第一单元 任务1-2 计算机的分类、应用及工作原理（课件）-《计算机软件与硬件基础》（高等教育出版社）同步精品课堂

第一单元 任务1-2 计算机的分类、应用及工作原理 计算机软件与硬件基础 同步精品课堂 高等教育出版社 任务一 计算机的分类 任务二 计算机的应用 任务三 计算机的工作原理 掌握国家标准《机械制图》中有关图幅、比例、字体图线等基本规定。 教学目标 一 1、了解不同标准下的计算机分类 2、了解几种常见的计算机 3、了解计算机的应用 4、理解程序存储和程序控制的概念 5、掌握冯诺依曼原理 教学重难点 二 教学重点： 1、程序存储和程序控制 2、冯诺依曼原理 教学难点： 冯诺依曼原理 导入新课 三 思考：1、这些不同类型的计算机，它们的硬件组成是什么样子的？ 2、请尝试描述这些计算机的工作流程是什么样子的？ 工控机 ATM机 笔记本 计算机有不同的分类和应用，但有着相同的工作原理 任务一 计算机的分类 新知讲授 四 ①按用途可分为通用计算机和专用计算机 特点：能处理各种任务（上网、办公、游戏、编程等），靠安装不同软件实现不同功能。但针对特定任务可能不如专用设备快。 例子：个人电脑 通用计算机 专用计算机 特点：只为特定任务设计（比如挖比特币、自动驾驶、工业控制），硬件和软件都高度定制。执行特定任务时速度更快、能耗更低，但其他事完全干不了。 例子：ATM机、游戏主机、心电图仪、工业控制机等 通用机是“什么都能凑合干的全能选手”，专用机是“只把一件事做到极致的偏科生” 新知讲授 四 ②按规模和性能可分为巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机 巨型机 性能最强：计算速度极快，每秒可执行百亿亿次运算（比如模拟核爆炸、预测天气）。 体积庞大：像一整个房间或仓库那么大，耗电量惊人。 用途：国家级的科研、气象、军事等高端领域。 例子：中国的“天河”“神威”超级计算机，美国的“Frontier” 新知讲授 四 巨型机 也叫超级计算机，在运算速度、存储容量等方面远超普通计算机，用于需要大量复杂计算的任务，如气候变化模拟、自然灾害预测、航空航天、生物科学研究等。 美国的El Capitan 计算能力达到了百亿亿次级别 El Capitan 一秒内所完成的速度 全世界80亿人口用计算器不停地算几百万年 包含的数万个AMD芯片中封装了1100多万个CPU和GPU 内存容量高达5.4PB（1PB=1024TB） 新知讲授 四 巨型机 我国的超级计算机发展迅速，继银河系列后，推出了天河系列、曙光系列、神威系列，性能不断提升，处于世界领先地位。 神威.太湖之光 曾经连续多年排名世界第一 天河系列 曙光系列 新知讲授 四 ②按规模和性能可分为巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机 大型机 高可靠性：能24小时不间断运行几十年（比如银行交易、航空订票）。 体积较大：早期像衣柜，现在缩小到机柜大小。 多用户支持：同时让成千上万人访问（如银行系统、政府数据库）。 例子：IBM Z系列（运行银行核心系统）、航空公司订票系统。 新知讲授 四 ②按规模和性能可分为巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机 小型机 中等规模：性能介于大型机和微型机之间，支持几十到几百用户。 专用场景：企业级应用（如医院管理系统、大学服务器）。 逐渐被取代：现在多被高性能服务器或云计算替代。 例子：早期的IBM AS/400、DEC PDP系列。 新知讲授 四 ②按规模和性能可分为巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机 工作站 工作站是一种专为处理高性能计算任务、专业应用和大型项目而设计的计算机。