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1 教学内容
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2 教学视频
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3 作业和测验
本节教学内容：
1、硬件和软件的概念、计算机组成和计算机体系结构的不同
2、计算机系统的层次结构、工作的过程
3、硬件的主要技术指标
教学目的和要求：
1、了解课程的基本概况、目标及要求；
2、了解计算机的软硬件概念、计算机系统的层次结构；
3、理解计算机的硬件框图和工作步骤；
4、掌握计算机硬件的主要技术指标。
重点：1、让学生第一节课就了解这门课程的教学大纲及评价方式，利于以后进行课堂管理；
2、计算机的基本硬件组成；
3、硬件的主要技术指标。
难点：计算机的工作过程
第1讲计算机系统的结构
一、知识要点
1、硬件和软件的概念
2、计算机组成和计算机体系结构的不同
3、计算机系统的层次结构
二、教学安排
首先，介绍计算机软硬件的概念，然后对计算机系统的层次结构进行讲解，明确本课程主要内容是围绕计算机的M0和M1两个层次组成原理及设计思想讲授，区分计算机体系结构的不同；然后，逐一详细介绍硬件的主要技术指标和计算机的工作过程。
三、教学内容
1、计算机的发展历程
第一台电子计算机ENIAC诞生于1946年美国宾夕法尼亚大学。ENIAC用了18000电子管，1500继电器，重30吨，占地170m2，耗电140kw，每秒计算5000次加法。冯•诺依曼(VanNeumann)首次提出存储程序概念,将数据和程序一起放在存储器，使编程更加方便。50年来，虽然对冯•诺依曼机进行很多改革，但结构变化不大，仍称冯•诺依曼机。一般把计算机的发展分为五个阶段：
2、计算机的分类
1）电子计算机从总体上来说分为两大类。
电子模拟计算机。“模拟”就是相似的意思。模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。
电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。
数字计算机与模拟计算机的主要区别如下表：
2）数字计算机分类
数字计算机根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类：
专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性很差。
通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。
通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为：超级计算机、大型机、服务器、工作站、微型机、单片机，如下图：
3、计算机的软硬件概念
计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成，即计算机系统 = 硬件系统 + 软件系统。硬件：有形的设备实体；软件：各类程序和文件；硬件、软件在逻辑上等价，软件与硬件的结合，构成完整的计算机系统。
计算机软件的组成于分类如下：
计算机硬件主要指计算机的实体部分,通常有运算器,控制器,存储器,输入和输出五部分。
4、计算机的层次结构
现代计算机的解题过程如下：
通常由用户用高级语言编写程序（称为源程序），然后将它和数据一起送入计算机内，再由计算机将其翻译成机器能识别的机器语言程序（称为目标程序），机器自动运行该机器语言程序，并将计算结果输出。其过程如下图所示：
计算机不能简单地认为是一种电子设备，而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。它通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计（如图所示）
五级计算机层次系统：
第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微指令。如果某一个应用程序直接用微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。
第二级是一般机器级，也称为机器语言级，它由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。
第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。
第四级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写时，则机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。
第五级是高级语言级，它是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译程序支持和执行。
5、冯•诺依曼计算机的特点
数学家冯·诺依曼(von Neumann)在研究EDVAC机时提出了“储存程序”的概念。以此为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机。它有如下特点：
