任務四　計算機系統(tǒng)組成

任務描述

通常所說的計算機實際上指的是計算機系統(tǒng)，一個完整的計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。本任務主要了解硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)相關知識。

任務實施

1.計算機系統(tǒng)組成及層次結構

通常所說的計算機實際上指的是計算機系統(tǒng)，一個完整的計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件是軟件工作的基礎，軟件是硬件功能的擴充和完善，兩者相輔相成，協(xié)同工作，缺一不可；只具有硬件系統(tǒng)，卻沒有安裝任何軟件的計算機稱為裸機，裸機是不能正常工作的。計算機系統(tǒng)的硬件和軟件是按一定的層次關系組織起來的，最內層是計算機的硬件（即裸機），硬件的外層是操作系統(tǒng)，而操作系統(tǒng)的外層是其他軟件，最外層是用戶程序，如圖1-3所示。

操作系統(tǒng)是整個層次結構的核心，操作系統(tǒng)向下管理和控制硬件系統(tǒng)，向上支持應用軟件的運行，并提供友好的操作平臺，用戶正是通過操作系統(tǒng)實現(xiàn)計算機使用的，這種層次關系為軟件開發(fā)、擴充和使用提供了強有力的手段。

2.計算機的硬件系統(tǒng)

計算機硬件系統(tǒng)是構成計算機的所有實體部件的總稱，是計算機系統(tǒng)中能看得見，摸得著的部分。計算機發(fā)展到今天，在性能指標、運算速度、工作方式、應用領域和價格等方面都有了長足的發(fā)展，但計算機的體系結構始終沒有改變，依然采用馮·諾依曼結構，其硬件系統(tǒng)包括：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備5個部分，各部分之間通過相應的信號線進行相互聯(lián)系，在控制器指揮下，按“程序控制工作方式”自動高速執(zhí)行程序的指令，完成指令指定的工作。它們的功能及相互關系如圖1-4所示。

（1）運算器

運算器是計算機中負責數(shù)據(jù)運算的部件，其核心部件是加法器和寄存器，工作時從內存中讀取數(shù)據(jù)，并在加法器中進行運算，運算后的結果送到寄存器存儲，運算器對內存的讀寫操作是在控制器控制下進行的。

（2）控制器

控制器是計算機的指揮中心，負責從內存中讀取指令、翻譯指令代碼、識別指令要求后將控制信號送達各部件，并控制各部件有條不紊地完成指令所指定的操作。

控制器和運算器都是計算機系統(tǒng)的核心部件，集成在同一塊芯片上，稱為中央處理器（Center Process Unit，CPU），又稱微處理器。基于CPU是微型計算機的核心，人們習慣用CPU表示微型計算機的規(guī)格，如Core i7和AMD Phenom Ⅱ X4等。

（3）存儲器

存儲器是計算機中可以存儲程序和數(shù)據(jù)的部件，從存儲器中取出信息，稱為“讀”，把信息存入存儲器，稱為“寫”。存儲單位一般用B、KB、MB、GB來表示，其中一位二進制數(shù)0（或1），為一比特（byte），又稱位，它是計算機最小的存儲單位；8位為一個字節(jié)（B）；1024B=1KB（千字節(jié)），1024KB=1MB（兆字節(jié)），1GB（吉字節(jié)）=1024MB。

存儲器通常分為內存儲器和外存儲器，內存儲器簡稱內存（又稱主存），與運算器和控制器相連接，可與CPU直接交換信息，主要用來存放當前執(zhí)行的程序及相關數(shù)據(jù)，內存由半導體存儲器芯片組成，其特點是體積小、耗電低、存取速度快、可靠性好，但內存存儲單元造價高，容量比外部存儲器小。內部存儲器與CPU一起稱為計算機的主機。

內存又分為只讀存儲器（Read Only Memory，ROM）和隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）。只讀存儲器（ROM）中的信息只能“讀”不能“寫”，主要用來存放一些專用固定的程序、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)配置軟件，如磁盤引導程序、自檢程序、驅動程序等，由廠家在生產時用專門設備寫入，用戶無法修改，只能讀出使用，計算機斷電后，ROM中的信息不會丟失。隨機存取存儲器（RAM）既可讀又可寫，通常說的“內存”一般是指隨機存儲器，計算機斷電后，RAM中的信息立即消失，所以操作過程中要注意信息的保存。由于CPU速度越來越快，而內存的速度提高較慢，以至于CPU在與內存交換數(shù)據(jù)時不得不等待，影響了整機性能的提高，因此，奔騰以后的微型計算機在RAM和CPU之間設置了一種速度較快、容量較小、造價較高的隨機存儲器，即高速緩沖存儲器（Cache），預先將RAM中的數(shù)據(jù)存放到Cache中，CPU大部分對RAM的讀寫操作由對Cache的讀、寫操作代替，這樣可以大大提高計算機的性能。Cache通常集成在CPU內部或主板上，容量可達12MB。