它不同于普通的办公电脑（台式机）和游戏电脑，其核心价值在于极致的稳定性、强大的计算能力、专业的图形处理能力和巨大的扩展性。 例子：HP (惠普) - Z系列、Dell (戴尔) - Precision系列、Lenovo (联想) - ThinkStation & ThinkPad P系列、Apple (苹果) - Mac Pro 新知讲授 四 ②按规模和性能可分为巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机 微型机 体积小、价格低：适合个人或小团队使用（如PC、笔记本）。 灵活通用：办公、娱乐、编程都能干。 性能普通：无法处理超大规模任务。 例子：家用电脑、平板（广义上也属于微型机）。 新知讲授 四 微型机 也叫个人计算机，诞生于计算机发展的第四代。随着大规模集成电路的应用，美国Intel公司在1971年推出了世界上第一个字长4位的微处理器Intel 4004，为微型计算机的发展奠定了基础。 IBM公司在1981年采用主频为8MHz的Intel 8088处理器，生产了第一台微型计算机，将其命名为Personal Computer（PC），采用的操作系统是微软公司的MS-DOS。 在随后的数十年间，Intel公司和美国另一家著名的处理器制造商AMD公司陆续推出一系列微处理器，其字长经历了8位、16位、32位、64位的发展历程，主频不断提升，工艺尺寸越来越小，处理器架构不断优化，现在普遍采用多核结构，极大的提升了处理器的性能，推动微型机的快速发展。 目前，我国自主研发的龙芯、海光、飞腾、鲲鹏、兆芯、申威等处理器在性能上取得显著进展，为微型机以及其他计算机的国产化作出重要贡献。 新知讲授 四 ③按使用环境可分为服务器、客户机、嵌入式计算机。 服务器 功能：专门为其他计算机（客户机）提供服务的“后台大脑”，比如存储数据、运行网站、处理交易等。 性能：通常配置高、24小时不间断运行。 例子： Web服务器（如托管淘宝网站的机器）、 数据库服务器（存储用户信息的后台系统）、 游戏服务器（支撑多人联机的后台） 新知讲授 四 服务器 服务器用于在网络中处理来自客户机的服务请求，比普通微机具有更强大的性能、更高的可靠性、扩展性、安全性，配合相应的软件以及高速网络接口，可以提供文件共享、数据库存储、Web访问、邮件收发等各种服务。 随着云计算的发展，越来越多的服务器从部署在企业内部转向托管在云端的数据中心，由云计算服务商负责管理和维护。例如，阿里云在全国拥有超过百万台服务器，提供计算、存储、网络、安全、数据库、大数据、人工智能等服务。 新知讲授 四 ③按使用环境可分为服务器、客户机、嵌入式计算机。 客户机 功能：普通用户直接使用的设备，向服务器发送请求并接收结果。 依赖服务器：比如手机刷微博（客户端）需要连接微博的服务器获取内容。 例子：个人电脑、手机、平板 嵌入式计算机 功能：隐藏在设备内部，专精某个固定任务，通常没有键盘/屏幕。 低功耗、低成本：体积小，集成在硬件里，比如家电、汽车、工业设备。 例子：智能家居、汽车电子、工业设备（数控机床、电梯控制器） 新知讲授 四 嵌入式计算机 嵌入式计算机是一种专用的计算机系统，一般集成在其他设备中，例如家电、汽车、无人机、机器人、工业设备、农业设施、医疗仪器、军事装备等，用来实现特定的功能 实现设备的自动化管理 提高设备的智能化水平 任务二 计算机的应用 新知讲授 四 思考问题： 1、平时通常使用计算机做哪些事情？ 2、在公共场合中，你见过哪些计算机应用的例子？ 新知讲授 四 计算机的应用已渗透到各行各业，主要有以下7个方面： ①科学计算（数值计算） ②数据处理（信息处理） ③过程控制（实时控制） ④计算机辅助系统 ⑤人工智能（AI） ⑥网络与通信 ⑦多媒体应用 新知讲授 四 1、科学计算（数值计算） 在科学研究和工程技术中，有大量复杂的人工无法完成的计算问题，需要利用计算机进行数值分析、高性能计算、模拟与建模等。