1.2.4 计算机硬件和软件

1.计算机硬件

硬件是指构成计算机系统的物理设备总称，通常是电子的、机械的、磁性的或光的元器件或装置。计算机硬件由中央处理器、存储器、输入设备和输出设备等构成。

① 中央处理器（CPU）

CPU：是整台计算机的核心部件，它主要由运算器和控制器两大部分组成。

运算器：又称为算术逻辑单元，它是计算机对数据进行加工处理的部件，包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非、异或、比较等），其主要功能是执行算术运算与逻辑运算，如取数、送数、相加、移位等，运算器按控制器发出的命令来完成各种操作。

控制器：控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、指令发生部件所组成。控制器负责从存储器中取出指令，对指令进行译码，并根据指令的要求，按时间的先后顺序，对各个部件发出控制信号，保证各部件协调一致地工作，然后按部就班地完成各种操作。控制器是按指令的要求来指挥的，而指令是由人输入的，可见计算机最终还是由人来指挥工作的。

因为计算机的所有工作都要通过CPU来协调处理，所以CPU芯片的型号直接决定着计算机档次的高低。随着CPU型号的不断更新，计算机的性能也不断提高，形成了不同档次的计算机。衡量CPU的指标主要有：CPU型号、字长、主频。字长指CPU一次能处理的数据的二进制位数，它体现了CPU处理数据的能力。主频越高，则PC的运行速度也就越高。当然CPU只是计算机重要组成部分（核心），但本身不构成独立的工作系统，因而也不能独立地执行程序。

② 存储器

计算机系统的存储功能主要由内存储器和外存储器构成。内存储器又称为主存储器，外存储器又称为辅助存储器。

• 主存储器：主要由半导体器件组成，存放计算机当前运行的程序和数据。主存储器又分为随机存储器和只读存储器。

随机存储器：随机存储器（RAM）可以分为静态随机存取存储器（SRAM）与动态随机存取存储器（DRAM），SRAM在速度上优于DRAM。系统板上的随机存储器（RAM），一般采用动态随机存储器（DRAM）。RAM中的信息可以随机地读出或写入，计算机一旦断电，RAM中的信息立即消失，通电后不能恢复，故需要将数据保存到外部存储器上才能长期保存。

只读存储器：只读存储器（ROM）中只能读出信息，不能写入信息，里面存放着在最初制造时就被存放进去的固定不变的信息。存放在ROM中的信息，在没有电源的情况下也能长期保存。一般在系统板上插有名为ROM BIOS的只读存储器芯片，其中固化了计算机所必需的基本输入/输出系统，即BIOS。该系统的主要作用是完成对系统的加电自检，各功能模块的初始化，系统的基本输入/输出的驱动以及启动程序等。

• 辅助存储器：辅助存储器也称外部存储器，作为主存的辅助存储部件，大大扩充了存储器的容量。它负责成批地将数据或程序送入内存，也可以将内存中的数据或程序保存至外存中。目前常用的辅助存储器有软盘、硬盘、光盘及网络存储器等。

• 高速缓冲存储器（Cache）：随着CPU工作频率的提高，它对RAM的读写速度要求也相应提高。由于目前系统对RAM的存取速度远远跟不上CPU执行指令的速度，因此，在执行存放在RAM中的一段程序的整个时间中，绝大部分时间CPU处于等待指令的状态，这大大降低了CPU的工作效率，故微机中通常在CPU与内存之间配置了Cache的存储装置。Cache一般是由存取速度远比动态存储器高得多的静态存储器构造的。

Cache是如何提高存储器的运行速度的呢？

本来每条计算机指令都要由CPU到内存中去取，现在有了Cache就可以将一批即将要处理的计算机指令放在其中。一般情况下CPU只要到Cache中取指令执行，只有当Cache中的指令用完，或者要用的指令不在Cache中，才到内存中再取一批指令，这样计算机运行的速度可以大大加快。

综上所述，计算机的存储系统呈现了Cache-Memory-Disk三层结构的层次形式。和CPU的寄存器最接近的是高速缓冲存储器，中间层是内存（包括RAM和ROM），底层是辅助存储器。

计算机内存和外存之间的分工是建立在这样一个原理基础上的：内存存放正在运行的程序和正在使用的数据，外存存放目前不运行的程序和使用不到的数据。这种运行方式往往使能够运行的程序的大小受到内存容量的限制，也就是运行不了大程序，也运行不了多道程序。

20世纪50年代末、60年代初，由英国曼彻斯特大学首先提出了计算机的虚拟存储技术，用来解决利用有限的内存空间运行更大的程序，甚至多道程序的问题。它的基本思想是把内存当作“前台”，外存当作“后台”，通过合理的调度，前后台不断地进行信息交换，来完成大程序和多道程序的运行。

在Windows操作系统中虚拟存储器的大小是可以通过软件设置的。虚拟存储器的大小占有一定比例的硬磁盘空间，比例过小虚拟存储器的作用不明显，比例过大又会使用于文件、数据存储的硬磁盘空间过小，也会使系统的效率降低。

③ 输入/输出设备

• 输入设备（Input_Unit）：计算机要进行数据处理，则需先把程序和数据输送给计算机，这就需要一种设备将程序和数据的信息转换成相应的电信号，让计算机能接收，这样的设备叫做输入设备，如键盘、鼠标、光笔、图形扫描器、外存储器等。

