1.3　計算機系統的組成

想要更加全面地了解計算機，首先要知道計算機系統是怎么組成的。計算機是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是計算機賴以工作的實體，是各種物理部件的有機結合，軟件是控制計算機運行的靈魂，是由各種程序以及數據組成。計算機系統通過軟件協調各硬件部件，并按照指定要求和順序進行工作。

1.3.1　計算機系統簡介

一個完整的計算機系統由計算機硬件系統和計算機軟件系統兩部分組成，如圖1-4所示。計算機硬件系統是構成計算機系統的各種物理設備的總稱，是計算機的實體，通常包括運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五個部分。計算機軟件系統是運行、管理和維護計算機的各類程序和數據及有關資料的總和。計算機的軟件系統由系統軟件和應用軟件構成。

圖1-4　計算機系統的組成

沒有安裝任何操作系統和其它軟件的計算機稱為裸機，計算機系統層次結構如圖1-5所示。

圖1-5　計算機系統層次結構

1.3.2　計算機硬件系統

計算機硬件系統是計算機的實體，也是計算機的物質基礎，硬件系統的構成并不是僅僅只有日常我們觀察到的外觀所含各部件如圖1-6所示，通常情況下 計算機的硬件系統由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成。

圖1-6　計算機外觀

（1）運算器

計算機中執行各種算術和邏輯運算操作的部件就是運算器。運算器包括寄存器、加法器和控制線路等組成，基本操作包括加、減、乘、除四則運算，與、或、非、異或等邏輯操作，以及移位、比較等操作。計算機運行時，運算器的操作由控制器決定，運算器處理的數據來自存儲器，處理后的結果數據通常送回存儲器，或暫時寄存在運算器中。

（2）控制器

控制器是指揮計算機的各個部件按照指令的功能要求協調工作的部件，是計算機的神經中樞和指揮中心。控制器主要負責從存儲器中讀取指令，并對指令進行翻譯，確定指令類型，根據指令要求負責向其它部件發出控制信息，保證各部件協調一致地工作。

① 指令和指令系統　為了讓計算機按照人們的需求正常地進行工作，需要設計一系列命令指揮計算機運行，于是就產生了指令，指令就是計算機執行某種操作的命令。一條指令，通常包括兩方面內容：操作碼和操作數。其中，操作碼通常表示執行什么操作；操作數給出參與操作的數據的地址，指明操作對象。操作數又分為源操作數和目的操作數，源操作數指明參加運行的操作數的來源，目的操作數指明保存運行結果的存儲單元地址或寄存器名稱。

指令的格式如表1-5所示。

表1-5　指令的基本格式

指令系統是指一臺計算機所能執行的全部指令的集合。

② 指令的執行過程　計算機的工作過程就是按照控制器的控制信號自動、有序地執行指令的過程。一條指令的執行包括讀取指令、分析指令、生成控制信號、執行指令幾個過程。

（3）中央處理器（CPU）

運算器和控制器組成了中央處理單元，也就是人們通常所說的CPU，也叫微處理器，如圖1-7所示，這是計算機系統的核心部件，其重要性好比心臟對于人一樣。實際上，處理器的作用和大腦更相似，因為它負責處理、運算計算機內部的所有數據。CPU主要由運算器、控制器、寄存器組和內部總線等構成。

圖1-7　中央處理器

計算機的發展主要表現在其核心部件—微處理器的發展上，每當一款新型的微處理器出現時，就會帶動計算機系統的其它部件的相應發展。微處理器的發展大體可劃分為6個階段。

第1階段（1971～1973年）是4位和8位低檔微處理器時代，通常稱為第1代，其典型產品是Intel4004和Intel8008微處理器。

第2階段（1974～1977年）是8位中高檔微處理器時代，通常稱為第2代，其典型產品是Intel8080/8085。

第3階段（1978～1984年）是16位微處理器時代，通常稱為第3代，其典型產品是Intel公司的8086/8088。

第4階段（1985～1992年）是32位微處理器時代，又稱為第4代。其典型產品是Intel公司的80386/80486。

第5階段（1993～2005年）是奔騰（Pentium）系列微處理器時代，通常稱為第5代。典型產品是Intel公司的奔騰系列芯片及與之兼容的AMD的K6、K7系列微處理器芯片。

