2月，诞生于美国，名为：ENIAC（爱尼亚

克）

主要结构部件：电子管、继电器、电阻电容

主要性能指标：5000次/秒运算

|湖北医药学院计算机教研室|8

第1章计算机基础知识

世界上第台计算机

F名称为EN1AC

।5000次加、减运算/秒

■体重30吨

|占地170m2

r18800个电子管

■1500个继电器

i功率140KW

|湖北医药学院计算机教研室|9

第1章计算机基础知识

ENIAC缺陷：

第一个缺陷：发热量大

由于使用了大量分立的电子元器件，且每一种电子器件工作时都会

产生大量的热能，所以机器发热很快，即使专门配置了一台冷却设

备，其稳定工作时间也只有几小时。

第二个缺陷：不能自动执行工作

其工作时，必须由专家和工程技术人员通过开关和插线来控制其工

作过程，即它不是自动工作的。

|湖北医药学院计算机数研室|10

第1章计算机基础知识

为了使计算机技术从实验室走向社会，美籍匈牙数

学家冯・诺伊曼(Von.Neuman)提出了“电子延迟存贮

自动计算机”的设想，即在计算机中引入存贮信息的部

件——存贮器，并把指挥计算机工作的命令有序地存入

计算机，然后通过程序控制计算机自动工作。

1951年，基于这一思想的第一台电子计算机EDVAC研

制成功，从此，计算机

技术真正进入了实用发展阶段。

|湖北医药学院计算机教研室|11

第1章计算机基础知识

1.1.3现代计算机的发展

□第一代：电子管计算机时代

□第二代：晶体管计算机时代

□第三代：中小规模集成电路计算机

时代

□第四代：（超）大规模集成电路计算

机时代

□未来的计算机时代

第1章计算机基础知识|湖北医药学院计算机教研室|12

第一代:电子管计算机(1946~1957)

件

辑

逻

元电子管

存

内

延迟线或磁芯

存

外

纸带、卡片或磁带

度

工

作

速几千〜几万次/秒

件

软

机器语言或汇编语言

用

应

型

代科学计算

机

表ENIAC

|湖北医药学院计算机教研室

第1章计算机基础知识

第—4弋：晶体管计算机(1958〜1963)

逻辑元件晶体管

内存磁芯

外存磁带或磁盘

工作速度几十万次/秒

软件高级算法语言

应用事务管理及工业控制

代表机型IBM7000系列

|湖北医药学院计算机教研室

第1章计算机基础知识\14

第三代：集成电路计算机（34797。）

件中小规模集成电路

内

存半导体存储器

外

存

磁带或磁盘

工

度

软

件几十万〜几千万次/秒

高级算法语言、操

作系统

用计算、管理及控制

代表机型IBMSystem/360

|湖北医药学院计算机教研室

第i章计算机基础知识|乃

第四代：大规模集成电路计算机

（1971年至今）

逻辑元件（超）大规模集成电路

内存半导体存储器

外存磁盘和光盘

工作速度几百万〜几千万次/秒

软件操作系统和应用软件

应用以计算机网络为特征

微型计算机属于第四代计算机

|湖北医药学院计算机教研室

第1章计算机基础知识\16

计算机发展的4个时代

年份电路特点

第一代1946~1957电子管磁鼓、磁带

第二代1958~1963晶体管磁芯、磁盘

第三代1964~1970集成电路终端访问

大、超大规模集

第四代1971~现今个人计算机

成电路

第1章计算机基础知识湖北医药学院计算机教研室|17

微机的发展

微机(PersonalComputer)的发展

和CPU(中央处理器)紧密相联

第1章计算机基础知识I湖北医药学院计算机教研室\18

第

一

台

微

电

脑

ltai

Ar

800

8

学计算

药院

机教研宓\19

迈堂形界面的个人电脑

)输入手段

多样化

交互界面

友好化

1.1.4微型计算机的发展

年代时间位数代表性芯片

第19728位jntel8008

第二忆^973—8位Intel8085M6i00

Z80

第三代1978—[16位Intel8086M68000

Z8000

第四代1985-32>fF[lntel80386Hp32

Pentium系列）

64位AMD

微处理器集成度发展示意图

晶

体

管

数

目

100M

10M

晶摩

尔

定

体I1M

律

管■

100K

数■

|10K

每18个月芯片能力增长一倍

第1章讨算机^教研室|23

微处理器(CPU)