外存儲器簡稱外存，又稱輔助存儲器，主要存放大量計算機暫時不執(zhí)行的程序以及目前尚不需要處理的數(shù)據(jù)。外存儲器不能與CPU直接交換信息，存放在外存儲器中的程序及相關數(shù)據(jù)要先調入內存，才能被CPU使用，所以外存存取速度慢，但造價較低，容量遠比內存大，計算機斷電后，外存儲器的程序和數(shù)據(jù)仍可保留，適合存儲需要長期保存的數(shù)據(jù)和程序，常見的外存主要有磁盤、光盤、U盤等。

（4）輸入/輸出設備

輸入/輸出設備簡稱I/O設備，是負責計算機信息輸入和輸出的部分，通過輸入設備可將程序、數(shù)據(jù)、操作命令等輸入計算機，計算機通過輸出設備可將處理的結果顯示或打印出來。計算機最常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀、數(shù)碼照相機等，最常用的輸出設備有顯示器、打印機。而磁盤既是輸入設備又是輸出設備。以上所述的計算機硬件系統(tǒng)組成如圖1-5所示。

3.計算機的軟件系統(tǒng)

計算機軟件系統(tǒng)是相對于硬件系統(tǒng)而言的，它是各種程序和文檔的總和。為了更好地了解計算機的軟件系統(tǒng)，先來了解幾個與軟件相關的基本概念。

（1）指令與指令系統(tǒng)

指令是指示計算機執(zhí)行某種操作的命令，計算機能實現(xiàn)的操作是由計算機內存儲的幾十條到上百條基本指令決定的，基本指令的集合構成了計算機的指令系統(tǒng)。從程序設計的角度來說，基本指令和它們的使用規(guī)則（語法）構成了這臺計算機的機器語言。在沒有給指令指定具體的操作數(shù)之前，每一條指令相當于機器語言的一個句型。指定具體的操作數(shù)地址碼之后，一條指令就是機器語言的一個語句。指令都是能被計算機識別并執(zhí)行的二進制代碼，不同類型的計算機其指令的編碼規(guī)則是不同的，但一條指令通常由操作碼進制和操作數(shù)地址碼兩部分組成，如圖1-6所示。

操作碼規(guī)定計算機進行何種操作（如取數(shù)、加、減、邏輯運算）等。操作數(shù)地址碼指出參與操作的數(shù)據(jù)在存儲器的哪個地址中，操作的結果存放到哪個地址。一般都有以下幾種類型的指令：用于算術和邏輯運算的運算指令、用于取數(shù)和存儲的傳送指令、用于轉移和停止執(zhí)行的控制指令、用于輸入和輸出的輸入/輸出指令等。

（2）程序

對于機器語言而言，程序是指令的有序集合。也就是說，程序是由有序排列的指令組成的。這里所說的指令，是已經指定具體的操作數(shù)地址碼的，相當于語句。對于匯編語言和高級語言而言，程序是語句的有序集合。用匯編語言或高級語言編寫的程序稱為源程序。源程序不能直接被機器執(zhí)行。用機器語言編寫的程序可以由計算機直接執(zhí)行，稱為目標程序。源程序必須經過翻譯，轉換為目標程序才能被機器執(zhí)行。可以說，程序是機器語言的指令或匯編語言、高級語言的語句的有序集合。分析要求解的問題，得出解決問題的算法，并用計算機的指令或語句編寫成可執(zhí)行的程序，就稱為程序設計。

（3）程序設計語言

程序設計語言是進行程序設計的工具，是編寫程序、表達算法的一種約定。它是人與計算機進行對話（交換信息）的一種手段。程序設計語言是人工語言，相對于自然語言來說，程序設計語言比較簡單，但是很嚴格，沒有二義性。程序設計語言一般可分為三大類：機器語言、匯編語言及高級語言。

①機器語言。機器語言是以二進制形式的0、1代碼串表示的機器指令以及其使用規(guī)則的集合。一種機器語言只適用于一類特定的計算機，不能通用。所以機器語言是面向機器的程序設計語言。用機器語言編制程序，計算機可直接執(zhí)行，運行速度快、執(zhí)行時間短，但直觀性差，不便于閱讀理解和記憶，編寫程序難度大，容易出錯。早期的計算機只能接受機器語言編寫的程序。

②匯編語言。匯編語言是一種符號語言，它由基本字符集、指令助記符、標號以及一些規(guī)則構成。匯編語言的語句與機器語言的指令基本對應，轉換規(guī)則比較簡單。與機器語言相比，匯編語言編寫的程序較好閱讀和理解，容易記憶，編程速度大大提高，出錯少。但匯編語言仍為面向機器的語言，不具有通用性。匯編語言編寫的程序要由匯編程序“翻譯”成機器語言程序才能被計算機執(zhí)行。