第6階段（2005年至今）是酷睿（Core）系列微處理器時代，通常稱為第6代。

（4）存儲器

存儲器是具有存儲記憶功能的設備，主要用來存放輸入設備送來的程序和數據，以及運算器送來的中間結果和最后結果。

按照不同的標準存儲器可分為不同的類別：按存儲介質可分為半導體存儲器和磁表面存儲器；按信息保存性可分為非永久記憶的存儲器和永久記憶性存儲器；按用途可分為內存（主存儲器、內部存儲器）和外存（輔助存儲器、外部存儲器）。外存通常是磁性介質或光盤等，能長期保存信息。內存指主板上的存儲部件，用來存放當前正在執行的數據和程序。

① 內存儲器　內存儲器簡稱內存，也稱主存，是計算機中重要的部件之一，如圖1-8所示，它是與CPU進行溝通的橋梁。計算機中所有程序的運行都是在內存儲器中進行的，因此內存儲器的性能對計算機的影響非常大。其作用是用于暫時存放CPU中的運算數據，以及與硬盤等外部存儲器交換的數據。只要計算機在運行中，CPU就會把需要運算的數據調到內存中進行運算，當運算完成后CPU再將結果傳送出來。內存的特點是存儲速度快，但存儲容量小。

圖1-8　內存

內存一般采用半導體存儲單元，包括隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。

a．隨機存儲器　隨機存儲器既可以讀（取）又可以寫（存），主要用來存取系統運行時的程序和數據。RAM的特點是存取速度快，但斷電后存放的信息會全部丟失。

隨機存儲器可分為動態存儲器（DRAM）和靜態存儲器（SRAM）兩大類。DRAM的特點是集成度高，主要用于大容量內存儲器；SRAM的特點是存取速度快，主要用于高速緩沖存儲器。

b．只讀存儲器　只讀存儲器顧名思義只能讀出不能隨意寫入信息，其最大的特點是斷電后其中的信息不會丟失。只讀存儲器一般用來存放一些固定的程序和數據，這些程序和數據是在計算機出廠時由廠家一次性寫入的，并永久保存下來。

常用的只讀存儲器有可編程ROM（PROM）、可擦除可編程ROM（EPROM）、電可擦除可編程ROM（EEPROM）和快擦除ROM（FROM）。

c．高速緩沖存儲器　在計算機技術發展過程中，主存儲器存取速度一直比中央處理器操作速度慢得多，使中央處理器的高速處理能力不能充分發揮，整個計算機系統的工作效率受到影響，為了解決中央處理器和主存儲器之間速度不匹配的矛盾大多計算機都采用了高速緩沖存儲器。

內部存儲器的主要性能指標有兩個：存儲容量和存取速度。存儲容量是指一個存儲器包含的存儲單元總數；存取速度是指CPU從內存儲器中存取數據所需的時間。

② 外部存儲器

外部存儲器又稱為輔助存儲器、外存，是指除計算機內存及CPU緩存以外的存儲器。它的存儲容量大，是內存容量的數十倍或者數百倍，是內存的補充和后援，此類存儲器一般斷電后仍然能保存數據。常見的外存儲器有硬盤、光盤、移動存儲器等。

a．硬盤　硬盤是微型計算機非常重要的外部存儲器。硬盤具有存取容量大，存取速度快等優點。目前常見的硬盤分為機械硬盤、固態硬盤。機械硬盤采用磁性碟片來存儲，固態硬盤采用閃存顆粒來存儲。圖1-9所示為機械硬盤和固態硬盤外觀。

　

圖1-9　機械硬盤和固態硬盤外觀

一個硬盤內部包含多個盤片，這些盤片被安裝在一個同心軸上，每個盤片有上下兩個盤面，每個盤面被劃分為磁道和扇區。硬盤的每一個盤面有一個讀寫磁頭，磁頭是硬盤中最昂貴的部件，也是硬盤技術中最重要和最關鍵的一環，使用硬盤時應盡量避免振動，防止硬盤磁頭損壞導致硬盤不可用。當磁盤旋轉時，在磁盤表面劃出的圓形軌跡就叫做磁道。磁盤上的每個磁道被等分為若干個弧段，這些弧段便是磁盤的扇區，每個扇區可以存放512個字節的信息，磁盤讀寫的物理單位是以扇區為單位。硬盤通常由重疊的一組盤片構成，每個盤面都被劃分為數目相等的磁道，并從外緣的“0”開始編號，具有相同編號的磁道形成一個圓柱，稱之為磁盤的柱面。圖1-10所示為柱面、磁道與扇區示意圖。圖1-11所示為硬盤內部結構。

