1.3　计算机系统的组成

想要更加全面地了解计算机，首先要知道计算机系统是怎么组成的。计算机是由硬件和软件两部分组成，硬件是计算机赖以工作的实体，是各种物理部件的有机结合，软件是控制计算机运行的灵魂，是由各种程序以及数据组成。计算机系统通过软件协调各硬件部件，并按照指定要求和顺序进行工作。

1.3.1　计算机系统简介

一个完整的计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统两部分组成，如图1-4所示。计算机硬件系统是构成计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机的实体，通常包括运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五个部分。计算机软件系统是运行、管理和维护计算机的各类程序和数据及有关资料的总和。计算机的软件系统由系统软件和应用软件构成。

图1-4　计算机系统的组成

没有安装任何操作系统和其它软件的计算机称为裸机，计算机系统层次结构如图1-5所示。

图1-5　计算机系统层次结构

1.3.2　计算机硬件系统

计算机硬件系统是计算机的实体，也是计算机的物质基础，硬件系统的构成并不是仅仅只有日常我们观察到的外观所含各部件如图1-6所示，通常情况下 计算机的硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

图1-6　计算机外观

（1）运算器

计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件就是运算器。运算器包括寄存器、加法器和控制线路等组成，基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较等操作。计算机运行时，运算器的操作由控制器决定，运算器处理的数据来自存储器，处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。

（2）控制器

控制器是指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作的部件，是计算机的神经中枢和指挥中心。控制器主要负责从存储器中读取指令，并对指令进行翻译，确定指令类型，根据指令要求负责向其它部件发出控制信息，保证各部件协调一致地工作。

① 指令和指令系统　为了让计算机按照人们的需求正常地进行工作，需要设计一系列命令指挥计算机运行，于是就产生了指令，指令就是计算机执行某种操作的命令。一条指令，通常包括两方面内容：操作码和操作数。其中，操作码通常表示执行什么操作；操作数给出参与操作的数据的地址，指明操作对象。操作数又分为源操作数和目的操作数，源操作数指明参加运行的操作数的来源，目的操作数指明保存运行结果的存储单元地址或寄存器名称。

指令的格式如表1-5所示。

表1-5　指令的基本格式

指令系统是指一台计算机所能执行的全部指令的集合。

② 指令的执行过程　计算机的工作过程就是按照控制器的控制信号自动、有序地执行指令的过程。一条指令的执行包括读取指令、分析指令、生成控制信号、执行指令几个过程。

（3）中央处理器（CPU）

运算器和控制器组成了中央处理单元，也就是人们通常所说的CPU，也叫微处理器，如图1-7所示，这是计算机系统的核心部件，其重要性好比心脏对于人一样。实际上，处理器的作用和大脑更相似，因为它负责处理、运算计算机内部的所有数据。CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等构成。

图1-7　中央处理器

计算机的发展主要表现在其核心部件—微处理器的发展上，每当一款新型的微处理器出现时，就会带动计算机系统的其它部件的相应发展。微处理器的发展大体可划分为6个阶段。

第1阶段（1971～1973年）是4位和8位低档微处理器时代，通常称为第1代，其典型产品是Intel4004和Intel8008微处理器。

第2阶段（1974～1977年）是8位中高档微处理器时代，通常称为第2代，其典型产品是Intel8080/8085。

第3阶段（1978～1984年）是16位微处理器时代，通常称为第3代，其典型产品是Intel公司的8086/8088。

第4阶段（1985～1992年）是32位微处理器时代，又称为第4代。其典型产品是Intel公司的80386/80486。

第5阶段（1993～2005年）是奔腾（Pentium）系列微处理器时代，通常称为第5代。典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6、K7系列微处理器芯片。

第6阶段（2005年至今）是酷睿（Core）系列微处理器时代，通常称为第6代。

（4）存储器

存储器是具有存储记忆功能的设备，主要用来存放输入设备送来的程序和数据，以及运算器送来的中间结果和最后结果。

按照不同的标准存储器可分为不同的类别：按存储介质可分为半导体存储器和磁表面存储器；按信息保存性可分为非永久记忆的存储器和永久记忆性存储器；按用途可分为内存（主存储器、内部存储器）和外存（辅助存储器、外部存储器）。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序。

① 内存储器　内存储器简称内存，也称主存，是计算机中重要的部件之一，如图1-8所示，它是与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存储器中进行的，因此内存储器的性能对计算机的影响非常大。其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来。内存的特点是存储速度快，但存储容量小。