是计算机的传统应用领域，也是重要应用领域之一。 举例：卫星轨迹的计算、大规模天气预报、空气动力学模拟、药物设计、全球气候模型等。 特点：（1）计算量大； （2）数值变化范围广； 新知讲授 四 2、数据处理（信息处理） 数据处理是指对原始数据进行收集、存储、分类、加工、输出等处理过程，最终形成有用的信息。是目前计算机应用的主要领域。 举例：办公自动化（OA）、图书管理、会计电算化、金融数据分析、地理信息系统（GIS）、交通流量管理等 新知讲授 四 3、过程控制（实时控制） 过程控制是指计算机及时采集数据，将数据处理后，按最佳值迅速地对控制对象进行控制，提高了控制的自动化水平。 举例：数控机床、航天飞机升天、石油炼制过程、发电厂运行监控、交通灯控制 功能 优势 应用趋势 采集运行参数，监控分析，通过算法调节（精确控制、模糊控制） 提高生产效率、控制精准性、稳定性及可靠性 结合物联网、人工智能、大数据等技术，向自动化、智能化发展 采用分布式控制系统（模块化、冗余设计），提升自动化水平。 改善劳动条件，提升质量，节能降本 推动新质生产力升级，广泛应用于各领域 新知讲授 四 4、计算机辅助系统 计算机辅助系统是指利用计算机技术对各个专业领域的工作进行支持、模拟、优化等。 计算机辅助设计 CAD 计算机辅助制造 CAM 计算机辅助测试 CAT 计算机辅助工程 CAE 计算机辅助教学 CAI 新知讲授 四 5、人工智能（AI） 人工智能是指计算机模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程，是计算机应用研究的前沿科学。 举例：机器人、自动驾驶、自然语言处理、计算机视觉、游戏AI等。 目前流行的AI应用：deepseek、豆包、ChatGPT、自动驾驶、智能家居、人脸识别、AI绘画等 新知讲授 四 6、网络应用 网络与通信自20世纪60年代诞生，20世纪90年代以来飞速发展，由计算机技术和现代通信技术支持，已渗透到人们生活和工作的每一个角落。 举例：信息检索、电子商务、远程教育、协作办公、视频会议、在线游戏、移动支付、远程医疗、物联网等 新知讲授 四 7、多媒体应用 多媒体应用集文字、声音、图像、视频、通信等多项技术于一体，采用计算机的数字记录和传输传送方式，对各种媒体进行处理，具有广泛的用途。 举例：互动电视、数字图书馆、视频监控、虚拟现实VR与增强现实AR等。 新知讲授 四 序号 应用领域 举例 说明 1 科学计算 天气预报 基于流体力学、热力学等建立大气运动变化的数学模型，通过卫星、雷达、地面站等获取大气数据后，利用高性能计算机进行大量的数值计算，模拟大气运动，预测未来天气的发展状况，提供准确的天气预报。 2 科学计算 空气动力学模拟 通过数值方法求解非线性的流体力学方程，模拟、分析空气流动与物体之间的相互作用，用于设计优化飞行器；计算汽车外形和气流的关系以减少空气阻力，提升稳定性；模拟建筑物在强风作用下的结构安全性等。 3 数据处理 仓储管理 对仓库及库存物品进行管理，包括入库登记、上架管理、库存盘点、拣选发货、补货管理、温湿度监控、货物追溯等，以确保供应链的高效运作。 4. 人工智能 机器人 一种自动执行工作的机器装置，以取代或协助人类工作，例如，用于焊接、装配、搬运的工业机器人；用于清洁、导览、护理的服务机器人；用于播种、施肥、收割的农业机器人；用于水下探测、空间探索、灾害救援的特种机器人等。 5 计算机辅助系统 CAD 利用计算机技术对设计进行创建、分析、修改，例如，设计机械设备、绘制建筑图纸、创建三维模型、设计电路板布局、设计产品外形等。借助相应的软件，可以快速检索、快速生成图纸、进行图形的编辑、缩放、旋转等。 