圖1-10　柱面、磁道與扇區示意圖

圖1-11　硬盤內部結構

硬盤的主要性能指標有硬盤容量和轉速。硬盤的容量=柱面數×盤面數×扇區數×512B。硬盤轉速是指硬盤主軸的旋轉速度，單位為轉/分鐘（r/min），轉速是決定硬盤內部傳輸率的關鍵因素之一，在很大程度上直接影響硬盤的傳輸速度。目前市面上硬盤的容量有1T，2T，3T等，轉速一般為5400r/min和7200r/min。

b．光盤　光盤是以光信息做為存儲的載體并用來存儲數據的一種物品。如圖1-12所示。光盤存儲器具有存儲容量大，記錄密度高，讀取速度快，可靠性高，環境要求低的特點。光盤攜帶方便，價格低廉，目前已經成為存儲數據的重要手段。光盤可分為不可擦寫光盤和可擦寫光盤兩種。

圖1-12　光盤

c．移動存儲設備　移動存儲設備顧名思義，就是可以在不同終端間移動的存儲設備，大大方便了資料存儲。常見的移動存儲設備主要有移動硬盤、U盤、閃存卡。圖1-13所示為移動硬盤和U盤。

　　　

圖1-13　移動硬盤和U盤

移動硬盤是以硬盤作為存儲介質，便于攜帶的存儲產品。目前，移動硬盤的容量已達太字節級，隨著科技的發展和進步，未來將有更大容量的移動硬盤推出以滿足用戶的需求。

U盤全稱“USB接口閃存盤”，英文名“USB flash disk”。U盤的稱呼最早來源于朗科公司生產的一種新型存儲設備，名曰“優盤”，也叫“U盤”，使用USB接口進行連接。其最大的特點就是：小巧便于攜帶、存儲容量大、價格便宜。是移動存儲設備之一。

閃存卡是利用閃存技術達到存儲電子信息的存儲器，一般應用在數碼相機、掌上電腦、MP3、MP4等小型數碼產品中作為存儲介質，樣子小巧，猶如一張卡片，所以稱之為閃存卡。如圖1-14所示。由于閃存卡本身并不能直接被電腦辨認，讀卡器就是一個兩者的溝通橋梁。讀卡器使用USB1.1/USB2.0的傳輸界面，支持熱拔插。與普通USB設備一樣，只需插入電腦的USB端口，然后插入存儲卡就可以使用了。

圖1-14　閃存卡

（5）輸入設備

輸入設備是指向計算機輸入各種數據、程序及各種信息的設備，是計算機和用戶之間進行信息交換的橋梁。常用的輸入設備有：鍵盤、鼠標、掃描儀、條形碼閱讀器、數碼攝影機等。

① 鍵盤　鍵盤是字母、數字等信息的輸入裝置，是計算機必不可少的輸入設備。圖1-15所示為鍵盤及其使用指法。

　

圖1-15　鍵盤及其使用指法

② 鼠標　其標準稱呼應該是“鼠標器”，英文名“Mouse”，鼠標的使用是為了使計算機的操作更加簡便快捷，來代替鍵盤復雜的指令。圖1-16所示為鼠標外觀。

圖1-16　鼠標外觀

鼠標的主要操作有左鍵單擊、右鍵單擊、雙擊（連續按下鼠標左鍵兩次）、拖動（按住鼠標左鍵不放）等。

（6）輸出設備

輸出設備是計算機系統的終端設備，用于接收計算機數據的輸出顯示、打印等。即把各種結果以數字、文字、圖形、圖像、聲音等形式表現出來。常見的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等。

顯示器是微型計算機系統中最基本，最必不可少的輸出設備。根據顯示器的顯示原理不同，可分為陰極射線管顯示器（CRT）、等離子顯示器（PDP）、液晶顯示器（LCD）等。分辨率是顯示器一項重要的指標參數，分辨率反應屏幕圖像的精密度，是指顯示器所能顯示的像素有多少。由于屏幕上的點、線和面都是由像素組成的，顯示器可顯示的像素越多，畫面就越清晰。圖1-17所示為常見的顯示器。

　

圖1-17　常見的顯示器

顯示器必須配置正確的適配器才能構成完整的顯示系統。顯示適配器俗稱顯卡，是主機與顯示器之間的接口電路。它的主要功能是將要顯示的信息的內碼轉換成圖形點陣，并同步形成視頻信號，輸出給顯示器。

