1.3.1 計算機系統的組成
計算機系統是由硬件系統和軟件系統兩大部分組成，這一節將分別介紹計算機硬件系統和軟件系統。
計算機硬件是構成計算機系統各功能部件的集合。是由電子、機械和光電元件組成的各種計算機部件和設備的總稱(chēng)，是計算機完成各項工作的物質(zhì)基礎。計算機硬件是看得見(jiàn)、摸得著(zhù)的，實(shí)實(shí)在在存在的物理實(shí)體。
計算機軟件是指與計算機系統操作有關(guān)的各種程序以及任何與之相關(guān)的文檔和數據的集合。其中程序是用程序設計語(yǔ)言描述的適合計算機執行的語(yǔ)句指令序列。
沒(méi)有安裝任何軟件的計算機通常稱(chēng)為“裸機”，裸機是無(wú)法工作的。如果計算機硬件脫離了計算機軟件，那么它就成為了一臺無(wú)用的機器。如果計算機軟件脫離了計算機的硬件就失去了它運行的物質(zhì)基礎；所以說(shuō)二者相互依存，缺一不可，共同構成一個(gè)完整的計算機系統。
計算機系統的基本組成如圖1-6 所示。
圖1-6 計算機系統的基本組成
1.3.2 計算機硬件系統的基本組成及工作原理
現代計算機是一個(gè)自動(dòng)化的信息處理裝置，它之所以能實(shí)現自動(dòng)化信息處理，是由于采用了“存儲程序”工作原理。這一原理是1946年由馮 · 諾依曼和他的同事們在一篇題為《關(guān)于電子計算機邏輯設計的初步討論》的論文中提出并論證的。這一原理確立了現代計算機的基本組成和工作方式。
⑴ 計算機硬件由五個(gè)基本部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。
⑵ 計算機內部采用二進(jìn)制來(lái)表示程序和數據。
⑶ 采用“存儲程序”的方式，將程序和數據放入同一個(gè)存儲器中（內存儲器），計算機能夠自動(dòng)高速地從存儲器中取出指令加以執行。
可以說(shuō)計算機硬件的五大部件中每一個(gè)部件都有相對獨立的功能，分別完成各自不同的工作。如圖1-7所示，五大部件實(shí)際上是在控制器的控制下協(xié)調統一地工作。首先，把表示計算步驟的程序和計算中需要的原始數據，在控制器輸入命令的控制下，通過(guò)輸入設備送入計算機的存儲器存儲。其次當計算開(kāi)始時(shí)，在取指令作用下把程序指令逐條送入控制器?？刂破鲗χ噶钸M(jìn)行譯碼，并根據指令的操作要求向存儲器和運算器發(fā)出存儲、取數命令和運算命令，經(jīng)過(guò)運算器計算并把結果存放在存儲器內。在控制器的取數和輸出命令作用下，通過(guò)輸出設備輸出計算結果。
1．運算器（ALU）
運算器也稱(chēng)為算術(shù)邏輯單元ALU（Arithmetic Logic Unit）。它的功能是完成算術(shù)運算和邏輯運算。算術(shù)運算是指加、減、乘、除及它們的復合運算。而邏輯運算是指“與”、“或”、“非”等邏輯比較和邏輯判斷等操作。在計算機中，任何復雜運算都轉化為基本的算術(shù)與邏輯運算，然后在運算器中完成。
2．控制器（CU）
控制器CU（Controller Unit）是計算機的指揮系統，控制器一般由指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序電路和控制電路組成。它的基本功能是從內存取指令和執行指令。指令是指示計算機如何工作的一步操作，由操作碼（操作方法）及操作數（操作對象）兩部分組成?？刂破魍ㄟ^(guò)地址訪(fǎng)問(wèn)存儲器、逐條取出選中單元指令，分析指令，并根據指令產(chǎn)生的控制信號作用于其它各部件來(lái)完成指令要求的工作。上述工作周而復始，保證了計算機能自動(dòng)連續地工作。