6 网络应用 多媒体应用 人工智能 远程医疗 为患者提供在线咨询诊断、影像传输、健康监测、远程手术等服务，可以充分发挥发挥大医院的医疗优势，为边远地区、交通不便的患者提供高质量的服务，改变就医方式，使医疗服务更加便捷高效。 7 过程控制 人工智能 网络应用 智能农业系统 借助传感器监测各类农业环境参数，对大棚的温度、温度、光照等进行控制，自动供应水分、养分，精确喷洒农药、肥料，识别作物生长以及病虫害预警，实现农业生产过程的精细化管理，提高农产品质量。 任务实施步骤4：整理计算机的应用领域 任务三 计算机的工作原理 新知讲授 四 思考问题： 请大家回忆从座位起身到开水间处打完开水后，再回到教室座位上，整个过程可以分解成那些动作？ 请在草稿纸上用带箭头的流程图来画出打开水的整个动作。 新知讲授 四 拿杯子 起身 走去接水处 拧开杯盖 接水 拧回杯盖 走回教室 坐下 计算机完成某个操作所发出的命令就称为指令。 选用一条条的指令进行有序的排列，这一指令序列就称为程序。 （指令1） （指令2） （指令3） （指令4） （指令5） （指令6） （指令7） （指令8） 新知讲授 四 探究现代计算机究竟是怎么工作的 1.早期的计算机设计中，程序和数据是分开的，数据放在存储器中，而程序是控制器的一部分，比如ENIAC，每一次编程都要进行大量的旋钮和接插线的位置组合，也就是程序是作为硬件存在的，这样的计算机计算效率低、灵活性差。 2.在冯·诺依曼结构中，程序是以数据的形式存在的，程序与数据一起存放在存储器中，要执行某个程序，事先把该程序及其所需的数据存入存储器，然后从存储器中依次取出指令，送入控制器执行，这样的设计将程序从硬件实现转换为软件实现，实现了硬件设计和软件设计的分离，大大促进了计算机的发展，这就是冯·诺依曼思想的核心——程序存储和程序控制。 程序指令和数据以二进制形式存储在计算机的存储器（内存）中 CPU通过指令周期自动按序执行存储器中的程序指令 新知讲授 四 早期的计算机是由各种门电路组成的，这些门电路通过组装出一个固定的电路板，来执行一个特定的程序，一旦需要修改程序功能，就要重新组装电路板，程序在硬件层面是“写死”的。所以早期的程序是硬件化的。 例如 早年“Plugboard”这种插线板计算机，在板子上不同的插头或者接口的位置插入线路实现不同功能。这样的计算机“可编程”，但编写好的程序不能存储下来供下一次加载使用，不得不每次要用到和当前不同的“程序”的时候，重新插板子，重新“编程”。 编写好的程序不能存储下来供下一次加载使用，不得不每次要用到和当前不同的“程序”的时候，重新插板子，重新“编程”。 新知讲授 四 这样的编程有何弊端？ 编写好的程序不能存储下来供下一次加载使用，不得不每次要用到和当前不同的“程序”的时候，重新插板子，重新“编程”。 效率低下。 为了效率，有了“存储程序计算机”。冯诺依曼在秘密开发的EDVAC写了一篇报告First Draft of a Report on the EDVAC，描述了一台计算机什么样。 新知讲授 四 冯.诺依曼结构中，将程序和数据一样看待，将程序编码为数据，然后与数据一同存放在存储器中，这样计算机就可以调用存储器中的程序来处理数据了。无论什么程序，最终都是会转换为数据的形式存储在存储器中，要执行相应的程序只需要从存储器中依次取出指令、执行，冯.诺依曼结构的灵魂所在正是这里：减少了硬件的连接，这种设计思想导致了硬件和软件的分离，即硬件设计和程序设计可以分开执行。 冯.诺依曼结构消除了原始计算机体系中，只能靠硬件控制程序的状况，将程序编码存储在存储器中，实现了可编程的计算机功能，实现了硬件设计和程序设计的分离，大大促进了计算机的发展。 新知讲授 四 约翰·冯·诺依曼（John von Neumann，1903年12月28日-1957年2月8日），美籍匈牙利数学家、计算机科学家、物理学家，是20世纪最重要的数学家之一。