图1-8　内存

内存一般采用半导体存储单元，包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

a．随机存储器　随机存储器既可以读（取）又可以写（存），主要用来存取系统运行时的程序和数据。RAM的特点是存取速度快，但断电后存放的信息会全部丢失。

随机存储器可分为动态存储器（DRAM）和静态存储器（SRAM）两大类。DRAM的特点是集成度高，主要用于大容量内存储器；SRAM的特点是存取速度快，主要用于高速缓冲存储器。

b．只读存储器　只读存储器顾名思义只能读出不能随意写入信息，其最大的特点是断电后其中的信息不会丢失。只读存储器一般用来存放一些固定的程序和数据，这些程序和数据是在计算机出厂时由厂家一次性写入的，并永久保存下来。

常用的只读存储器有可编程ROM（PROM）、可擦除可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）和快擦除ROM（FROM）。

c．高速缓冲存储器　在计算机技术发展过程中，主存储器存取速度一直比中央处理器操作速度慢得多，使中央处理器的高速处理能力不能充分发挥，整个计算机系统的工作效率受到影响，为了解决中央处理器和主存储器之间速度不匹配的矛盾大多计算机都采用了高速缓冲存储器。

内部存储器的主要性能指标有两个：存储容量和存取速度。存储容量是指一个存储器包含的存储单元总数；存取速度是指CPU从内存储器中存取数据所需的时间。

② 外部存储器

外部存储器又称为辅助存储器、外存，是指除计算机内存及CPU缓存以外的存储器。它的存储容量大，是内存容量的数十倍或者数百倍，是内存的补充和后援，此类存储器一般断电后仍然能保存数据。常见的外存储器有硬盘、光盘、移动存储器等。

a．硬盘　硬盘是微型计算机非常重要的外部存储器。硬盘具有存取容量大，存取速度快等优点。目前常见的硬盘分为机械硬盘、固态硬盘。机械硬盘采用磁性碟片来存储，固态硬盘采用闪存颗粒来存储。图1-9所示为机械硬盘和固态硬盘外观。

　

图1-9　机械硬盘和固态硬盘外观

一个硬盘内部包含多个盘片，这些盘片被安装在一个同心轴上，每个盘片有上下两个盘面，每个盘面被划分为磁道和扇区。硬盘的每一个盘面有一个读写磁头，磁头是硬盘中最昂贵的部件，也是硬盘技术中最重要和最关键的一环，使用硬盘时应尽量避免振动，防止硬盘磁头损坏导致硬盘不可用。当磁盘旋转时，在磁盘表面划出的圆形轨迹就叫做磁道。磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字节的信息，磁盘读写的物理单位是以扇区为单位。硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。图1-10所示为柱面、磁道与扇区示意图。图1-11所示为硬盘内部结构。

图1-10　柱面、磁道与扇区示意图

图1-11　硬盘内部结构

硬盘的主要性能指标有硬盘容量和转速。硬盘的容量=柱面数×盘面数×扇区数×512B。硬盘转速是指硬盘主轴的旋转速度，单位为转/分钟（r/min），转速是决定硬盘内部传输率的关键因素之一，在很大程度上直接影响硬盘的传输速度。目前市面上硬盘的容量有1T，2T，3T等，转速一般为5400r/min和7200r/min。

b．光盘　光盘是以光信息做为存储的载体并用来存储数据的一种物品。如图1-12所示。光盘存储器具有存储容量大，记录密度高，读取速度快，可靠性高，环境要求低的特点。光盘携带方便，价格低廉，目前已经成为存储数据的重要手段。光盘可分为不可擦写光盘和可擦写光盘两种。

图1-12　光盘

c．移动存储设备　移动存储设备顾名思义，就是可以在不同终端间移动的存储设备，大大方便了资料存储。常见的移动存储设备主要有移动硬盘、U盘、闪存卡。图1-13所示为移动硬盘和U盘。

　　　

图1-13　移动硬盘和U盘

移动硬盘是以硬盘作为存储介质，便于携带的存储产品。目前，移动硬盘的容量已达太字节级，随着科技的发展和进步，未来将有更大容量的移动硬盘推出以满足用户的需求。

U盘全称“USB接口闪存盘”，英文名“USB flash disk”。U盘的称呼最早来源于朗科公司生产的一种新型存储设备，名曰“优盘”，也叫“U盘”，使用USB接口进行连接。其最大的特点就是：小巧便于携带、存储容量大、价格便宜。是移动存储设备之一。

闪存卡是利用闪存技术达到存储电子信息的存储器，一般应用在数码相机、掌上电脑、MP3、MP4等小型数码产品中作为存储介质，样子小巧，犹如一张卡片，所以称之为闪存卡。如图1-14所示。由于闪存卡本身并不能直接被电脑辨认，读卡器就是一个两者的沟通桥梁。读卡器使用USB1.1/USB2.0的传输界面，支持热拔插。与普通USB设备一样，只需插入电脑的USB端口，然后插入存储卡就可以使用了。