改进微处理器

的两种方法:

1.提高工作速度

2.同时处理

更多的数据

第1章计算机基础知识I湖北医药学院计算机教研室\24

计算机的发展趋势

计算机发展的现实向我们展示了它总的发展

趋势是：

巨型化，微型化，网络化，智能化

|湖北医药学院计算机教研室|25

第1章计算机基础知识

未来新型计算机

英特尔公司联合创始人戈登-摩尔(GordonMoore)提出的IT业第

一定律摩尔定律：芯片制造商大约每18个月就会把挤在指甲盖那么

大的硅片的晶体管数量增加一倍。

计算机自诞生以来数十年的事实表明了这个理论的无比正确性。

但未来随着硅片的集成度越来越高，总存在物理上的极限。摩尔定

律不可能永远持续下去。因为芯片的体积越来越小，并且已经接近

原子的体积，这就是一个根本性的障碍。

因此，科学家们寻求全新概念的计算机。

如：超导计算机、量子计算机、光子计算机、生物计算机、神经

计算机。

有兴趣的同学可以自行阅读书中相关材料

1.1.5未来新型计算机

»超导计算机

＞量子计算机

＞光子计算机

＞生物计算机

A神经计算机

|湖北医药学院计算机教研室

第1章计算机基础知识|27

1.1.6计算机的类型

1、按应用特点分:专用和通用计算机

2、按处理对象分：数字、模拟和数字模

拟混合计算机

3、按计算机规模和处理能力分：巨型机、

大型机、小型机、微型机

第1章计算机基础知识湖北医药学院计算机教研室|28

1.2计算机基本工作原理及系统组成

A计算机的基本工作原理

»指令和指令系统

A微型计算机系统结构

»非冯・诺依曼计算机结构

|湖北医药学院计算机教研室|29

第1章计算机基础知识

计算机的计算模型

计算机是使用相应的程序来完成任何设定好

的任务。

图灵机是一种思想模型，

它由三部分组成：

一个控制器，一条可以无限延

伸的带子和一个在带子上左右

移动的读写头。

为纪念图灵对计算机的贡献,

美国计算机博物馆于1966年

设立了“图灵奖”