通常將運算器和控制器統稱(chēng)為中央處理器，即CPU（Central Processing Unit）,它是整個(gè)計算機的核心部件，是計算機的“大腦”。它控制了計算機的運算、處理、輸入和輸出等工作。
集成電路技術(shù)是制造微型機、小型機、大型機和巨型機的CPU的基本技術(shù)。它的發(fā)展使計算機的速度和能力有了極大的改進(jìn)。在1965年，芯片巨人英特爾公司的創(chuàng )始人戈登 · 摩爾，給出了著(zhù)名的摩爾定律：芯片上的晶體管數量每隔18~24個(gè)月就會(huì )翻一番。讓所有人感到驚奇的是，這個(gè)定律非常精確的預測了芯片的30年發(fā)展。1958年第一代集成電路僅僅包含兩個(gè)晶體管，而1997年，奔騰II處理器則包含了750萬(wàn)個(gè)晶體管，2000年的Pentium 4 已達到了0.13微米技術(shù)，集成了4200萬(wàn)個(gè)晶體管 。CPU集成的晶體管數量越大，就意味著(zhù)更強的芯片計算能力。
３．存儲器（Memory）
存儲器是計算機的記憶裝置，它的主要功能是存放程序和數據。程序是計算機操作的依據，數據是計算機操作的對象。
⑴ 信息存儲單位
程序和數據在計算機中以二進(jìn)制的形式存放于存儲器中。存儲容量的大小以字節為單位來(lái)度量。經(jīng)常使用KB（千字節）、MB（兆字節）、GB（千兆字節）和TB來(lái)表示。它們之間的關(guān)系是：1KB=1024B=210B，1MB=1024KB=220B，1GB=1024MB=230B，1TB=1024G=240B，在某些計算中為了計算簡(jiǎn)便經(jīng)常把210（1024）默認為是1000。
位（bit）：是計算機存儲數據的最小單位。機器字中一個(gè)單獨的符號“0”或“1”被稱(chēng)為一個(gè)二進(jìn)制位，它可存放一位二進(jìn)制數。
字節（Byte，簡(jiǎn)稱(chēng)B）：字節是計算機存儲容量的度量單位，也是數據處理的基本單位，8個(gè)二進(jìn)制位構成一個(gè)字節。一個(gè)字節的存儲空間稱(chēng)為一個(gè)存儲單元。
字（Word）：計算機處理數據時(shí)，一次存取、加工和傳遞的數據長(cháng)度稱(chēng)為字。一個(gè)字通常由若干個(gè)字節組成。
字長(cháng)（Word Long）：中央處理器可以同時(shí)處理的數據的長(cháng)度為字長(cháng)。字長(cháng)決定CPU的寄存器和總線(xiàn)的數據寬度?，F代計算機的字長(cháng)有8位、16位、32位、64位。
⑵ 存儲器的分類(lèi)
根據存儲器與CPU聯(lián)系的密切程度可分為內存儲器（主存儲器）和外存儲器（輔助存儲器）兩大類(lèi)。內存在計算機主機內，它直接與運算器、控制器交換信息，容量雖小，但存取速度快，一般只存放那些正在運行的程序和待處理的數據。為了擴大內存儲器的容量，引入了外存儲器，外存作為內存儲器的延伸和后援，間接和CPU聯(lián)系，用來(lái)存放一些系統必須使用，但又不急于使用的程序和數據，程序必須調入內存方可執行。外存存取速度慢，但存儲容量大，可以長(cháng)時(shí)間地保存大量信息。CPU與內、外存之間的關(guān)系如圖1-8所示。
現代計算機系統中廣泛應用半導體存儲器，從使用功能角度看，半導體存儲器可以分成兩大類(lèi)：斷電后數據會(huì )丟失的易失性（Volatile）存儲器和斷電后數據不會(huì )丟失的非易失性（Non-volatile）存儲器。微型計算機中的RAM屬于可隨機讀寫(xiě)的易失性存儲器，而ROM屬于非易失性（Non-volatile）存儲器
⑶ 存儲器工作原理