图1-14　闪存卡

（5）输入设备

输入设备是指向计算机输入各种数据、程序及各种信息的设备，是计算机和用户之间进行信息交换的桥梁。常用的输入设备有：键盘、鼠标、扫描仪、条形码阅读器、数码摄影机等。

① 键盘　键盘是字母、数字等信息的输入装置，是计算机必不可少的输入设备。图1-15所示为键盘及其使用指法。

　

图1-15　键盘及其使用指法

② 鼠标　其标准称呼应该是“鼠标器”，英文名“Mouse”，鼠标的使用是为了使计算机的操作更加简便快捷，来代替键盘复杂的指令。图1-16所示为鼠标外观。

图1-16　鼠标外观

鼠标的主要操作有左键单击、右键单击、双击（连续按下鼠标左键两次）、拖动（按住鼠标左键不放）等。

（6）输出设备

输出设备是计算机系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印等。即把各种结果以数字、文字、图形、图像、声音等形式表现出来。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

显示器是微型计算机系统中最基本，最必不可少的输出设备。根据显示器的显示原理不同，可分为阴极射线管显示器（CRT）、等离子显示器（PDP）、液晶显示器（LCD）等。分辨率是显示器一项重要的指标参数，分辨率反应屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的像素有多少。由于屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示器可显示的像素越多，画面就越清晰。图1-17所示为常见的显示器。

　

图1-17　常见的显示器

显示器必须配置正确的适配器才能构成完整的显示系统。显示适配器俗称显卡，是主机与显示器之间的接口电路。它的主要功能是将要显示的信息的内码转换成图形点阵，并同步形成视频信号，输出给显示器。

（7）其它硬件设备

计算机的硬件除以上五大部分外，还有一些也是必不可少的，下面我们重点介绍主板和总线。

① 主板　主板又叫主机板、系统板或母板（Motherboard），它安装在机箱内，是微机最基本的也是最重要的部件之一。主板一般为一块矩形印刷电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统。主板是整个计算机的中枢，所有部件及外设都是通过主板与处理器连接在一起，并进行通信，然后由处理器发出相应的指令，执行操作。图1-18所示为主板。

图1-18　主板

② 总线　在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线。按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线是一种内部结构，它是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。

1.3.3　计算机工作原理和工作过程

计算机的基本原理是存储程序控制原理，这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯·诺依曼于1945年提出来的，故称为冯·诺依曼原理。预先要把指挥计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据通过输入设备输送到计算机内存储器中。每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地址去等步骤。

计算机在运行时，先从内存中读取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中读取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再读取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令。如图1-19所示。

图1-19　计算机硬件各部件工作过程示意图

1.3.4　微型计算机的性能指标

判断一台微型计算机的性能好坏，主要从以下几个指标考虑。

① 字长　字长也叫机器字长，是指计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数。字长越长，精度越高，速度也越快，但价格也越昂贵。当前微型计算机的字长有32位、64位。

② 主频　又叫时钟频率，是指计算机CPU在单位时间发出的脉冲数。它在很大程度上决定了计算机的运算速度，主频的单位是兆赫兹（MHz）或吉赫兹（GHz）。时钟频率越高，计算机的性能越好。当然CPU的主频可达1.5GHz以上。

③ 运算速度　运算速度是指单位时间内执行的计算机指令数。单位是次/秒或百万次/秒（MIPS）。

④ 内存容量　内存容量是指内存储器能存储的信息的总字节数，一般说来，内存容量越大，计算机的处理速度越快。内存容量越大，计算机性能越好。

⑤ 内核数　CPU内核数指CPU内执行指令的运算器和控制器的数量。所谓多核处理器就是在一块CPU上集成两个或者两个以上的处理器核心。多核处理器已成为市场主流，大大提高了CPU的多任务处理性能。

1.3.5　计算机的软件系统

一个完整的计算机系统必须软硬件齐全且合理地协调配合，才能正常工作。计算机的软件系统是指计算机中运行的各种程序、数据及相关的文档资料。一般根据软件的用途将其分为系统软件和应用软件两大类。系统软件能保证计算机按照用户的意愿正常运行，满足用户使用计算机的各种需求，帮助用户管理计算机和维护资源，执行用户命令、控制系统调度等。应用软件能满足用户使用需求，实现某一专门的应用目的。

（1）系统软件

系统软件是指管理、控制、维护计算机软硬件资源以及支持其它软件应用的软件。它担负着控制和协调计算机及其外部设备、支持应用软件的开发和运行的任务。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序、数据库系统等。

