1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)兩部分組成。如果僅有硬件系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)不能做任何有意義的工作，硬件僅僅是建立了計(jì)算機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)。如果要計(jì)算機(jī)硬件發(fā)揮作用，必須配置軟件系統(tǒng)，軟件使計(jì)算機(jī)硬件具有了生命力。

1.2.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)十分復(fù)雜的硬件和軟件的結(jié)合體，兩者不可分割，但處于不同的層次上。沒有計(jì)算機(jī)軟件的“裸機(jī)”寸步難行，發(fā)揮不了任何作用，就像人只有軀殼，沒有靈魂一樣。而硬件是軟件的物質(zhì)基礎(chǔ)，正是由于硬件的高度進(jìn)步才為軟件的發(fā)展提供了舞臺(tái)。隨著計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，計(jì)算機(jī)軟件也產(chǎn)生了革命性的變化。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)通常由5個(gè)以上不同的級(jí)別組成，每一級(jí)都能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，如圖1.1所示。

第1級(jí)是微程序設(shè)計(jì)級(jí)。這是一個(gè)實(shí)在的硬件級(jí)，它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令。如果某一個(gè)應(yīng)用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級(jí)上運(yùn)行該應(yīng)用程序。

第2級(jí)是一般機(jī)器級(jí)，也稱為機(jī)器語(yǔ)言級(jí)。這一級(jí)由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)，也是硬件級(jí)。

第3級(jí)是操作系統(tǒng)級(jí)，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)程序由機(jī)器指令和廣義指令組成。廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令，所以這一級(jí)也稱為混合級(jí)。

第4級(jí)是匯編語(yǔ)言級(jí)，它給程序人員提供一種符號(hào)形式語(yǔ)言，以減少程序編寫的復(fù)雜性。這一級(jí)由匯編程序支持和執(zhí)行。如果應(yīng)用程序采用匯編語(yǔ)言編寫，則機(jī)器必須要有這一級(jí)的功能；如果應(yīng)用程序不采用匯編語(yǔ)言編寫，則這一級(jí)可以不要。

第5級(jí)是高級(jí)語(yǔ)言級(jí)，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應(yīng)用程序而設(shè)置。這一級(jí)由各種高級(jí)語(yǔ)言編譯程序支持和執(zhí)行。

這種層次結(jié)構(gòu)的劃分，有利于正確理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過程，明確了計(jì)算機(jī)硬件和軟件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位和作用，以及計(jì)算機(jī)各層次之間的內(nèi)在關(guān)系。了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，對(duì)于全面地認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)是非常有必要的。當(dāng)然這種計(jì)算機(jī)層次的劃分是相對(duì)而言的，它們之間也有交叉。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展以及集成電路技術(shù)的發(fā)展，軟件功能可以由硬件實(shí)現(xiàn)，硬件功能可以由軟件完成。

1.2.2 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的所有實(shí)體部件的集合，通常這些部件由電子元器件、導(dǎo)線、機(jī)械裝置等物理部件組成，它們都是看得見、摸得到的。計(jì)算機(jī)硬件主要由5大部件組成，即運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，其中包含接口和其他外部設(shè)備。將這些硬件按照某一種方式有機(jī)地連接起來就是硬件系統(tǒng)。通常將運(yùn)算器和控制器稱為中央處理器（Central Processing Unit，CPU），CPU和存儲(chǔ)器一起稱為主機(jī)，而輸入設(shè)備和輸出設(shè)備均稱為外圍設(shè)備。計(jì)算機(jī)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。

1.計(jì)算機(jī)的主要部件

（1）運(yùn)算器。運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)加工處理部件，它的主要功能是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。

運(yùn)算器通常由算術(shù)邏輯運(yùn)算部件（Arithmetic Logical Unit，ALU）、通用寄存器組或累加器以及數(shù)據(jù)傳送邏輯電路等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.3所示。算術(shù)邏輯運(yùn)算部件ALU可以完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，其核心部分是加法器。寄存器組或累加器可以暫存數(shù)據(jù)，一個(gè)寄存器可以存放一個(gè)數(shù)據(jù)。

（2）控制器。控制器是統(tǒng)一指揮和控制計(jì)算機(jī)各部件工作的中央機(jī)構(gòu)，它的主要功能是按照人們預(yù)先確定的操作步驟，控制整個(gè)計(jì)算機(jī)的各部件協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。

