大學(xué)計算機基礎(chǔ)（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(xué)目標(biāo)認(rèn)識計算機的發(fā)展歷程計算機的應(yīng)用領(lǐng)域計算機的組成及各部分的功能教學(xué)重點計算機的特點、應(yīng)用和分類教學(xué)難點計算機的組成及各部分的功能教學(xué)設(shè)計教學(xué)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(rèn)識計算機的特點、應(yīng)用和分類；（2）講解計算機的基本構(gòu)成和計算機的組成部件。教學(xué)手段：（1）通過演示講解基礎(chǔ)知識，講解結(jié)束后通過課后練習(xí)鞏固所學(xué)知識；（2）對于重點內(nèi)容著重講解。教學(xué)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(xué)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(xué)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(shù)指標(biāo)是什么？內(nèi)容大綱：具體可結(jié)合本章的PPT課件進行配合講解。任務(wù)一認(rèn)識計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域任務(wù)要求：了解計算機的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域任務(wù)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(xué)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?。煌獯鎯ζ鳎ㄍ獯婊蜉o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(yīng)用開始進入實時過程控制和數(shù)據(jù)處理領(lǐng)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(dǎo)體存儲器，存儲容量大幅度提升；系統(tǒng)軟件與應(yīng)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(shè)計采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)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(dǎo)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(shè)備出現(xiàn)了光字符閱讀器、觸摸輸入設(shè)備和語音輸入設(shè)備等，操作更加簡潔、靈活；輸出設(shè)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(biāo)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(luò)化多媒體化（4）智能化5.計算機的應(yīng)用領(lǐng)域（1）科學(xué)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(yīng)用。任務(wù)二計算機系統(tǒng)的基本構(gòu)成任務(wù)要求：了解現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的基本構(gòu)成。相關(guān)知識：了解馮諾依曼計算機的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的構(gòu)成圖圖馮·諾依曼計算機的基本結(jié)構(gòu)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(shè)備和輸出設(shè)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(shè)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(guān)部件發(fā)出各種操作控制信號，最終的運算結(jié)果要送到輸出設(shè)備輸出。2.現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的構(gòu)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(guān)設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(zhì)基礎(chǔ)，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(yīng)用軟件兩大部分。任務(wù)三計算機的組成部件任務(wù)要求：了解現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的組成部件。相關(guān)知識：1.認(rèn)識CPU的分類及技術(shù)指標(biāo)2.了解存儲器的分類和組織結(jié)構(gòu)3.掌握常見的總線標(biāo)準(zhǔn)4.認(rèn)識常用的輸入及輸出設(shè)備任務(wù)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(jié)構(gòu)和分類1．存儲器的組織結(jié)構(gòu)微機系統(tǒng)均采用了分層次的存儲器結(jié)構(gòu)。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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。其傳送的信息一般為CPU向內(nèi)存和外設(shè)發(fā)出的控制信息、外設(shè)向CPU發(fā)送的應(yīng)答和請求服務(wù)信號。（1）ISA總線。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（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(shè)備互連（PeripheralControllerInterface，PCI）總線。（四）常用的輸入/輸出設(shè)備輸入/輸出設(shè)備又稱外部設(shè)備或外圍設(shè)備，簡稱外設(shè)。外設(shè)種類繁多，常用的外設(shè)有鍵盤、顯示器、打印機、鼠標(biāo)、繪圖機、掃描儀、光學(xué)字符識別裝置、傳真機、智能書寫終端設(shè)備等。其中，鍵盤、顯示器、鼠標(biāo)、打印機是目前用得較多的常規(guī)設(shè)備。1．鍵盤2．顯示器3．鼠標(biāo)4．打印機5．標(biāo)準(zhǔn)并行和串行接口6．通用串行接口任務(wù)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(xí) 查詢相關(guān)資料，了解下述計算機的發(fā)展。世界上第一