大學計算機基礎（第6版）（微課版）第01講教案 計算機與計算思維（一）

課時內(nèi)容計算機與計算思維（一）授課時間課時2教學目標認識計算機的發(fā)展歷程計算機的應用領域計算機的組成及各部分的功能教學重點計算機的特點、應用和分類教學難點計算機的組成及各部分的功能教學設計教學思路：（1）講解計算機的發(fā)展史，包括計算機的誕生、發(fā)展以及發(fā)展趨勢，并認識計算機的特點、應用和分類；（2）講解計算機的基本構成和計算機的組成部件。教學手段：（1）通過演示講解基礎知識，講解結束后通過課后練習鞏固所學知識；（2）對于重點內(nèi)容著重講解。教學資料及要求：除教材中的實例外，可以補充講解軟件硬件的講解，加深學員的知識面。特別是計算機發(fā)展中一些名人事跡介紹。教學內(nèi)容討論問題：1.微型計算機系統(tǒng)由哪幾部分組成？2.計算機更新?lián)Q代的主要技術指標是什么？內(nèi)容大綱：具體可結合本章的PPT課件進行配合講解。任務一認識計算機的發(fā)展和應用領域任務要求：了解計算機的發(fā)展和應用領域任務實現(xiàn)： 了解計算機的誕生及發(fā)展過程 1.電子計算機的產(chǎn)生1946年2月，電子數(shù)字積分計算機（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，ENIAC）在美國賓夕法尼亞大學研制成功，它是世界上第一臺通用電子計算機。這臺計算機共使用了18000多只電子管，1500個繼電器，耗電150kW，占地面積約167m2，重30t，每秒能完成5000次加法運算或400次乘法運算。2.電子計算機的發(fā)展介紹幾個名人：諾依曼查爾斯?巴貝奇霍華德?艾肯艾倫?圖靈（1）第一代計算機（1946—1959年），其主要特點是：邏輯元件采用電子管，功耗大，易損壞；主存儲器（主存）采用汞延遲線或靜電儲存管，容量很??；外存儲器（外存或輔存）使用了磁鼓；輸入/輸出裝置主要采用穿孔卡；采用機器語言編程，即用“0”和“1”來表示指令和數(shù)據(jù)；運算速度每秒僅為數(shù)千至數(shù)萬次。（2）第二代計算機（1960—1964年），其主要特點是：邏輯元件采用晶體管，與電子管相比，其體積小、耗電少、速度快、價格低、壽命長；主存儲器采用磁芯；外存儲器采用磁盤、磁帶，存儲器容量有較大提高；軟件方面產(chǎn)生了監(jiān)控程序（Monitor），提出了操作系統(tǒng)的概念，編程語言有了很大的發(fā)展，先用匯編語言（AssembleLanguage）代替了機器語言，接著又出現(xiàn)了高級編程語言，如FORTRAN、COBOL、ALGOL等；計算機應用開始進入實時過程控制和數(shù)據(jù)處理領域，運算速度達到每秒數(shù)百萬次。（3）IC），IC的體積更小，耗電更少，壽命更長；之前主存儲器以磁芯為主，從此時開始使用半導體存儲器，存儲容量大幅度提升；系統(tǒng)軟件與應用軟件迅速發(fā)展，出現(xiàn)了分時操作系統(tǒng)和會話式語言；程序設計采用了結構化、模塊化的設計方法，運算速度達到每秒千萬次以上。（4）第四代計算機（1970年至今），其主要特點是：邏輯元件采用了超大規(guī)模集成電路（VeryLargeScaleIntegration，VLSI）；主存儲器采用半導體存儲器，容量已達第三代計算機外存儲器的水平；作為外存的軟盤和硬盤的容量成百倍增加，并開始使用光盤；輸入設備出現(xiàn)了光字符閱讀器、觸摸輸入設備和語音輸入設備等，操作更加簡潔、靈活；輸出設備已逐步以激光打印機為主，字符和圖形輸出更加逼真、高效。（5）新一代計算機（FutureGenerationComputerSystem，F(xiàn)GCS），即未來計算機，其目標是要具有智能特性，具有知識表達和推理能力，能模擬人的分析、決策、計劃和其他智能活動，具有人機自然通信能力。3.微型計算機的發(fā)展（3）第三代（1978—1984年）是16位微處理器時代。（4）第四代（1985—1992年）是32位微處理器時代。4.計算機的發(fā)展趨勢（1）多極化（2）網(wǎng)絡化多媒體化（4）智能化5.計算機的應用領域（1）科學計算。（2）信息處理。（3）實時控制。（4）計算機輔助工程。（5）辦公自動化。（6）數(shù)據(jù)通信。（7）智能應用。任務二計算機系統(tǒng)的基本構成任務要求：了解現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的基本構成。相關知識：了解馮諾依曼計算機的結構和現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的構成圖圖馮·諾依曼計算機的基本結構1.馮諾依曼計算機（1）馮·諾依曼計算機的基本特征①采用二進制數(shù)表示程序和數(shù)據(jù)。②能存儲程序和數(shù)據(jù)，并能由程序控制計算機的運行。具備運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備5個基本部分（2）馮·諾依曼計算機的基本部件和工作過程計算機工作時，操作人員首先通過輸入設備將程序和數(shù)據(jù)送入存儲器中。