控制器主要由指令部件、時(shí)序部件、控制信號(hào)形成部件組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.4所示。控制器從內(nèi)存儲(chǔ)器中逐條地取出指令，并對(duì)該指令進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生相應(yīng)的操作信號(hào)，控制計(jì)算機(jī)完成指令所規(guī)定的操作。時(shí)序部件用來產(chǎn)生各種時(shí)序信號(hào)，協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)的各部件有條不紊地工作。控制信號(hào)形成部件是控制器的核心，用來產(chǎn)生計(jì)算機(jī)工作時(shí)所需要的控制信號(hào)。可以用兩種方式產(chǎn)生控制信號(hào)：一種是組合邏輯電路的方法，另一種是微程序技術(shù)。目前主要采用第二種方式產(chǎn)生計(jì)算機(jī)信號(hào)。

（3）存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)用來存放程序和數(shù)據(jù)的部件，具有“記憶”功能。它的基本功能是按照指定的存儲(chǔ)位置“讀出”或“寫入”信息。

存儲(chǔ)器主要由地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、存儲(chǔ)體及讀/寫控制電路等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.5所示。地址寄存器中保存“讀/寫”數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元地址，數(shù)據(jù)寄存器中保存要進(jìn)行“讀/寫”的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)體中包含若干個(gè)存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)單元可以存放一個(gè)數(shù)據(jù)或一條指令。

存儲(chǔ)器有讀出和寫入兩個(gè)基本操作。不論進(jìn)行哪一種操作，都應(yīng)該事先知道存儲(chǔ)單元的地址。為了區(qū)分存儲(chǔ)體中的存儲(chǔ)單元，要求為每個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行編號(hào)，這個(gè)編號(hào)就稱為存儲(chǔ)單元地址。在計(jì)算機(jī)中，表示信息的最小單位是位（bit），1位可以表示二進(jìn)制數(shù)“1”或“0”。我們將8位二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成的單位稱為1個(gè)字節(jié)（Byte），存儲(chǔ)信息的最小單位是字節(jié)。將1個(gè)或n個(gè)字節(jié)構(gòu)成的整體稱為1個(gè)字（Word），1個(gè)存儲(chǔ)單元可以存放1個(gè)字。若存儲(chǔ)單元的地址按照存儲(chǔ)器中“字”的個(gè)數(shù)進(jìn)行編址，稱為字地址；若存儲(chǔ)單元的地址按照存儲(chǔ)器中“字節(jié)”的個(gè)數(shù)進(jìn)行編址，則稱為字節(jié)地址。

存儲(chǔ)器分為內(nèi)存儲(chǔ)器（內(nèi)存）和外存儲(chǔ)器（外存）。內(nèi)存由半導(dǎo)體器件RAM和ROM構(gòu)成，用來存放CPU正在執(zhí)行的指令和數(shù)據(jù)；外存由磁性材料等構(gòu)成，用來存放暫時(shí)不執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，常用的外存有軟盤、硬盤、光盤、U盤和磁帶機(jī)等。

（4）輸入設(shè)備。輸入設(shè)備的任務(wù)是將人們編制好的程序和原始數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)中。其功能就是將它們轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的電信號(hào)，并將這些電信號(hào)存放到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中。

常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、觸摸屏、數(shù)碼相機(jī)以及早期的紙帶輸入機(jī)和卡片輸入機(jī)等。輸入設(shè)備與主機(jī)之間通過設(shè)備接口連接。接口有數(shù)據(jù)緩沖的功能，用來解決輸入設(shè)備與主機(jī)之間工作速度上的差異；接口也可以進(jìn)行信息格式轉(zhuǎn)換，即將字母、數(shù)字、聲音、圖像等信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的代碼；接口還是輸入設(shè)備與主機(jī)之間的橋梁，可以向主機(jī)提供輸入設(shè)備的狀態(tài)，接收主機(jī)對(duì)輸入設(shè)備的命令等。

（5）輸出設(shè)備。輸出設(shè)備的任務(wù)是將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果進(jìn)行輸出。其功能是將計(jì)算機(jī)中用代碼描述的處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成人類認(rèn)識(shí)的符號(hào)進(jìn)行輸出。

常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、刻錄機(jī)等。輸出設(shè)備與主機(jī)之間也需要通過設(shè)備接口進(jìn)行連接。

外存也是外圍設(shè)備，它既可以作為輸入設(shè)備，又可以作為輸出設(shè)備。

2.計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)

將計(jì)算機(jī)基本組成的5個(gè)部件，用一組導(dǎo)線按照某種方式連接起來，就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)，這一組導(dǎo)線稱為總線（Bus），其中包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。

總線負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)中各部件之間公共信息的傳遞，它能分時(shí)地發(fā)送與接收各個(gè)部件的信息。在計(jì)算機(jī)中采用總線結(jié)構(gòu)，可以減少信息傳送線的數(shù)目，還可以提高計(jì)算機(jī)擴(kuò)充內(nèi)存和外設(shè)的靈活性。

