二、计算机系统

计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。随着集成电路和计算机技术的迅速发展以及计算机应用的不断深化，计算机系统越来越复杂，但无论系统有多复杂，任何一台计算机系统都是由硬件和软件组成的。硬件系统是指一台计算机的物理设备，软件系统是指在硬件设备上运行的各种程序及其文档，它们之间相互配合、协同工作。计算机系统结构如图1-2所示。

1.计算机硬件系统

计算机硬件系统是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成。例如，计算机的机箱、键盘、鼠标器、显示器、打印机、计算机主板、各类扩充板卡等。直观地看，计算机硬件都看得见、摸得着，是计算机进行工作的物质基础，也是计算机软件发挥作用、施展其技能的舞台。

计算机硬件一般由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。其中运算器和控制器合称为中央处理器（Central Processing Unit,CPU），它是计算机中最重要的一个部分。如果把计算机比作人，那么 CPU 就是人的大脑。它的主要技术指标之一是主频，主频表示CPU的内部工作频率。主频越高，表明CPU的运算速度越快，当然性能也越好。

（1）运算器（Arithmetic Unit）

运算器的主要功能是完成对数据的算术运算、逻辑运算和逻辑判断等操作。在控制器控制下，运算器对取自存储器或其内部寄存器的数据按指令码的规定进行相应的运算，并将结果暂存在内部寄存器或发送到存储器中。

（2）控制器（Control Unit）

控制器是计算机中解释和执行指令的机构，其主要功能是控制运算器、存储器、输入输出设备等部件协调动作。控制器工作时，从存储器取出一条指令，并指出下一条指令所在的存放地址，然后对所取指令进行分析，同时产生相应的控制信号，并由控制信号启动有关部件，使这些部件完成指令所规定的操作。这样逐一执行由一系列指令组成的程序，就能使计算机按照程序的要求，自动完成预定的任务。

（3）存储器（Memory）

存储器是用来存储程序和数据的部件，是计算机的重要组成部分。在实际应用中，用户先通过输入设备将程序和数据存放在存储器中，运行程序时，由控制器从存储器中逐一取出指令并加以分析，发出控制命令以完成指令的操作。

在计算机中，存储器容量以字节（Byte,B）为基本单位，一个字节由8个二进制位（bit）组成。存储容量的表示单位除了字节以外，还有KB、MB、GB、TB。按照计算机的二进制方式，1 B＝8 bit,1 KB=1024 B,1 MB=1024 KB,1 GB=1024 MB,1 TB=1024 GB,1 PB=1024 TB,1 EB=1024 PB,1 ZB=1024 EB,1 YB=1024 ZB。

实际应用中，人们总希望存储器能存储的数据越多越好，即存储容量越大越好；从存储器读出或向存储器写入数据的速度越快越好，即存取周期越短越好。但是，由于技术和价格的原因，存储器的存储容量和存取周期之间存在着矛盾。因此，在计算机中，一般把存储器分成主存储器（内存）和外存储器（外存）。

① 主存储器，也称内存储器，简称内存。它是微型计算机主机的组成部分，由高速半导体存储器芯片组成，是计算机运行过程中临时存放程序和数据的地方。计算机工作时，把要处理的数据，先从外存调入内存，再从内存调入 CPU;CPU 处理完毕后，将数据送到内存，最后保存到外存。

微型计算机的内存根据其工作方式的不同，可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

• RAM（Random Access Memory）。其中的数据可随机地读出或写入，用来存放从外存调入的程序和有关数据以及从CPU送出的数据。人们通常所说的内存实际上指的是RAM。目前，微型计算机的内存容量主要有4 GB、8 GB、16 GB等。需要指出的是，计算机断电后，RAM 中的数据将完全丢失。因此，用户在结束计算机操作时，应该将新建或修改过的程序及文件保存到外存。

• ROM（Read Only Memory）。ROM在内存中只占很小的一部分，在通常情况下CPU对其只取不存。因此，ROM一般用来存放一些固定的、专用的程序或数据。

② 外存储器，简称外存。由于主存储器的容量有限，所以计算机的外部设备中都配有外存储器。外存容量可以很大，能存放大量的暂时不用的程序和数据。目前，计算机上经常使用的外存主要有USB闪存盘（U盘）、硬盘和光盘等。

U盘是一种采用USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，它采用的存储介质为闪存（Flash Memory）。它不需要额外的驱动器，将驱动器及存储介质合二为一，只要插在计算机的USB接口或通过一个USB转接电缆（具有 A-Type Plug and A-Type Receptacle）与计算机连接就可独立地存储读写数据。U盘体积很小，重量极轻，特别适合随身携带，无任何机械式装置，抗震性能极强。另外，U 盘还具有防潮防磁、耐高低温（-40℃～+70℃）等特性，安全可靠性很好。理论上一台计算机可同时连接127个U盘，但由于驱动器盘符采用26个英文字母以及现有的驱动器需占用几个英文字母，故最多可以接23个U盘（除开 A、B、C）且需要USB HUB的协助。

机械硬盘和固态硬盘通常固定在计算机的主机箱内，是计算机最重要的外存储器。硬盘具有比光盘和U盘大得多的容量和快得多的速度，而且可靠性高，使用寿命长。计算机的操作系统、大量的应用软件和数据都存放在硬盘上。