為了更好地存放程序和數據，存儲器通常被分為許多等長(cháng)的存儲單元，每個(gè)單元可以存放一個(gè)適當單位的信息。全部存儲單元按一定順序編號，這個(gè)編號被稱(chēng)為存儲單元的地址，簡(jiǎn)稱(chēng)地址。存儲單元與地址的關(guān)系是一一對應的。應注意存儲單元的地址和它里面存放的內容完全是兩回事。
對存儲器的操作通常稱(chēng)為訪(fǎng)問(wèn)存儲器，訪(fǎng)問(wèn)存儲器的方法有兩種，一種是選定地址后向存儲單元存入數據，被稱(chēng)為“寫(xiě)”；另一種是從選定的存儲單元中取出數據，被稱(chēng)為“讀”?？梢?jiàn)，不論是讀還是寫(xiě)，都必須先給出存儲單元的地址。來(lái)自地址總線(xiàn)的存儲器地址由地址譯碼器譯碼（轉換）后，找到相應的存儲單元，由讀／寫(xiě)控制電路根據相應的讀、寫(xiě)命令來(lái)確定對存儲器的訪(fǎng)問(wèn)方式，完成讀寫(xiě)操作。數據總線(xiàn)則用于傳送寫(xiě)入內存或從內存取出的信息。主存儲器的結構框圖如圖1-8所示。
4. 輸入設備
輸入設備是從計算機外部向計算機內部傳送信息的裝置。其功能是將數據、程序及其他信息，從人們熟悉的形式轉換為計算機能夠識別和處理的形式輸入到計算機內部。
常用的輸入設備有鍵盤(pán)、鼠標、光筆、掃描儀、數字化儀、條形碼閱讀器等。
5. 輸出設備
輸出設備是將計算機的處理結果傳送到計算機外部供計算機用戶(hù)使用的裝置。其功能是將計算機內部二進(jìn)制形式的數據信息轉換成人們所需要的或其他設備能接受和識別的信息形式。常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等。
通常我們將輸入設備和輸出設備統稱(chēng)為I/O設備（Input/Output）。它們都屬于計算機的外部設備。
1.3.3 計算機軟件系統
一個(gè)完整的計算機系統是由硬件和軟件兩部分組成的。硬件是組成計算機的物理實(shí)體。但僅有硬件計算機還不能工作，要使計算機解決各種問(wèn)題，必須有軟件的支持，軟件是介于用戶(hù)和硬件系統之間的界面。
“軟件”一詞 20世紀60年代初傳入我國。國際標準化組織（ISO）將軟件定義為：電子計算機程序及運用數據處理系統所必需的手續、規則和文件的總稱(chēng)。對此定義，一種公認的解釋是：軟件由程序和文檔兩部分組成。程序由計算機最基本的指令組成，是計算機可以識別和執行的操作步驟；文檔是指用自然語(yǔ)言或者形式化語(yǔ)言所編寫(xiě)的用來(lái)描述程序的內容、組成、功能規格、開(kāi)發(fā)情況、測試結構和使用方法的文字資料和圖表。程序是具有目的性和可執行性的，文檔則是對程序的解釋和說(shuō)明。
程序是軟件的主體。軟件按其功能劃分，可分為系統軟件和應用軟件兩大類(lèi)型。
1. 1.系統軟件（System Software）
系統軟件一般是指控制和協(xié)調計算機及外部設備,支持應用軟件開(kāi)發(fā)和運行的系統，是無(wú)需用戶(hù)干預的各種程序的集合，主要功能是調度，監控和維護計算機系統；負責管理計算機系統中各種獨立的硬件，使得它們可以協(xié)調工作。系統軟件使得計算機使用者和其他軟件將計算機當作一個(gè)整體而不需要顧及到底層每個(gè)硬件是如何工作的。
常見(jiàn)的系統軟件主要指操作系統，當然也包括語(yǔ)言處理程序（匯編和編譯程序等）、服務(wù)性程序（支撐軟件）和數據庫管理系統等。
⑴ 操作系統OS（Operating System）