①计算机由运算器，控制器，存储器，输入和输出五部分组成；
②指令和数据以同等的地位存放于存储器内，并可按地址寻访；
③指令和数据均用二进制数表示；
④指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数在存储器中的位置；
⑤指令在存储器内按顺序存放；
⑥机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。
典型的冯·诺依曼计算机是以运算器为中心的，如下图所示：
现代的计算机已转化为以存储器为中心，如下图所示：
图中各部件的功能
·运算器用来完成算术运算和逻辑运算并将的中间结果暂存在运算器内
·存储器用来存放数据和程序
·控制器用来控制,指挥程序和数据的输入,运行以及处理运行结果
·输入设备用来将人们熟悉的信息转换为机器识别的信息
·输出设备将机器运算结果转为人熟悉的信息形式
计算机的五大部件（又称五大子系统）在控制器的统一指挥下，有条不紊地自动工作。
由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现后，这两大部件往往集中在同一芯片上，因此，通常将它们合起来统称为中央处理器（CPU）。把输入设备与输出设备简称为I/O设备。
这样，现代计算机可认为由三大部分组成：CPU、I/O设备及主存储器，如下图所示。CPU与主存储器合起来又可称为主机，I/O设备又可称为外部设备。
四、互动及练习
本次课采用提问的互动方式：
1、什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？
请同学们自己谈谈对计算机软硬件的了解，以此引出计算机软硬件概念，以及计算机的软硬件结构。
2、如何理解计算机的层次结构？
同学们对计算机的层次认识有可能会误认为是对硬件部分的划分，通过这个问题引出计算机整个系统的层次应该是软硬件整体的一个划分，并由此引出本门课程主要是讲授硬件层次的内容。
第2讲 计算机的工作步骤
一、知识要点
1、计算机的工作步骤
2、计算机硬件的主要技术指标
3、计算机的特点
二、教学安排
以解题为例讲解计算机是如何工作的，详细讲解计算机解题的步骤，在每个步骤中，计算机中各硬件部分是如何工作的，相互之间怎么配合，再引出指令、寄存器等之前学生没有接触过的概念，这部分重在让学生理解整个工作过程，后续知识的讲解都跟这个过程有或多或少的关系。
三、教学内容
1、计算机的工作步骤
用计算机解决一个实际问题通常包含两大步骤。一是上机前的各种准备，另一个是上机运行。
（一）上机前的准备
1）建立数学模型
根据研究对象变化规律来找到一系列反映研究对象变化规律的数学方程组，这类方程组称为被研究对象变化规律的数学模型。
2）确定计算方法
由于数学模型中的数学方程式往往是很复杂的，欲将其变成适合计算机运算的加、减、乘、除四则运算，还必须确定对应的计算方法。
例如，欲求
的值或者求开方x，只能采用近似计算方法，用四则运算的式子来求得。
3）编制解题程序
程序——运算的全部步骤
指令——每一个步骤
例如，计算ax2 + bx + c = (ax + b)x + c
计算 ax2 + bx + c程序清单，设某机的指令长为16位，其中操作码占6位，地址码占10位，可用机器指令编写出一份运算的程序清单，如下图中所示：
（二）计算机的解题过程
为了比较形象地了解计算机的工作过程，首先分析一个更细化的计算机组成框图，如下图所示：
执行指令的过程 在控制器的控制下,完成以下三个阶段任务:
取指令阶段 按照程序计数器取出指令,程序计数器加一
指令译码阶段 分析操作码,决定操作内容,并准备操作数
指令执行阶段 执行操作码所指定内容
1）存储器的基本组成
2）运算器的基本组成及操作过程
运算器最少包括3各寄存器和一个算术逻辑单元（ALU）。其中ACC为累加器，MQ为乘商寄存器，X为操作数寄存器。
设：M表示存储器的任一地址号，［M］表示对应M地址号单元中的内容；［X］表示X寄存器中的内容；［ACC］表示累加器中的内容；［MQ］表示乘商寄存器中的内容。
假设ACC中已存有前一时刻的运算结果，并作为下述运算中的一个操作数，则加法操作过程为：
减法过程为：
乘法操作过程为：
除法操作过程为：
3）控制器的基本组成
4）I/O子系统包括各种I/O设备及其相应的接口。每一种I/O设备都由I/O接口与主机联系，它接收CU发出的各种控制命令，并完成相应的操作。
5）主机完成一条指令的过程，以取数指令为例，流程图如下：
6）ax2 + bx + c 程序的运行过程
2、计算机的性能指标
1）机器字长：CPU一次能处理数据的位数，与CPU中的寄存器位数有关。
2）运算速度：有主频、MIPS、CPI、FLOPS等几种衡量方式。
CPU时钟周期：机器主频的倒数,TC
主频：CPU工作主时钟的频率,机器主频Rc
CPI：执行一条指令所需要的平均时钟周期
3）存储容量：存放二进制信息的总位数，分为主存和辅存。
3、计算机的特点
1.能自动连续工作 2.运算速度快
3.运算精度高 4.具有很强的信息存储能力
5.通用性强，应用领域广泛
四、互动及练习
本次课采用提问的互动方式：
1、计算机各部件的作用是什么？
请同学们自己谈谈对计算机个部分的了解，以此引出计算机的工作过程及各个部分作用的讲解。
2、计算机系统的主要技术指标？
同学们平时有用到一些指标，看他们对这些指标真正的意义是否了解，这些指标是后续会常用到的，因此可以通过讨论让他们熟悉掌握。