① 操作系统　操作系统（Operating System，简称OS）是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，任何其它软件都必须在操作系统的支持下才能运行。

操作系统是用户和计算机的接口，同时也是计算机硬件和其它软件的接口。操作系统是一个庞大的控制管理系统，大致包括5个方面的管理功能。

a．处理器管理　处理器是完成运算和控制的设备。在多个程序运行时，每个程序都需要一个处理器，而一般计算机中只有一个处理器，操作系统的一个功能就是安排好处理器的使用权。

b．存储管理　计算机的内存中有成千上万个存储单元，都存放着程序和数据。操作系统负责统一安排与管理存储器各个存储单元的使用，何处存放哪个程序，何处存放哪个数据。

c．设备管理　计算机系统中配有各种各样的外部设备。操作系统的设备管理功能采用统一管理模式，自动处理内存和设备间的数据传递，从而减轻用户为这些设备设计输入输出程序的负担。

d．作业管理　作业是指独立的、要求计算机完成的一个任务。操作系统的作业管理功能可以使有多个运行任务时用户能够合理地共享计算机系统资源。

e．文件管理　计算机系统中的程序或数据都要存放在相应存储介质上。为了便于管理，操作系统把相关的信息集中在一起，称为文件。操作系统的文件管理功能就是负责这些文件的存储、查找、更新和共享。

常见的操作系统有DOS、Windows、Linux、Unix、Nerware等，目前，被广泛使用的操作系统是Windows操作系统。Windows操作系统是微软公司为微型计算机开发的一款基于视窗的操作系统，通过鼠标的操作指挥计算机工作，它为用户提供了最友好的操作界面。

② 语言处理程序　人与人交流需要语言，计算机和人交流同样需要语言。计算机和人交换信息所使用的语言称为计算机语言或者程序设计语言，是用于开发和编写软件的基本工具。程序设计语言一般分为3类：机器语言、汇编语言和高级语言。

机器语言是由二进制 0、1 代码构成，是唯一能被计算机直接识别的语言。由于机器语言是一组0和1组成的字符串，所以难编写、难修改、难维护，程序可读性差。

汇编语言是一种面向机器的程序设计语言，用助记符代替操作码，用地址符号代替操作数。由于汇编语言是机器语言的符号化，与机器语言存在着直接的对应关系，所以汇编语言同样存在着难学难用、容易出错、维护困难等缺点。但是汇编语言也有自己的优点：可直接访问系统接口，汇编程序翻译成机器语言程序的效率高。

高级语言是面向用户的、独立于计算机种类和结构的语言。其最大的优点是：直接使用人们习惯的、易于理解的字母、数字、符号来表达，高级语言的一个命令可以代替几条、几十条甚至几百条汇编语言的指令。因此，高级语言易学易用，通用性强，应用广泛。

常用的高级语言有两类，一种是面向过程的，称为过程化语言，如BASIC、PASICAL、C语言等；一种是面向非过程化的，面向对象的语言，如C++、VB、JAVA等。

除机器语言外，其它语言编写的程序计算机都无法直接识别，需要将用程序设计语言编写的源程序转换成机器语言目标程序的形式，以便计算机能够运行，这一转换是由翻译程序来完成的。翻译程序除了要完成语言间的转换外，还要进行语法、语义等方面的检查，翻译程序统称为语言处理程序。这种“翻译”通常有两种方式：编译方式和解释方式。

编译方式是把源程序全部翻译成机器语言目标程序，然后计算机再运行此目标程序，以完成源程序要处理的运算并取得结果。

解释方式是将源程序输入计算机后逐句翻译，翻译一句执行一句，边翻译边执行，不产生目标程序。

③ 数据库系统　数据库系统包括数据库和数据库管理系统。数据库是在计算机里建立的一组相互关联的数据集合。数据库管理系统是用户用来建立、管理、维护、使用数据库的系统软件，是数据库系统的核心组成部分。用户通过数据库管理系统可以实现对计算机中的数据进行有效地查询、检索、管理。

较为常用的数据库管理系统由Visual Foxpro、Microsoft Access、Oracle、SQL Server等。

（2）应用软件

应用软件是指为特定领域开发、并为特定目的服务的一类软件。应用软件是直接面向用户需要的，它们可以直接帮助用户提高工作质量和效率，甚至可以帮助用户解决某些难题。

在计算机软件中应用软件的种类最多，常见的应用软件包括办公软件（如微软公司开发的Office、金山公司开发的WPS等）、多媒体处理软件（如Photoshop、Flash、绘声绘影等）、网络工具软件（如Web浏览器、邮件收发软件Outlook、下载工具、聊天工具等）、信息管理软件（如人事管理系统、学籍管理系统、工资管理系统、仓库管理系统等）。