操作系統是系統軟件的核心。為了使計算機系統的所有資源（包括硬件和軟件）協(xié)調一致、有條不紊地工作，就必須用一個(gè)軟件來(lái)進(jìn)行統一管理和統一調度，這種軟件稱(chēng)為操作系統。它的功能就是管理計算機系統的全部硬件資源、軟件資源及數據資源，從圖1-10可以看出，操作系統是最基本的系統軟件，其他的所有軟件都是建立在操作系統的基礎之上的。操作系統是用戶(hù)與計算機硬件之間的接口，沒(méi)有操作系統作為中介，用戶(hù)對計算機的操作和使用將變得非常難且低效。操作系統能夠合理地組織計算機整個(gè)工作流程，最大限度地提高資源利用率。操作系統在為用戶(hù)提供一個(gè)方便、友善、使用靈活的服務(wù)界面的同時(shí)，也提供了其他軟件開(kāi)發(fā)，運行的平臺。它具備五個(gè)方面的功能，即CPU管理，作業(yè)管理，存儲器管理，設備管理及文件管理。操作系統是每一臺計算機必不可少的軟件，現在具有一定規模的現代計算機甚至具備幾個(gè)不同的操作系統。操作系統的性能在很大程度上決定了計算機系統工作的優(yōu)劣。微型計算機常用的操作系統有DOS（Disk Operating System）、Unix、Xenix、Linux、Windows98/2000、NetWare、WindowsNT、WindowsXP等。
⑵ 語(yǔ)言處理程序
在介紹語(yǔ)言處理程序之前，很有必要先介紹一下計算機程序設計語(yǔ)言的發(fā)展。
軟件是指計算機系統中的各種程序，而程序是用計算機語(yǔ)言來(lái)描述的指令序列。計算機語(yǔ)言是人與計算機交流的一種工具，這種交流被稱(chēng)為計算機程序設計。程序設計語(yǔ)言按其發(fā)展演變過(guò)程可分為三種：機器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級語(yǔ)言，前二者統稱(chēng)為低級語(yǔ)言。
機器語(yǔ)言（Machine Language）是直接由機器指令（二進(jìn)制）構成的，因此由它編寫(xiě)的計算機程序不需要翻譯就可直接被計算機系統識別并運行。這種由二進(jìn)制代碼指令編寫(xiě)的程序最大的優(yōu)點(diǎn)是執行速度快、效率高，同時(shí)也存在著(zhù)嚴重的缺點(diǎn)：機器語(yǔ)言很難掌握，編程繁瑣、可讀性差、易出錯，并且依賴(lài)于具體的機器，通用性差。
匯編語(yǔ)言（Assemble Language）采用一定的助記符號表示機器語(yǔ)言中的指令和數據，是符號化了的機器語(yǔ)言，也稱(chēng)作“符號語(yǔ)言”。匯編語(yǔ)言程序指令的操作碼和操作數全都用符號表示，大大方便了記憶，但用助記符號表示的匯編語(yǔ)言，它與機器語(yǔ)言歸根到底是一一對應的關(guān)系，都依賴(lài)于具體的計算機，因此都是低級語(yǔ)言。同樣具備機器語(yǔ)言的缺點(diǎn)，如：缺乏通用性、繁瑣、易出錯等），只是程度上不同罷了。用這種語(yǔ)言編寫(xiě)的程序（匯編程序）不能在計算機上直接運行，必須首先被一種稱(chēng)之為匯編程序的系統程序“翻譯”成機器語(yǔ)言程序，才能由計算機執行。任何一種計算機都配有只適用于自己的匯編程序（Assembler）。
高級語(yǔ)言又稱(chēng)為算法語(yǔ)言，它與機器無(wú)關(guān)，是近似于人類(lèi)自然語(yǔ)言或數學(xué)公式的計算機語(yǔ)言。高級語(yǔ)言克服了低級語(yǔ)言的諸多缺點(diǎn)，它易學(xué)易用、可讀性好、表達能力強（語(yǔ)句用較為接近自然語(yǔ)言的英文字來(lái)表示）、通用性好（用高級語(yǔ)言編寫(xiě)的程序能使用在不同的計算機系統上）。但是，對于高級語(yǔ)言編寫(xiě)的程序仍不能被計算機直接識別和執行，它也必須經(jīng)過(guò)某種轉換才能執行。