|湖北医药学院计算机教研室|30

第1章计算机基础知识

1.2.1计算机的基本工作原理

计算机的基本工作原理是由美籍匈牙利

科学家冯・诺依曼于1946年首先提出的。

＞采用二进制的形式表示数据和指令

＞采用存储程序方式

»计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备、

输出设备5大部件组成

第1章计算机基础知识|湖北医药学院计算机教研室|31

冯•诺依曼

❖约翰•冯・诺依曼(JohnVonNouma,1903-

1957),美藉匈牙利人，1903年12月28日生

于匈牙利的布达佩斯。1921年至1923年在苏

黎世大学学习。在1926年以优异的成绩获得

了布达佩斯大学数学博士学位，此时冯・诺依

曼年仅22岁。1927年至1929年，冯.诺依曼相

继在柏林大学和汉堡大学担任数学讲师。

1930年接受了普林斯顿大学客座教授的职位,

1931年成为该校终身教授。是美国国家科学

院、秘鲁国立自然科学院和意大利国立林且

学院等院的院士。1954年他任美国原子能委

员会委员；1951年至1953年任美国数学会主

席。1957年2月8日，在华盛顿去世，终年54

岁。

|湖北医药学院计算机教研室

第1章计算机基础知识|32

冯・诺依曼理论要点：

♦1.数字计算机的数制采用二进制

♦2.计算机按照程序的顺序执行

存储程序工作原理：

计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要

执行的程序的，CPU可以依次从存储器中取出程序

中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成

全部指令任务为止。

第1章计算机基础知识|湖北医药学院计算机教研室|33

冯・诺依曼结构框图

反操二数据流

馈作

信

号命

一■m

令

入r处理

程序+-

备r士身蒋

口

-►

H内）存储器

数据，

is

请响响R请

求应应求

信信信信

号号号号

I

湖北医药学院计算机教研室

\34

第1章计算机基础知识

1,输入设备

♦:♦输入设备是计算机中用来输入各种信息（如:

数据、字符、命令等）的部件。常用的输入

设备有：键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数码

相机等。其中，键盘为基本输入设备。

♦:♦目前微机上所用的键盘分为两种，一种是台

式机配备的101（或104）键键盘，另一种是

笔记本电脑上配备的84键键盘。

|湖北医药学院计算机教研室|35

第1章计算机基础知识

2.输出设备

输出设备是计算机中输出各种信息的部

件。

常用的输出设备有：显示器、打印机、

磁盘驱动器、绘图仪、扬声器等。

硬盘、软盘驱动器即是输入设备，又是

输出设备。

|湖北医药学院计算机教研室|36

第1章计算机基础知识

3,存储器

♦:♦存储器是计算机中用于存放各种信息的部

件，相当于计算机中的“仓库”。

♦:♦在这个“仓库”中，整个存储空间被有规

律地分为若干小单元——存储单元，而每

一存储单元中存放的都是一组二进制数。

♦:♦同时为了便于管理和使用存储单元，人们

给每一单元都安排宥相应的位置编号，这

种编号莪们麻之为存槽单元地址，简森地

症。

|湖北医药学院计算机教研室|37

第1章计算机基础知识

♦:♦存储器主要功能:存放程序与数据，相当于

“信息仓库”

｛两种状态｝

读操作

:从存储器取信息，不破坏原有的内容

J写操作

信息写入存储器,原来的内容被抹掉

第1章计算机基础知识湖北医药学院计算机教研室|38

4.运算器

主要功能：算术运算及逻辑运算

何谓算术运算呢？就是平常的加、减、乘、除等

运算，只不过数字是二进制而已。

何谓逻辑运算呢？就是逻辑判断、逻辑比较及其

他的基本逻辑运算等等。

在计算机中，无论是算术运算还是逻辑运算，最

终都被转换成加法运算来完成，所以加法运算是基本运

算。

运算器的数据取自内存，运算结果又送回内存。

运算器对内存的读写操作均在控制器之下完成。

|湖北医药学院计算机教研室|39

第1章计算机基础知识

5.控制器

发出各种控制信号，指挥系统各部件有

条不紊地工作，自动地执行程序。

控制器由程序计数器、指令寄存器、指

令译码器和操作控制器组成。

|湖北医药学院计算机教研室|40

第1章计算机基础知识

冯・诺依曼理论要点

存储程序工作原理：

计算机的两个基本能力：一是能

够存储程序，二是能够自动地执行程

序。

计算机是利用“存储器”（内存）

来存放所要执行的程序的，而称之为

CPU的部件可以依次从存储器中取出

程序中的每一条指令，并加以分析和JohnvonNeumann

冯•诺依曼

执行，直至完成全部指令任务为止。

湖北医药学院计算机教研室|41

第1章计算机基础知识

指令和指令系统

A指令：是能被计算机识别并执行的二进制代码,

由操作码与操作数组成。

A指令系统：即一台计算机所有指令的集合，包

括数据传送指令、数据处理指令、程序控制指

令、输入、输出指令和其他指令。

A指令的执行

|湖北医药学院计算机教研室|42

第1章计算机基础知识

一.指令是能被计算机识别并执行的

二进制代码，它规定计算机能完成的某一

种操作。

指令由操作码与操作数（或地址码）

组成

第1章计算机基础知识I湖北医药学院计算机教研室\43

操作码通常包括两部分内容:

