第1章 计算机基础知识 主讲教师：徐东雨 cmudy@126.com www.cmu.edu.cn/computer

本章知识点 计算机的分类、特点及应用 了解云计算及大数据 计算机硬件和软件系统组成 微机常用硬件及性能指标 信息编码方法

1.1计算机的基本概念 1 计算机的发展 2 计算机的分类 3 计算机的主要特点 4 计算机的主要用途

1、计算机的发展 世界第一台电子计算机“ENIAC” 计算机的创始人，莫奇利和他的学生爱克特

按其结构中采用的主要电子元器件划分，一般分成4个时代。 第一代计算机、电子管时代（1946年～1957年） 第二代计算机、晶体管时代（1958年～1964年） 第三代计算机、集成电路时代（1965年～1970年） 第四代计算机、超大规模集成电路时代（1971年～至今） 电子管计算机 第一台晶体管计算机 大型计算机

超级计算机： 超级计算机是一个国家综合国力的体现。2013年6月17日国际TOP500组织公布了最新全球超级计算机500强排行榜榜单，中国国防科学技术大学研制的“天河二号”以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度，成为全球最快的超级计算机。此次是继天河一号之后，中国超级计算机再次夺冠。

微型计算机的发展： 霍夫和Intel 4004 8位微处理器8080 APPLEⅡ计算机 IBM与“PC机” PC之父 当前计算机技术正朝着巨型化、微型化、网络化、智能化、多功能化和多媒体化的不同方向发展。

计算机的分类 ： 1．超级计算机或称巨型机 2．小超级机或称小巨型机 3．大型主机 4．小型机 5．工作站 6．个人计算机或称微型机 7．专用计算机 8. 模块化计算机 9．服务器

计算机的主要特点： 1. 快速的运算能力 2. 超强的记忆能力 3. 足够高的计算精度 4. 复杂的逻辑判断能力 5. 通用性强

计算机的主要用途： 1.科学计算 2. 数据处理 3. 过程控制 4. 计算机辅助系统 5. 人工智能 6. 计算机网络 7. 多媒体计算机系统 8. 虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR） 9. 云计算（Cloud Computing） 10. 大数据

1.2 计算机系统的组成 1 硬件系统 2 软件系统 3 计算机中数据存储概念

计算机系统 硬件系统 软件系统 主机 外设 系统软件 应用软件 中央处理器CPU 内存 控制器 运算器 ROM（只读存储器） RAM（读写存储器） Cache（高速缓冲存储器） 输入设备—键盘、鼠标、扫描仪等 输出设备—显示器、打印机、音响等 外存—硬盘、光盘、闪存等 操作系统 编译程序和解释程序 数据库管理 各种字处理系统   各种软件包

1、硬件系统 冯·诺依曼”体系结构计算机

运算器和控制器 : 运算器被集成在CPU中，用来进行数据处理，其功能是完成数据的算术运算和逻辑运算。控制器也被集成在CPU中，其功能是进行逻辑控制，它可以发出各种指令，以控制整个计算机的运行，指挥和协调计算机各部件的工作。 运算器和控制器合称为中央处理单元，即Central Processing Unit，简称CPU。CPU是整个计算机系统的中枢，它通过对各部分的协同工作，实现数据的分析、判断和计算等操作，以完成程序所指定的任务。

存储器 : 存储器用来存放计算机中的数据，存储器分为内存储器和外存储器。内存储器又叫内存，其容量小、速度快，用于存放临时数据；外存储器的容量大、速度慢，用于存放计算机中暂时不用的数据。外存储器的代表就是每台电脑必备的硬盘。

输入设备: 输入设备是指将数据输入到计算机中的设备，人们要向电脑发出指令，就必须通过输入设备进行。在计算机产生初期，输入设备是一台读孔的机器，它只能输入“0”和“1”两种数字。随着高级语言的出现，人们逐渐发明了键盘、鼠标、扫描仪和手写板等输入设备，使数据输入变得简单也更容易操作了。 输出设备: 输出设备负责将计算机处理数据的中间过程和最终结果以人们能够识别的字符、表格、图形或图像等形式表示出来。最常见的输出设备有显示器、打印机等，现在显示器已成为每台计算机必配的输出设备。