高級語(yǔ)言種類(lèi)很多，功能很強，常用的高級語(yǔ)言有：其中面向過(guò)程的有Basic、用于科學(xué)計算的Fortran、支持結構化程序設計的Pascal、用于商務(wù)處理的COBOL和支持現代軟件開(kāi)發(fā)的C語(yǔ)言 ；現在又出現了面向對象的VB（Visual Basic）、VC++(Visual C++)、Delphi、Java等語(yǔ)言使得計算機語(yǔ)言解決實(shí)際問(wèn)題的能力得到了很大的提高。
? ? Fortran 語(yǔ)言在1954年提出，1956年實(shí)現的。適用于科學(xué)和工程計算，它已經(jīng)具有相當完善的工程設計計算程序庫和工程應用軟件。
? ? Pascal 語(yǔ)言是結構化程序設計語(yǔ)言，適用于教學(xué)、科學(xué)計算、數據處理和系統軟件開(kāi)發(fā)等，目前逐漸被C語(yǔ)言所取代。
? ? C語(yǔ)言是美國B(niǎo)ell實(shí)驗室開(kāi)發(fā)成功的，是一種具有很高靈活性的高級語(yǔ)言。它語(yǔ)言程序簡(jiǎn)潔，功能強，適用于系統軟件、數據計算、數據處理等，成為目前使用得最多的程序設計語(yǔ)言之一。
? ? Visual Basic是在Basic語(yǔ)言的基礎上發(fā)展起來(lái)的面向對象的程序設計語(yǔ)言的，它既保留了Basic語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，同時(shí)又具有很強的可視化界面設計功能，能夠迅速地開(kāi)發(fā)Windows應用程序，是重要的多媒體編程工具語(yǔ)言。
? ? C++是一種面向對象的語(yǔ)言。面向對象的技術(shù)在系統程序設計、數據庫及多媒體應用等諸多領(lǐng)域得到廣泛應用。專(zhuān)家們預測，面向對象的程序設計思想將會(huì )主導今后程序設計語(yǔ)言的發(fā)展。
? ? Java是一種新型的跨平臺分布式和程序設計語(yǔ)言。Java以它簡(jiǎn)單、安全、可移植、面向對象、多線(xiàn)程處理和具有動(dòng)態(tài)等特性引起世界范圍的廣泛關(guān)注。Java語(yǔ)言是基于C++的，其最大的特色在于“一次編寫(xiě)，處處運行”。Java已逐漸成為網(wǎng)絡(luò )化軟件的核心語(yǔ)言。
語(yǔ)言處理程序的功能是將除機器語(yǔ)言以外，利用其他計算機語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，轉換成機器所能直接識別并執行的機器語(yǔ)言程序的程序?？梢苑譃槿N類(lèi)型，即匯編程序、編譯程序和解釋程序。通常將匯編語(yǔ)言及各種高級語(yǔ)言編寫(xiě)的計算機程序稱(chēng)為源程序（Source Program），而把由源程序經(jīng)過(guò)翻譯（匯編或者編譯）而生成的機器指令程序稱(chēng)為目標程序 (Object Program)。語(yǔ)言處理程序中的匯編程序與編譯程序具有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即必須生成的目標程序，然后通過(guò)執行目標程序得到最終結果。而解釋程序是對源程序進(jìn)行解釋?zhuān)ㄖ鹁浞g），翻譯一句執行一句，邊解釋邊執行，從而得到最終結果。解釋程序不產(chǎn)生將被執行的目標程序，而是借助解釋程序直接執行源程序本身。
應該注意的是，除機器語(yǔ)言外，每一種計算機語(yǔ)言都應具備一種與之對應的語(yǔ)言處理程序。