③高級語言。高級語言是一種接近于人們自然語言的程序設計語言。程序中所用的運算符號與運算式都接近于數(shù)學采用的符號和算式。它不再局限于計算機的具體結構與指令系統(tǒng)，而是面向問題處理過程，是通用性很強的語言。高級語言比匯編語言更容易閱讀和理解，語句的功能更強，編寫程序的效率更高。但是執(zhí)行的效率則不如機器語言。高級語言編寫的程序也要由編譯程序或解釋程序“翻譯”成機器語言程序才能被計算機執(zhí)行。

高級語言主要有DOS平臺常用的高級語言（BASIC、Fortran、Pascal、C、FoxBASE）等；Windows平臺常用的高級語言（Visual Basic、Visual C、Visual FoxPro、Java）等。

4.計算機軟件系統(tǒng)

計算機軟件系統(tǒng)是為運行、維護、管理、應用計算機所編制的所有程序和支持文檔的總和，它分為系統(tǒng)軟件及應用軟件兩大類。應用軟件必須在系統(tǒng)軟件的支持下才能運行，沒有系統(tǒng)軟件，計算機無法運行；有系統(tǒng)軟件而沒有應用軟件，計算機就無法解決實際問題。

（1）系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是運行、管理、維護計算機必備的最基本的軟件，一般由計算機生產廠商提供，它主要包括操作系統(tǒng)、語言處理程序、實用程序3種。

①操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)是控制與管理計算機硬件與軟件資源，合理組織計算機工作流程以及提供人機界面供用戶使用計算機的程序的集合。操作系統(tǒng)的主要功能是：處理器管理、存儲管理、文件管理、設備管理。

②語言處理程序。計算機只能識別機器語言，而不能識別匯編語言與高級語言。因此，用匯編語言與高級語言編寫的程序必須“翻譯”為機器語言才能為計算機接受和處理，這個“翻譯”工作是由語言處理程序來完成的。語言處理程序分為匯編程序、解釋程序和編譯程序3種，3種語言處理程序的處理過程如圖1-7所示。

匯編程序將匯編語言寫的源程序翻譯為目標程序的翻譯程序。解釋程序將高級語言書寫的源程序按動態(tài)執(zhí)行的順序逐句翻譯處理的程序。翻譯一句，執(zhí)行一句，直到程序執(zhí)行完畢，這種語言處理方式稱為“解釋方式”，相當于口譯。編譯程序將高級語言書寫的源程序整個翻譯為目標程序的程序，這種語言處理方式稱為“編譯方式”，相當于筆譯。

③實用程序。實用程序又稱支撐軟件，是機器維護、軟件開發(fā)所必需的軟件工具。它主要包括：編輯程序它是軟件維護、開發(fā)的基本工具、連接裝配程序、調試程序、診斷程序。

（2）應用軟件

應用軟件是為解決各類應用的專門問題而開發(fā)的，用戶要解決的問題不同，需要使用的應用軟件也不同。大體可分為：

①用戶程序面向特定用戶，為解決特定的具體問題而開發(fā)的軟件。

②應用軟件包是為了實現(xiàn)某種功能或專門計算而精心設計的結構嚴密的獨立程序的集合。它們是為具有同類應用的許多用戶提供的軟件，軟件包種類繁多，每個應用計算機的行業(yè)都有適合于本行業(yè)的軟件包，如計算機輔助設計軟件包、輔助教學軟件包、財會管理軟件包等。

③通用應用工具軟件用于開發(fā)應用軟件所共同使用的基本軟件，其中特別重要的是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，此外還有文字處理、電子表格處理等軟件。

5.計算機的主要性能指標

一臺計算機的性能如何，一般可參考下面主要指標：

（1）主頻（時鐘頻率）

主頻即計算機CPU的時鐘頻率，是CPU在單位時間內的平均操作次數(shù)。在很大程度上，主頻決定了計算機的運算速度。主頻的單位是兆赫茲（MHz）。例如，一般來說Intel 80586的主頻為75～100MHz，Pentium Ⅱ的主頻為166～500MHz，Pentium III的主頻為450～1000MHz，Pentium 4的主頻可達3.4GHz等。

（2）基本字長

“字”是計算機一次存取、處理和傳送的數(shù)據(jù)長度，是計算機處理信息的基本單位，一個字由若干個字節(jié)組成，通常情況下將組成字的位數(shù)稱為字長，一般計算機的基本字長有16位、32位、64位等。

基本字長越長，操作數(shù)的位數(shù)越多，計算精度也就越高，但相應部件如CPU、主存儲器、總線和寄存器等的位數(shù)也要增多，使硬件成本也隨著增高。基本字長也反映了指令的信息位的長度和尋址空間的大小。16位字長的處理器其物理尋址空間是64KB，32位處理器的尋址空間是4GB。足夠的信息位長度能保證指令的處理能力。

為了較好地協(xié)調計算精度與硬件成本的制約關系，大多數(shù)計算機允許采用變字長運算，即允許硬件實現(xiàn)以字節(jié)為單位的運算、基本字長（如16位）運算及雙字長（如32位）運算，并通過軟件實現(xiàn)多字長運算。