2、软件系统 软件是指计算机系统中使用的各种程序，而软件系统是指控制整个计算机硬件系统工作的程序集合。 计算机软件系统一般可分为系统软件和应用软件两大类。 常用的系统有DOS操作系统、WINDOWS操作系统、UNIX操作系统和Linux、Netware等操作系统 应用软件（application software）是用户可以使用的各种程序设计语言，以及用各种程序设计语言编制的应用程序的集合，分为应用软件包和用户程序。

指令、程序与计算机语言： 指令是计算机执行某种操作的命令。由操作码和地址码组成。其中操作码规定操作的性质。地址码表示操作数和操作结果存放的地址。 （1）机器语言。 （2）汇编语言。 （3）高级语言。

3、计算机中数据存储概念 （1）位（b） 位是计算机中存储数据的最小单位。指二进制数中的一个位数，其值为“0”或“1”，其英文名为“bit”。 （2）字节(B) 字节是计算机存储容量的基本单位，计算机存储容量的大小是用字节的多少来衡 量的。其英文名为“byte”，通常用“B”表示。采用8位为1个字节，即1个字节由8个二进制数位组成。 （3）字(word) 字是计算机内部作为一个整体参与运算、处理和传送的一串二进制数。是计算机进行信息交换、处理、存储的基本单元。通常由一个或几个字节组成。

3、计算机中数据存储概念 （4）字长 字长是计算机CPU一次处理数据的实际位数，是衡量计算机性能的一个重要指标。字长越长，一次可处理的数据二进制位越多，运算能力就越强，计算精度就越高。 （5）存储容量 存储容量是衡量计算机存储能力的重要指标，是用字节（B）来计算和表示的。除此之外，还常用KB、MB、GB、TB作为存储容量的单位，其换算关系如下： 1B=8b；1KB=1024B；1MB=1024KB；1GB=1024MB；1TB=1024GB；1PB=1024TB。

1.3 微型计算机的硬件组成 1 CPU 、内存、接口与总线 2 常用外部设备 3 微型计算机的主要性能指标及配置 1

微型计算机硬件结构图 微处理器   输入 设备 地址总线 AB 数据总线 DB 控制总线 CB 输出 接口 存储器

1、 CPU 、内存、接口与总线 （1）中央处理器 中央处理器（CPU）是计算机的核心。是指由运算器和控制器以及内部总线组成的电子器件，简称微处理器。CPU内部结构大概可以分为控制单元、运算单元、存储单元和时钟等几个主要部分。CPU 的主要功能是控制计算机运行指令的执行顺序和全部的算术运算及逻辑运算操作。其性能的好坏是评价计算机最主要的指标之一。

1、 CPU 、内存、接口与总线 （2）存储器 存储器是用来存放计算机程序和数据的设备。 随机存储器（RAM） 内存 存储器 外存 磁盘存储器 只读存储器（ROM） 磁带存储器 光盘存储器 U盘存储器 硬磁盘存储器 软磁盘存储器

1、 CPU 、内存、接口与总线 （3）主板与主板芯片组 计算机主板上设计集成了多组连接各种器件的信号线，统称总线，主板的配置将决定计算机的性能和档次。其核心是主板芯片组，它决定总线类型、规模、功能、工作速度等各项综合指标。 （4）系统总线 总线（bus）是微型计算机内部件之间、设备之间传输信息的公用信号线。总线的特点在于其公用性。可以形象地比作是从CPU出发的高速公路。 系统总线包括集成在CPU内部的内部总线和外部总线。 （5）输入输出接口 输入输出接口又称I/O接口。目前主板上大都集成了COM串行接口，LPT打印机接口，PS2鼠标接口、USB外设接口等。少数计算机集成了IEEE1394接口，高清视频接口等。

2、常用外部设备 计算机输入与输出设备是指人与计算机之间进行信息交流的重要部件。输入设备是指能够把各种信息输入到计算机中的部件，如键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等。输出设备是指能够把计算机内运算的结果输出并显示（打印）出来的设备，如显示器、打印机、音箱等。 网络适配器 路由器 扫描仪 3D 打印机（3D Printers） 显示器与显示卡（适配器）