⑶ 服務(wù)性程序（支撐軟件）是指為了幫助用戶(hù)使用與維護計算機，提供服務(wù)性手段，支持其他軟件開(kāi)發(fā)而編制的一類(lèi)程序。此類(lèi)程序內容廣泛，主要有以下幾種：
? ? 工具軟件：工具軟件主要是幫助用戶(hù)使用計算機和開(kāi)發(fā)軟件的軟件工具，如美國Central Point Software公司推出的PC tools。
? ? 編輯程序：編輯程序能夠為用戶(hù)提供一個(gè)良好的書(shū)寫(xiě)環(huán)境。如EDLIN、EDIT、寫(xiě)字板等。
? ? 調試程序：調試程序用來(lái)檢查計算機程序有哪些錯誤，以及錯誤位置，以便于修正，如DEBUG。
? ? 診斷程序：診斷程序主要用于對計算機系統硬件的檢測和維護。能對CPU、內存、軟硬驅動(dòng)器、顯示器、鍵盤(pán)及I/O接口的性能和故障進(jìn)行檢測。
⑷ 數據庫管理系統。
數據庫技術(shù)是計算機技術(shù)中發(fā)展最快、用途廣泛一個(gè)分支，可以說(shuō)，在今后的各項計算機應用開(kāi)發(fā)中都離不開(kāi)數據庫技術(shù)。數據庫管理系統是對計算機中所存放的大量數據進(jìn)行組織、管理、查詢(xún)有效提供一定處理功能的大型系統軟件。主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是基于微型計算機的小型數據庫管理系統，如FoxBase和Foxpro；另一類(lèi)是大型數據庫管理系統。
2. 2.應用軟件
應用軟件是指在計算機各個(gè)應用領(lǐng)域中，為解決各類(lèi)實(shí)際問(wèn)題而編制的程序，它用來(lái)幫助人們完成在特定領(lǐng)域中的各種工作。應用軟件主要包括：為解決各類(lèi)實(shí)際問(wèn)題而編制的程序，它用來(lái)幫肋人們完成在特定領(lǐng)域中的各種工作。應用軟件主要包括：
⑴ 文字處理程序：文字處理程序用來(lái)進(jìn)行文字錄入、編輯、排版、打印輸出的程序，如Microsoft Word、Wps2000等。
⑵ 表格處理軟件：電子表格處理程序用來(lái)對電子表格進(jìn)行計算機、加工、打印輸出的程序，如Lotus、Excel等。
⑶ 輔助設計軟件：軟件開(kāi)發(fā)程序是為用戶(hù)進(jìn)行各種應用程序的設計而提供的程序或軟件包。常用的有AutoCAD、Photoshop、3D Studio MAX等。另外，上述的各種語(yǔ)言及語(yǔ)言處理程序也為用戶(hù)提供了應用程序設計的工具，也可視為軟件開(kāi)發(fā)程序。
⑷ 實(shí)時(shí)控制軟件：在現代化工廠(chǎng)里，計算機普遍用于生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，稱(chēng)為“實(shí)時(shí)控制”。例如，在化工廠(chǎng)中，用計算機控制配料、溫度、閥門(mén)的開(kāi)閉；在煉鋼車(chē)間，用計算機控制加料、爐溫、冶煉時(shí)間等；在發(fā)電廠(chǎng)，用計算機控制發(fā)電機組等。這類(lèi)控制對計算機的可靠性要求很高，否則會(huì )生產(chǎn)出不合格產(chǎn)品，或造成重大事故。目前，PC機上較流行的軟件有FIX、InTouch、Lookout等。
⑸ 用戶(hù)應用程序；用戶(hù)應用程序是指用戶(hù)根據某一具體任務(wù)，使用上述各種語(yǔ)言、軟件開(kāi)發(fā)程序而設計的程序。如人事檔案管理程序、計算機輔助教學(xué)軟件、各種游戲程序等。
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