• 输出设备（Output_Unit）：在中央处理器中，有需要输出的处理结果，就要产生与处理结果相对应的各种电信号，然后将这些电信号或在屏幕上显示，或在打印机上打印，或在外存储器上存放，能将计算机内部信息传递出来的设备就是输出设备，如显示器、打印机。

2.计算机软件

简单说，软件是一些程序的集合。这些程序有的用来支持计算机工作和扩大计算机的功能，有的则专为某种具体问题而编制。由于这些程序是看不见、摸不着的，所以叫做“软件”。只有硬件而没有软件，计算机几乎是无用的。只有当软件和硬件结合成一体组成计算机系统后，才能发挥计算机的作用。

计算机软件可以分为系统软件和应用软件两类。为运行计算机而必须的最基本的软件称为系统软件。系统软件主要是指操作系统以及语言处理工具（程序设计语言及其编译、解释程序，调试、查错程序等等）和工具软件。为完成某种具体的应用性任务而编制的软件称为应用软件，例如字处理软件，电子表格软件，演示文稿制作软件，等等。

从是否开放软件的源代码角度分类，软件可以分为非开源软件和开源软件。传统的商业软件一般都是非开源软件，不对公众开放软件的源代码。20世纪90年代开始兴起了开源软件，这种软件代码完全向公众开放。开源软件有独特的开放许可证制度，赋予公众自由使用、分发、复制、修改软件的权利，通过法律形式保证了软件的自由开放形式。

从是否需要在客户端计算机上安装软件的角度分类，软件可以分为客户端软件和在线软件。传统的软件需要用户先购买软件使用许可，再将软件在客户端计算机上安装后才能使用。随着因特网技术的发展和应用软件的成熟，21世纪开始兴起了一种完全创新的软件应用模式——在线软件，它遵循软件即服务的原则，通过因特网提供软件服务，用户无须安装，只要上网就能使用厂商提供的软件服务。

（1）系统软件

系统软件包括各种语言的汇编、解释或编译系统，如计算机监控、调试、诊断、故障检测程序，数据库管理程序，操作系统和网络通信管理程序等。系统软件根据所完成功能的不同，可以分为以下四类：

① 操作系统

操作系统（Operating System，OS）是计算机最基本也是最重要的软件包。目前普遍被接受的操作系统的定义是：操作系统是用以控制和管理系统资源、方便用户使用计算机的程序的集合。操作系统的基本功能有两个：一是管理、调度计算机系统的资源；二是为用户方便地使用计算机提供友好的界面和良好服务。

一般来说，目前常用的操作系统有Microsoft的Windows系列，Apple的Macintosh OS、HPUX，SUN Solaris和Linux等。从使用和技术相结合的角度，可以把操作系统分为：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统和网络操作系统。操作系统的主要功能有：

• 资源管理。计算机中的资源主要有：处理器、存储器、输入输出设备和文件信息四种，统称为系统资源。操作系统能控制和管理所有程序的运行，并管理和调度程序运行过程中所需要的这些系统资源。

• 人/机接口界面管理。操作系统是用户与计算机的接口，任何其他程序都只有通过操作系统才能使用计算机硬件。操作系统从早期的文字窗口的字符串命令操作界面，发展到菜单式操作界面，又发展到图形窗口操作界面，大大方便了人们的使用。

② 语言处理程序

这类程序主要帮助用户开发信息系统。它是将各种程序设计语言所编写的源程序，“翻译”成计算机的机器语言，从而能被计算机直接执行的一种程序，主要包括各种语言解释器、编译器、程序设计工具及计算机辅助软件工程包。

③ 工具软件

实用工具软件是系统软件的一个组成部分，用来帮助用户更好地控制、管理和使用计算机的各种资源，如管理内存、优化磁盘的使用、制作备份、显示系统信息、抗病毒等。工具软件种类繁多，主要有：系统工具、网络工具、驱动程序、开发工具和杀毒软件等。

④ 数据库管理系统

数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS）也是一种系统软件包，这种软件包帮助企业开发、使用、维护和组织数据库。它既能将所有数据集成在数据库中，又允许不同用户运用程序方便地存取相同数据库。数据库是数据之间关系错综复杂的数据集合，DBMS能够有效地管理和使用这些数据，它可完成对数据的编辑、查询、统计、排序等操作，常见的数据库管理系统有SQL Server，Visual FoxPro等。

（2）应用软件

在计算机硬件和系统软件的支持下，面向具体问题和具体用户的软件，称为应用软件。应用软件是一些具有一定功能、满足一定要求的应用程序的组合。随着计算机应用的日益广泛深入，各种应用软件的数量不断增加，质量日趋完善，使用更加灵活方便，通用性越来越强，人们只要略加学习一些基础知识和基本方法，就可以利用这些应用软件进行数据处理、文字处理、辅助设计等。从应用领域的不同对应用软件分类可分为：信息管理类、文字表格处理软件、教育软件、游戏软件、翻译软件、多媒体软件和图形图像处理软件等。

必须指出，系统软件和应用软件之间并不存在明显的界限。随着计算机应用的广泛深入，各种各样的应用软件中就有了许多共同的东西，把这些共同的东西抽取出来，形成一个新的通用软件，它就逐渐成为系统软件了。如数据库一开始是作为应用软件出现的，现在已形成作为系统软件的数据库管理系统了。