計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)形式取決于計(jì)算機(jī)各部件的功能和整機(jī)系統(tǒng)的性能要求，不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用不同的結(jié)構(gòu)形式。在此介紹3種常用的總線結(jié)構(gòu)。

（1）單總線結(jié)構(gòu)。如圖1.6所示，用單一的一組總線將計(jì)算機(jī)的5大部件連接起來，使每個(gè)部件都可以通過該總線與另一個(gè)部件通信，這就是單總線結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，便于擴(kuò)充。缺點(diǎn)是總線負(fù)載大，分時(shí)使用導(dǎo)致信息傳輸速率受到限制，因此只用在小型計(jì)算機(jī)或微型計(jì)算機(jī)中。

（2）雙總線結(jié)構(gòu)。單總線的數(shù)據(jù)傳輸速度受到限制，影響了整個(gè)計(jì)算機(jī)的工作效率。為了解決這一問題，可以采用雙總線結(jié)構(gòu)，這樣在同一時(shí)刻，可以使用兩條總線并行工作，提高了計(jì)算機(jī)的工作速度。

（3）多總線結(jié)構(gòu)。為了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能的擴(kuò)大和工作效率的提高，我們采用了多總線結(jié)構(gòu)。雖然多總線結(jié)構(gòu)可以提高主機(jī)和外設(shè)的并行工作能力，但是在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上增加了難度和成本。

1.2.3 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)軟件是指程序、數(shù)據(jù)和文檔，其中文檔包括程序的使用說明、程序開發(fā)過程中各階段的文字記錄等。性能優(yōu)良的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)能否充分發(fā)揮其應(yīng)有的功能，在很大程度上取決于所配置軟件的完善與豐富程度。

計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)軟件、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和應(yīng)用軟件。

1.系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是指為了方便用戶使用計(jì)算機(jī)和充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的效率，向用戶提供的一系列軟件，其中包括操作系統(tǒng)、語(yǔ)言處理程序、支持軟件等。系統(tǒng)軟件的作用是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行管理、調(diào)度、監(jiān)控和維護(hù)，提供程序的運(yùn)行和開發(fā)環(huán)境，向用戶提供各種服務(wù)。

（1）操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中最重要的一種系統(tǒng)軟件，它是一些程序模塊的集合。操作系統(tǒng)用有效、合理的方式組織和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟/硬件資源，合理地安排計(jì)算機(jī)的工作流程，控制和支持應(yīng)用程序的運(yùn)行，改善人機(jī)界面及為應(yīng)用軟件提供支持，并且向用戶提供各種服務(wù)，使得用戶能方便、靈活、有效地使用計(jì)算機(jī)，也使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高效率地運(yùn)行。

計(jì)算機(jī)首先配置的軟件必須是操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)是最靠近硬件層的一種軟件，它把裸機(jī)改造成為功能更加完善的虛擬機(jī)，使得對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用和管理更加方便。操作系統(tǒng)不僅提高了系統(tǒng)資源的利用率，而且還是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)管理的控制中心。

根據(jù)操作系統(tǒng)提供給用戶的工作環(huán)境的不同來進(jìn)行分類.可將操作系統(tǒng)分成單用戶操作系統(tǒng)、多道批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)等多種。本章的后續(xù)章節(jié)中會(huì)進(jìn)一步介紹。

（2）語(yǔ)言處理程序。語(yǔ)言處理程序包括匯編程序、編譯程序、解釋程序。這些語(yǔ)言處理程序之間的不同之處主要體現(xiàn)在它們生成計(jì)算機(jī)可執(zhí)行機(jī)器語(yǔ)言的過程不同。

匯編程序是將用匯編語(yǔ)言書寫的源程序翻譯成用二進(jìn)制代碼“0”或“1”表示的機(jī)器語(yǔ)言，形成了計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的機(jī)器指令代碼。

編譯程序是將用高級(jí)語(yǔ)言書寫的源程序翻譯成等價(jià)的機(jī)器語(yǔ)言程序，最終產(chǎn)生了一個(gè)可以在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的目標(biāo)程序。

解釋程序是將用高級(jí)語(yǔ)言書寫的源程序分段地轉(zhuǎn)換為相同功能的指令序列，并且執(zhí)行這段等價(jià)的指令序列，即邊解釋邊執(zhí)行，沒有產(chǎn)生目標(biāo)程序。

（3）支持軟件。支持軟件是支持其他軟件的開發(fā)和維護(hù)的一種軟件，也是系統(tǒng)軟件中的一個(gè)重要組成部分。其中包括診斷程序、調(diào)試程序、鏈接程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等。

2.程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是人與計(jì)算機(jī)交互的工具，是用來編寫程序的語(yǔ)言，包括機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。