1.指令的操作种类。如运算操作（加、减、乘、

除等）、数据传送、移位、转移、输入输出操作等。

2.操作数的数据类型。如果采用自定义数据表

示法，在操作码中不必指出操作数的数据类型，只

需要指出指令的操作种类即可。

|湖北医药学院计算机教研室|44

第1章计算机基础知识

一个地址码通常包括三部分内容

一个地址码通常包括三部分内容，而且，在一条指令中，经常包括

有两个或两个以上的地址码。

1.操作数的地址。

对于间接寻址方式，给出间接地址；对于立即数寻址方式，在地址

码部分直接给出操作数；对于寄存器寻址方式，给出通用寄存器

编号；对于变址寻址方式，给出变址寄存器编号。

2.地址的附加信息。如偏移量、块长度、跳距等。

3.寻址方式。如直接寻址、间接寻址、立即数寻址、变址寻址、

自动增量寻址、自动减量寻址、相对寻址等。

|湖北医药学院计算机教研室|45

第1章计算机基础知识

、指令系统

一台计算机的所有指令的集合，称为该计算机的指令系统。

不同类型的计算机，指令系统的指令条数有所不同。但无论何

种类型的计算机，指令系统都应具有以下功能的指令。

1、指令传送指令。将数据在内存与CPU之间进行传送

2、数据处理指令。数据进行运算、逻辑或关系运算

3、程序控制指令。控制程序中指令的执行顺序，如条件转移、

无条件转移、调用子程序、返回、停止等

4、输入、输出指令用来实现外部设备与主机之间的数据

5、其他指令对计算机的硬件管理、如检查系统硬件是否缺少等

|湖北医药学院计算机教研室|46

第1章计算机基础知识

三、指令的执行

A冯氏原理：人们预先编好程序，利用输入设

备把程序输入内存，计算机在控制器控制下,

从内存中逐条取出程序交运算器执行。把结

果回送入内存、或由输出设备输出。

A执行步骤：取指令、分析指令、执行指令、

程序计数器加1

|湖北医药学院计算机教研室|47

第1章计算机基础知识

程序在计算机基本工作原理

①取指令：从存贮器中读出

要执行的指令并送往CPU的指

令寄存器（REG）。

②分析指令：将指令送往指

令译码器，翻译出指令微操作,

③执行指令：CPU发出控制信

号，指挥相应部件完成规定的

操作。

为执行下一条指令做准备。

|湖北医药学院计算机教研室|48

第1章计算机基础知识

微机系统结构

微型计算机硬件系统由微处理器、存储器、各种输

入/输出接口电路以及系统总线组成。

微型机的系统结构图如下：

微

处

理

器

PU

第1章计算机基础知识I湖北医药学院计算机教研室|49

计算机的体系结构

A冯・诺依曼结构（程序存储式电子数字自动计算机

方案）——计算机硬件体系结构由五个基本部件:

输入器、输出器、控制器、运算器和存储器组成。

A非冯・诺依曼结构：是由数据而不是由指令来驱动

程序执行的体系结构。

|湖北医药学院计算机教研室|50

第1章计算机基础知识

非冯・诺依曼计算机结构

非冯•诺依曼结构是一种由数据而不是

由指令来驱动执行的体系结构。

＞数据流计算机

＞归约计算机

＞基于面向对象程序设计语言的计算机

＞智能计算机

湖北医药学院计算机教研室|51

第1章计算机基础知识

非冯・诺依曼结构计算机的优、缺点

优点：

支持高度的并行操作；

与VLSI技术相适应；

有利于提高软件生产力。

缺点：

＞操作开销太大；

＞不能有效利用以前冯氏计算机累积起来的丰富资源。

|湖北医药学院计算机教研室

第1章计算机基础知识|52

1.2.2计算机系统组成

中央处理器（CPU施藉

r主机

L内存储喘髓鬣牖

计［输入设备——键盘、鼠标、光笔、扫描仪

算i外部设刊输出设备—显示器、打印机、绘图仪

机L外存储器——硬盘、软盘、光盘

系

统”操作系统网络服务

「系统软件

数据库系统程序设计语言

软件《

文字处理软件信息管理软件

i应用软当图形软件辅助设计软件

k种程序包

|湖北医药学院计算机教研室

第1章计算机基础知识|53

计算机硬件系统的组成

第1章计算机基础知识I湖北医药学院计算机教研室|54

微机硬件的基本组成:主机、显示器、键盘、

鼠标、音箱等

从外观看，一台微机由主机和外部设备

组成。如下图所示：

第1章计算机基础知识湖北医药学院计算机教研室|56

微型计算机主机构成

CPU

系统主板（又称主机板或母板）

硬盘驱动器

CD-ROM驱动器

软盘驱动器

显示器适配器

内存

电源

第1章计算机基础知识I湖北医药学院计算机教研室|57

(-)CPU系统

在计算机中)运算器(Arithmetic

LogicUnit-ALU)和控制器两部件合称为

中央处理单元(CPU—CentralProcessing

Unit),它是计算机的核心部件)是计算机

的“心脏”，其性能的高低直接决定了计

算机整机的档次。由于微机中这两个部件

被微缩、被集成在一块半导体芯片上)

所以又叫它微处理器(MPU-----Micro

ProcessingUnit)

|湖北医药学院计算机教研室|58

第i章计算机基础知识

1.中央处理器CPU：是整个微型

机的核心，它是执行对信息的处理

与控制的一个大规模集成电路芯片。r

CPU可分为：

①针脚式Socket

②插卡式Slot

第1章计算机基础知识湖北医药学院计算机教研室|59

pentL

Socket

CPU(CentralProcessingUnit)

r运算器

CPU

微处理器<

<控制器

运算器和数据线的位数反映了CPU的档次。

80386以下的CPU为16位，80386及以上的CPU为32位

的CPU。

CPU的功能是计算机主要技术指标之一，人们习惯用

CPU的档次来大体表示微机的规格。

第1章计算机基础知识I湖北医药学院计算机教研室\61

Intel8086/8088、80286、80386、80486、

Pentium、PentiumMMX>PentiumPro和

PentiumII、PentiumIIIPentiumIV

AMDDuron

Athlon（阿斯龙系列）

湖北医药学院计算机教研室|62

第i章计算机基础知识

CPU

•、.•».»*.,

>・2・3

AAMD口

.■>・♦»・3

S3.33

MS

AE

LM

AB

YL

SE

1D

I

N

严心0

AthlonXP的正面AthlonXP的背面

湖北医药学院计算机教研室|63

第1章计算机基础知识

2.CPU的性能指标:

ACPU执行指令的速度：即CPU每秒所能执行

的指令条数；一般CPU的工作频率越高执

行指令的速度也就越快。

ACPU的字长：即CPU一次所能处理的数据的

二进制位数。

»指令本身的功能强弱及复杂程度。

第1章计算机基础知识|湖北医药学院计算机教研室|64

(-)主板系统

主板(mainboard)是位于主机箱底部的

一块大型印刷电路板，有CPU插槽/插座、内

存插槽、局域总线的扩展总线、高速缓存、

时钟和CMOS主板BIOS、软/硬盘、串口、

并口等外设接口、控制芯片等。

①芯片组(Chipset)

②各种插座、插槽、扩展槽

③各种外设接口

|湖北医药学院计算机教研室

第1章计算机基础知识|65

内存条

CPU插座

串行接口

AGP扩展槽

芯片组

PCI扩展槽

芯