（7）其它硬件設備

計算機的硬件除以上五大部分外，還有一些也是必不可少的，下面我們重點介紹主板和總線。

① 主板　主板又叫主機板、系統板或母板（Motherboard），它安裝在機箱內，是微機最基本的也是最重要的部件之一。主板一般為一塊矩形印刷電路板，上面安裝了組成計算機的主要電路系統。主板是整個計算機的中樞，所有部件及外設都是通過主板與處理器連接在一起，并進行通信，然后由處理器發出相應的指令，執行操作。圖1-18所示為主板。

圖1-18　主板

② 總線　在計算機系統中，各個部件之間傳送信息的公共通路叫總線。按照計算機所傳輸的信息種類，計算機的總線可以劃分為數據總線、地址總線和控制總線，分別用來傳輸數據、數據地址和控制信號。總線是一種內部結構，它是CPU、內存、輸入、輸出設備傳遞信息的公用通道，主機的各個部件通過總線相連接，外部設備通過相應的接口電路再與總線相連接，從而形成了計算機硬件系統。

1.3.3　計算機工作原理和工作過程

計算機的基本原理是存儲程序控制原理，這一原理最初是由美籍匈牙利數學家馮·諾依曼于1945年提出來的，故稱為馮·諾依曼原理。預先要把指揮計算機如何進行操作的指令序列（稱為程序）和原始數據通過輸入設備輸送到計算機內存儲器中。每一條指令中明確規定了計算機從哪個地址取數，進行什么操作，然后送到什么地址去等步驟。

計算機在運行時，先從內存中讀取出第一條指令，通過控制器的譯碼，按指令的要求，從存儲器中讀取出數據進行指定的運算和邏輯操作等加工，然后再按地址把結果送到內存中去。接下來，再讀取出第二條指令，在控制器的指揮下完成規定操作。依此進行下去。直至遇到停止指令。如圖1-19所示。

圖1-19　計算機硬件各部件工作過程示意圖

1.3.4　微型計算機的性能指標

判斷一臺微型計算機的性能好壞，主要從以下幾個指標考慮。

① 字長　字長也叫機器字長，是指計算機的運算部件能同時處理的二進制數據的位數。字長越長，精度越高，速度也越快，但價格也越昂貴。當前微型計算機的字長有32位、64位。

② 主頻　又叫時鐘頻率，是指計算機CPU在單位時間發出的脈沖數。它在很大程度上決定了計算機的運算速度，主頻的單位是兆赫茲（MHz）或吉赫茲（GHz）。時鐘頻率越高，計算機的性能越好。當然CPU的主頻可達1.5GHz以上。

③ 運算速度　運算速度是指單位時間內執行的計算機指令數。單位是次/秒或百萬次/秒（MIPS）。

④ 內存容量　內存容量是指內存儲器能存儲的信息的總字節數，一般說來，內存容量越大，計算機的處理速度越快。內存容量越大，計算機性能越好。

⑤ 內核數　CPU內核數指CPU內執行指令的運算器和控制器的數量。所謂多核處理器就是在一塊CPU上集成兩個或者兩個以上的處理器核心。多核處理器已成為市場主流，大大提高了CPU的多任務處理性能。

1.3.5　計算機的軟件系統

一個完整的計算機系統必須軟硬件齊全且合理地協調配合，才能正常工作。計算機的軟件系統是指計算機中運行的各種程序、數據及相關的文檔資料。一般根據軟件的用途將其分為系統軟件和應用軟件兩大類。系統軟件能保證計算機按照用戶的意愿正常運行，滿足用戶使用計算機的各種需求，幫助用戶管理計算機和維護資源，執行用戶命令、控制系統調度等。應用軟件能滿足用戶使用需求，實現某一專門的應用目的。

（1）系統軟件

系統軟件是指管理、控制、維護計算機軟硬件資源以及支持其它軟件應用的軟件。它擔負著控制和協調計算機及其外部設備、支持應用軟件的開發和運行的任務。系統軟件一般包括操作系統、語言處理程序、數據庫系統等。