冯·诺依曼是罗兰大学数学博士，是现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等领域内的科学全才之一，被后人称为“现代计算机之父”、“博弈论之父”。 新知讲授 四 (1)计算机硬件设备由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成； (2)计算机内部采用二进制 (3)程序存储和程序控制。（核心思想） 控制器 存储器 输出设备 输入设备 运算器 控制信息 数据或指令 如果要执行某个程序，应事先把该程序及其所需的数据通过输入设备输入计算机，存储在存储器中。计算机运行时，先从存储器中取出程序的第一条指令送入控制器，控制器经过译码，按照指令的要求，从存储器中取出数据并送入运算器进行指定运算，运算的中间结果也存入存储器，也存入存储器。接着，从存储器中取出下一条指令，在控制器的控制下完成规定操作。重复以上过程，依次执行各条指令，直到程序结束。在这个过程中，最终结果由存储器送往输出设备进行输出。各部件之间传递的信息有两种：一种是数据或指令；另一种是控制信息。 师生互动 五 1、计算机有哪几种分类方式 2、计算机有哪几种应用 3、简要描述程序存储和程序控制 答案： 1、按用途、按规模、按使用环境 2、科学计算、数据处理、过程控制、计算机辅助系统、人工智能、网络应用、多媒体应用 3、程序和数据一起存在存储器中，CPU按序执行指令 随堂练习 六 1 、学校机房内使用的电脑属于( )。 A.巨型机 B.大型机 C.小型机 D.微型机 答案：D 解析：个人PC属于微型机，服务器属于小型机。 随堂练习 六 2 、银行自动取款机（ATM）属于( ) A．专用计算机 B．通用计算机 C．混合计算机 D．模拟计算机 答案：A 解析：ATM机专门用来完成存取款相关业务，属于专用计算机。 随堂练习 六 3 、在计算机的应用领域中，( )是计算机应用研究的前沿科学。 A.网络与通信 B.人工智能 D.过程控制 C.多媒体应用 答案：B 解析：人工智能是计算机应用研究的前沿科学。 随堂练习 六 4 、（多项选择题）计算机网络通信技术正在以人们意想不到的速度迅速发展着，Internet也逐渐渗透到人生活和工作的每一个角落，计算机网络包括( ) A.计算机技术 B.多媒体技术 C.现代通信技术 D.自动化技术 答案：AC 解析：计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。 随堂练习 六 5 、被人们称为“现代电子计算机之父”的是美籍匈牙利科学家( ) A.图灵 B.乔布斯 C.比尔·盖茨 D.冯.诺依曼 答案：D 解析：美籍匈牙利科学家冯·诺依曼被人们称为“现代电子计算机之父” 随堂练习 六 6 、(是非选择题)人们用机器自身所具有的指令编排的指令序列，即程序，也是以数据的形式由存储器送入控制器。( ) A.正确 B.错误 答案：A 解析：人们用机器自身所具有的指令编排的指令序列，即程序，也是以数据的形式由存储器送入控制器 随堂练习 六 7、(是非选择题)计算机硬件设备由运算器、控制器、寄存器、存储器、输入设备和输出设备组成。( ) A.正确 B.错误 答案：B 解析：计算机硬件设备由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成 随堂练习 六 8、嵌入式计算机是一种 的计算机系统，一般 在其他设备中，例如家电、汽车、无人机、 、工业设备、农业设备、医疗仪器、 等，用来实现特定的功能。 答案：专用 集成 机器人 军事装备 解析：嵌入式计算机是一种专用的计算机系统，一般集成在其他设备中，例如家电、汽车、无人机、机器人、工业设备、农业设备、医疗仪器、军事装备等，用来实现特定的功能。 课堂小结 七 谢谢 $