機(jī)器語(yǔ)言用二進(jìn)制代碼“1”或“0”表示機(jī)器指令，是計(jì)算機(jī)能夠直接識(shí)別和執(zhí)行的一種面向計(jì)算機(jī)硬件的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。用機(jī)器語(yǔ)言編寫的程序運(yùn)行速度快，但是不具有通用性和可移植性。而且機(jī)器語(yǔ)言不便于記憶，程序編寫難度大，不容易查錯(cuò)，屬于低級(jí)語(yǔ)言。

匯編語(yǔ)言用助記符表示機(jī)器指令，這種符號(hào)化的語(yǔ)言稱為匯編語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言程序比機(jī)器語(yǔ)言程序易讀、易查、易修改，還保留了機(jī)器語(yǔ)言執(zhí)行速度快的優(yōu)點(diǎn)，但也不具有通用性和可移植性。匯編語(yǔ)言也是一種面向計(jì)算機(jī)硬件的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，屬于低級(jí)語(yǔ)言。用匯編語(yǔ)言編寫的程序，計(jì)算機(jī)不能直接識(shí)別，需要有一種翻譯程序?qū)⑵浞g成機(jī)器語(yǔ)言程序（二進(jìn)制代碼），然后計(jì)算機(jī)方可執(zhí)行，這樣的過程稱為“匯編”。

高級(jí)語(yǔ)言是與人們自然習(xí)慣相近、與計(jì)算機(jī)硬件無關(guān)的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。用高級(jí)語(yǔ)言編寫程序方便，容易閱讀和理解，可以提高編程效率，但是計(jì)算機(jī)不能直接執(zhí)行用高級(jí)語(yǔ)言編寫的源程序，必須經(jīng)過編譯程序或解釋程序?qū)Ω呒?jí)語(yǔ)言源程序進(jìn)行翻譯，計(jì)算機(jī)才能識(shí)別并執(zhí)行。由于用高級(jí)語(yǔ)言編寫的源程序不依賴于具體的計(jì)算機(jī)硬件，因此具有較好的通用性和可移植性。

用匯編程序、編譯程序或解釋程序?qū)υ闯绦蜻M(jìn)行“翻譯”的過程，如圖1.7所示。

3.應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是指專門用于解決各種具體應(yīng)用問題的應(yīng)用程序。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，應(yīng)用軟件的種類有很多，例如文字處理軟件Word、電子表格軟件Excel、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件AutoCAD、媒體播放軟件Media Player、網(wǎng)絡(luò)通信軟件Outlook、學(xué)籍管理系統(tǒng)和人事管理系統(tǒng)等。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成如圖1.8所示。

1.2.4 計(jì)算機(jī)硬件與軟件的關(guān)系

計(jì)算機(jī)硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂，兩者是不可分割的一個(gè)整體。

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中沒有一條明確的硬件與軟件的分界線，硬件與軟件在邏輯功能上是等效的。也就是說，用軟件實(shí)現(xiàn)的操作，在原理上可以用硬件來實(shí)現(xiàn)；同理，用硬件實(shí)現(xiàn)的許多操作也可以通過用軟件模擬來實(shí)現(xiàn)。例如，乘法的運(yùn)算可以有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一種方法是在計(jì)算機(jī)硬件中設(shè)置乘法器，用硬件來完成乘法運(yùn)算，這樣計(jì)算機(jī)的處理速度快，占用存儲(chǔ)器的空間小，但是需要增加硬件，成本高；另一種是用軟件（乘法子程序）的方法來完成乘法運(yùn)算，這樣計(jì)算機(jī)的處理速度慢，占用存儲(chǔ)器空間大，但是不需要增加硬件，成本低。究竟采用哪種方法實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，應(yīng)該從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的速度、價(jià)格、效率和資源等方面綜合考慮，也就是說，哪些功能由硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能由軟件實(shí)現(xiàn)，應(yīng)該由所選擇的設(shè)計(jì)目標(biāo)、電子元器件的發(fā)展和系統(tǒng)性能等來決定。

目前，計(jì)算機(jī)的硬件和軟件正朝著相互滲透、相互融合的方向發(fā)展，軟件和硬件可以互相轉(zhuǎn)化。在早期的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中，由于硬件成本較高，只用硬件完成比較簡(jiǎn)單的指令系統(tǒng)功能，依靠軟件來完成更多的功能，減少硬件以便降低成本，這就是硬件軟化。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，硬件價(jià)格逐漸降低，將原來用軟件實(shí)現(xiàn)的一部分功能用硬件來實(shí)現(xiàn)，提高了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，降低了存儲(chǔ)器空間的占有率，這種用硬件來實(shí)現(xiàn)軟件功能的方法稱為軟件固化。不論采用哪種方法，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所完成的功能都是相同的。從用戶的角度看，重要的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能完成哪些功能。