2、常用外部设备 网络适配器 又称网卡。网卡是组成计算机网络的重要部件，网卡通过专用的网线（同轴电缆、双绞线等）把多台计算机连接起来组成局域网络。其主要的功能是界定网络地址，管理网络通信，共享网络资源。 路由器 路由器（Router）又称网关设备（Gateway）是用于连接多个逻辑上分开的网络，当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器的路由功能来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择IP路径的功能，它能在多网络互连环境中，建立灵活的连接。

2、常用外部设备 3D打印机（3D Printers） 3D打印机是一位名为恩里科·迪尼（Enrico Dini）的发明家设计的一种神奇的打印机，它不仅可以“打印”出一幢完整的建筑，甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品的形状。3D打印机，运用粉末状金属或朔料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及3D打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。

3、微型计算机的主要性能指标及配置 一台微型计算机功能的强弱或性能的好坏，不是由某项指标来决定的，而是由它的系统结构、指令系统、硬件组成、软件配置等多方面的因素综合决定的。但对于大多数普通用户来说，可以从以下几个指标来大体评价计算机的性能。 运算速度:一般以每秒完成多少次运算来度量。当今计算机的运算速度可达每秒万亿次。 字长:字长是CPU一次可以处理的二进制位数，字长有8位、16位、32位和64位等。字长越长，表示一次读写和处理的数的范围越大，处理数据的速度越快，计算精度越高。

3、微型计算机的主要性能指标及配置 主存储器容量:主存储器Mainmemory简称主存。是计算机硬件的一个重要部件，其作用是存放指令和数据，并能由中央处理器（CPU）直接随机存取。 输入输出数据传输速率: 输入输出数据传输速率决定了可用的外设和与外设交换数据的速度。提高计算机的输入输出传输速率可以提高计算机的整体速度。 可靠性: 可靠性指计算机连续无故障运行时间的长短。可靠性好，表示无故障运行时间长。 兼容性:如果原来为低档机开发的软件不加修改便可以在它的高档机上运行和使用，则称此高档机为向下兼容。

1.4 信息编码 1 数值在计算机中的表示形式 2 字符编码 3 医学虚拟现实实验室建设方案案例 1

1、数值在计算机中的表示形式 （1）十进制数。 人类其实习惯使用十进制表示数。十进制有0～9十个数字，两个十进制数运算时遵循“逢十进一”的计算规律。 （2）二进制数。 二进制数只有0和1两个计数符号，其进位的基数是2，遵循“逢2进1”的进位规则。 （3）二进制数与十进制数的转换。

2、字符编码 （1）字符编码 字符编码（Character encoding）是把字符集中的字符编码为指定集合中某一对象，以便文本在计算机中存储和通过通信网络的传递。常见的例子包括将拉丁字母表编码成摩斯电码和ASCII。其中，ASCII将字母、数字和其它符号编号，并用7比特的二进制来表示这个整数。

2、字符编码 （2）汉字编码 汉字编码（Chinese character encoding） 为汉字设计的一种便于输入计算机的代码。由于电子计算机现有的输入键盘与英文打字机键盘完全兼容。因而如何输入非拉丁字母的文字（包括汉字）便成了多年来人们研究的课题。 汉字信息处理系统一般包括编码、输入、存储、编辑、输出和传输。编码是关键。不解决这个问题，汉字就不能进入计算机。

1.5 计算机在生命科学领域中的应用 进入21世纪以来，计算机在医药信息科学和生命科学中的应用产生了巨大而深远的影响。例如计算机在卫生信息系统中的建设与应用，医学诊断、治疗，教学科研，远程医疗，区域医疗，医学影像诊疗，电子病历，医学检验，新药开发，数字人体三维重构等方面越来越多的采用数字化的技术手段。数字化的诊疗设备，计算机化、网络化、智能化的信息处理方式，用来研究解决生命科学方面的问题，已取得了世人瞩目的成果和进展。 计算机在医学生物工程、分子生物、基因治疗、遗传和发育、基因克隆研究等方面更是发挥了巨大的作用，许多研究成果给医学进步和生命科学进展带来深刻影响。

本章小结 通过本章的学习，旨在使学生全面了解和掌握计算机技术和信息技术应用的基本概念，简要了解计算机系统、信息系统的历史、现状及未来发展趋势、计算机技术在生命科学领域中的应用。为学生树立明确的计算机技术和信息技术的应用方向，为其打造科学、坚实、系统的IT知识结构，培养其分析解决实际问题的能力。 1