① 操作系統　操作系統（Operating System，簡稱OS）是管理和控制計算機硬件與軟件資源的計算機程序，任何其它軟件都必須在操作系統的支持下才能運行。

操作系統是用戶和計算機的接口，同時也是計算機硬件和其它軟件的接口。操作系統是一個龐大的控制管理系統，大致包括5個方面的管理功能。

a．處理器管理　處理器是完成運算和控制的設備。在多個程序運行時，每個程序都需要一個處理器，而一般計算機中只有一個處理器，操作系統的一個功能就是安排好處理器的使用權。

b．存儲管理　計算機的內存中有成千上萬個存儲單元，都存放著程序和數據。操作系統負責統一安排與管理存儲器各個存儲單元的使用，何處存放哪個程序，何處存放哪個數據。

c．設備管理　計算機系統中配有各種各樣的外部設備。操作系統的設備管理功能采用統一管理模式，自動處理內存和設備間的數據傳遞，從而減輕用戶為這些設備設計輸入輸出程序的負擔。

d．作業管理　作業是指獨立的、要求計算機完成的一個任務。操作系統的作業管理功能可以使有多個運行任務時用戶能夠合理地共享計算機系統資源。

e．文件管理　計算機系統中的程序或數據都要存放在相應存儲介質上。為了便于管理，操作系統把相關的信息集中在一起，稱為文件。操作系統的文件管理功能就是負責這些文件的存儲、查找、更新和共享。

常見的操作系統有DOS、Windows、Linux、Unix、Nerware等，目前，被廣泛使用的操作系統是Windows操作系統。Windows操作系統是微軟公司為微型計算機開發的一款基于視窗的操作系統，通過鼠標的操作指揮計算機工作，它為用戶提供了最友好的操作界面。

② 語言處理程序　人與人交流需要語言，計算機和人交流同樣需要語言。計算機和人交換信息所使用的語言稱為計算機語言或者程序設計語言，是用于開發和編寫軟件的基本工具。程序設計語言一般分為3類：機器語言、匯編語言和高級語言。

機器語言是由二進制 0、1 代碼構成，是唯一能被計算機直接識別的語言。由于機器語言是一組0和1組成的字符串，所以難編寫、難修改、難維護，程序可讀性差。

匯編語言是一種面向機器的程序設計語言，用助記符代替操作碼，用地址符號代替操作數。由于匯編語言是機器語言的符號化，與機器語言存在著直接的對應關系，所以匯編語言同樣存在著難學難用、容易出錯、維護困難等缺點。但是匯編語言也有自己的優點：可直接訪問系統接口，匯編程序翻譯成機器語言程序的效率高。

高級語言是面向用戶的、獨立于計算機種類和結構的語言。其最大的優點是：直接使用人們習慣的、易于理解的字母、數字、符號來表達，高級語言的一個命令可以代替幾條、幾十條甚至幾百條匯編語言的指令。因此，高級語言易學易用，通用性強，應用廣泛。

常用的高級語言有兩類，一種是面向過程的，稱為過程化語言，如BASIC、PASICAL、C語言等；一種是面向非過程化的，面向對象的語言，如C++、VB、JAVA等。

除機器語言外，其它語言編寫的程序計算機都無法直接識別，需要將用程序設計語言編寫的源程序轉換成機器語言目標程序的形式，以便計算機能夠運行，這一轉換是由翻譯程序來完成的。翻譯程序除了要完成語言間的轉換外，還要進行語法、語義等方面的檢查，翻譯程序統稱為語言處理程序。這種“翻譯”通常有兩種方式：編譯方式和解釋方式。

編譯方式是把源程序全部翻譯成機器語言目標程序，然后計算機再運行此目標程序，以完成源程序要處理的運算并取得結果。

解釋方式是將源程序輸入計算機后逐句翻譯，翻譯一句執行一句，邊翻譯邊執行，不產生目標程序。

③ 數據庫系統　數據庫系統包括數據庫和數據庫管理系統。數據庫是在計算機里建立的一組相互關聯的數據集合。數據庫管理系統是用戶用來建立、管理、維護、使用數據庫的系統軟件，是數據庫系統的核心組成部分。用戶通過數據庫管理系統可以實現對計算機中的數據進行有效地查詢、檢索、管理。

較為常用的數據庫管理系統由Visual Foxpro、Microsoft Access、Oracle、SQL Server等。

（2）應用軟件

應用軟件是指為特定領域開發、并為特定目的服務的一類軟件。應用軟件是直接面向用戶需要的，它們可以直接幫助用戶提高工作質量和效率，甚至可以幫助用戶解決某些難題。

在計算機軟件中應用軟件的種類最多，常見的應用軟件包括辦公軟件（如微軟公司開發的Office、金山公司開發的WPS等）、多媒體處理軟件（如Photoshop、Flash、繪聲繪影等）、網絡工具軟件（如Web瀏覽器、郵件收發軟件Outlook、下載工具、聊天工具等）、信息管理軟件（如人事管理系統、學籍管理系統、工資管理系統、倉庫管理系統等）。