啟動運行后，計算機從存儲器順序取出指令，送往控制器進行分析并根據(jù)指令的功能向各有關部件發(fā)出各種操作控制信號，最終的運算結果要送到輸出設備輸出。2.現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的構成一個完整的現(xiàn)代計算機系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分，微機系統(tǒng)也是如此。硬件包括了計算機的基本部件和各種具有實體的計算機相關設備；軟件則包括了用各種計算機語言編寫的計算機程序、數(shù)據(jù)和應用說明文檔等。（1）硬件系統(tǒng)圖微型計算機的硬件系統(tǒng)結構示意圖在微機系統(tǒng)中，主板由微處理器、存儲器、輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口、總線電路和基板組成。（2）軟件系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中，硬件是軟件運行的物質基礎，軟件是硬件功能的擴充與完善，沒有軟件的支持，硬件的功能不可能得到充分的發(fā)揮，因此軟件是使用者與計算機之間的橋梁。軟件可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大部分。任務三計算機的組成部件任務要求：了解現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的組成部件。相關知識：1.認識CPU的分類及技術指標2.了解存儲器的分類和組織結構3.掌握常見的總線標準4.認識常用的輸入及輸出設備任務實現(xiàn)：（一）CPU簡介國外主要有Intel公司的Pentium系列、DEC公司的Alpha系列、IBM和Apple公司的PowerPC系列等。Intel公司的X86產(chǎn)品占有較大的優(yōu)勢，主要的產(chǎn)品已經(jīng)從80486、Pentium、PentiumPRO、Pentium4、IntelPentiumD（即奔騰系列）、IntelCore2Duo，發(fā)展到了IntelCorei7等。國產(chǎn)CPU芯片如飛騰、龍芯、鯤鵬等也實現(xiàn)了群體性突破，為多元化的計算提供了新的選擇。CPU也從單核、雙核，發(fā)展到了4核、8核、16核、32核、64核。CPU中除了包括運算器和控制器外，還集成有寄存器組和高速緩沖存儲器。（二）存儲器的組織結構和分類1．存儲器的組織結構微機系統(tǒng)均采用了分層次的存儲器結構。一般可將存儲器分為三層：主存儲器（Memory）、輔助存儲器（Storage）和高速緩沖存儲器（Cache）。2.主存儲器主存儲器又稱內(nèi)存，CPU可以直接訪問它。其容量一般為4GB～8GB，存取速度可達6ns（1ns=10?9s），主要存放將要運行的程序和數(shù)據(jù)。3．輔助存儲器輔助存儲器屬于外部設備，也稱為外存，常用的有磁盤、光盤、磁帶等。磁盤分為軟磁盤和硬磁盤兩種（簡稱軟盤和硬盤）。常用總線標準數(shù)據(jù)總線的位數(shù)決定了計算機一次能傳送的數(shù)據(jù)量。在相同的時鐘頻率下，64位數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)傳送能力是8位數(shù)據(jù)總線的8倍?？刂瓶偩€的位數(shù)和所采用的CPU與總線標準有關。其傳送的信息一般為CPU向內(nèi)存和外設發(fā)出的控制信息、外設向CPU發(fā)送的應答和請求服務信號。（1）ISA總線。工業(yè)標準結構（IndustrialStandardArchitecture，ISA）總線。（2）EISA總線。EISA（ExtendISA，擴展ISA）總線。（3）總線。（4）PCI總線。外部設備互連（PeripheralControllerInterface，PCI）總線。（四）常用的輸入/輸出設備輸入/輸出設備又稱外部設備或外圍設備，簡稱外設。外設種類繁多，常用的外設有鍵盤、顯示器、打印機、鼠標、繪圖機、掃描儀、光學字符識別裝置、傳真機、智能書寫終端設備等。其中，鍵盤、顯示器、鼠標、打印機是目前用得較多的常規(guī)設備。1．鍵盤2．顯示器3．鼠標4．打印機5．標準并行和串行接口6．通用串行接口任務四課程思政以“中國十大最快的計算機”（/top/415666.html）為題，特別是“神威太湖之光”，安裝了40960個中國自主研發(fā)的神威26010眾核處理器，該眾核處理器采用64位自主申威指令系統(tǒng)，峰值性能3,168萬億次每秒。全球超級計算機500強榜單中，中國計算機的排名情況：2017年6月19日，全球超級計算機500強榜單公布，中國“神威·太湖之光”和“天河二號”第三次攜手奪得冠亞軍。2019年11月19日，新一期全球超級計算機500強榜單面世，中國超算“神威·太湖之光”和“天河二號”分列三、四位。2020年，中國超級計算機系統(tǒng)“神威·太湖之光”和“天河二號”分列榜單第四、第五位。中國入圍的超級計算機數(shù)量為226臺，占總體份額超過45%，位列世界第一。課后練習 查詢相關資料，了解下述計算機的發(fā)展。世界上第一