机械硬盘由多片表面涂覆磁性材料的金属薄膜盘片叠装而成，密封固定在硬盘驱动器里，不能随意更换，如图1-3所示。对于盘片中存放数据的每个面，都有一个相应的读写磁头。

固态硬盘（Solid State Drive）是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘，由控制单元和存储单元（Flash芯片、DRAM芯片）组成，如图1-4所示。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘完全相同，在产品外形和尺寸上也与普通硬盘完全一致，被广泛应用于军事、工业控制、电力、医疗、航空等领域。

（4）计算机母板（motherboard）

计算机母板，又叫主机板（mainboard）、系统板（systemboard）或主板。它安装在机箱内，是计算机最基本也是最重要的部件之一。主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有 BIOS 芯片、I/O 控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件，如图1-5所示。

主板采用了开放式结构。主板上大都有6～15个扩展插槽，供计算机外围设备的控制卡（适配器）插接，如图1-6所示。通过更换这些插卡，可以对计算机的相应子系统进行局部升级，使厂家和用户在配置机型方面有更大的灵活性。总之，主板在整个计算机系统中有着举足轻重的作用。可以说，主板的类型和档次决定着整个计算机系统的类型和档次，主板的性能影响着整个计算机系统的性能。

（5）基本输入输出设备

输入设备（Input Device）用于输入程序和所需处理的原始数据（包括文本、图形、图像、声音等）；输出设备（Output Device）用于输出计算机的运行或数据处理结果。目前，计算机上使用的基本输入设备是键盘和鼠标器，基本输出设备是显示器。

键盘是计算机中最基本的输入设备。键盘上排列了字母、数字、符号键等。通过按键操作，可把命令、程序和数据等信息手工输入到计算机中。根据键数的不同，键盘可分为101键、104键及带有播放VCD/CD和上网功能键的多媒体键盘。104键与101键相比，多了3个Windows专用键。计算机键盘如图1-7所示。

鼠标器简称鼠标，是计算机系统中的辅助输入设备。其外形小巧，移动自然，早期的鼠标尾部有一条连接计算机的电缆，形似老鼠，故得其名。鼠标是一种“指点”设备，它的表面有2个或3个按键，通过鼠标可对操作对象进行单击、双击、拖动等操作，在菜单式软件、图形软件中，使用尤为方便灵活。在 Windows 中，鼠标已成为必备的输入控制工具，如图1-8所示。

显示器是计算机最基本的输出设备，也是人机对话的主要工具，如图1-9所示。计算机通过显示器向用户提供各种应用软件的操作界面，用户可以在这些界面上输入数据、选择各种功能、获知程序运行的结果等。无论是输出文字，还是图形或图像，显示器屏幕上总是用光点（像素）来构成输出内容，因此，点距越小越好，例如，0.25 mm。此外，光点的行列数越多，分辨率越高，例如，显示分辨率为1024像素×768像素，表示每屏有1024×768个光点。显示器按显示颜色来分，可分为单色和彩色；按屏幕大小来分，可分为14英寸、15英寸、17英寸和21英寸等多种规格。

2.计算机软件系统

所谓软件是指为方便使用计算机和提高使用效率而组织的程序以及用于开发、使用和维护的有关文档。软件系统可分为系统软件和应用软件两大类，其结构如图1-10所示。

（1）系统软件（System Software）

系统软件由一组控制计算机系统并管理其资源的程序组成，其主要功能包括：启动计算机，存储、加载和执行应用程序，对文件进行排序、检索，将程序语言翻译成机器语言等。实际上，系统软件可以看作是用户与计算机的接口，它为应用软件和用户提供了控制、访问硬件的手段，这些功能主要由操作系统完成。此外，编译系统和各种工具软件也属此类，它们从另一方面辅助用户使用计算机。

① 操作系统（Operating System,OS）。操作系统是管理、控制计算机的软、硬件和数据资源的大型程序，是用户和计算机之间的接口，并提供了软件的开发和应用环境。

操作系统的分类方法很多，按计算机的机型划分，可以分为大型机，中、小型机和微型机操作系统；按计算机用户的数目划分，可以分为单用户和多用户操作系统；按操作系统的功能特征划分，可分为批处理操作系统、实时操作系统和分时操作系统。

操作系统随着计算机硬件技术的发展而发展，从简单到复杂。Microsoft 公司开发的DOS是一种单用户单任务系统，而Windows操作系统则是一种多户多任务系统，经过多年的发展，已从Windows 3.1发展到Windows NT、Windows 2000、Windows XP、Windows vista、Windows 7和Windows 8等。它是当前计算机机中广泛使用的操作系统之一。Linux是一个源码公开的操作系统，程序员可以根据自己的兴趣和灵感对其进行改变，这让 Linux吸收了无数程序员的精华，不断壮大，已被越来越多的用户所采用，是Windows操作系统强有力的竞争对手。

② 程序设计语言。人和计算机交流信息使用的语言称为计算机语言或称程序设计语言。计算机语言通常分为机器语言、汇编语言和高级语言三类。

• 机器语言是用二进制代码编写的能够直接被机器识别的程序设计语言。它的优点是不需要翻译就能够被计算机识别，因而执行速度快；缺点是不易书写和阅读，直观性差（全是数字0和1），在使用时难记、易出错，且针对具体机型，局限性大。

• 汇编语言是用能够反映指令功能的助记符来表示指令的程序设计语言，即符号化的机器语言。汇编语言的优点是运算速度快，比机器语言易于书写和修改；缺点是因为采用了大量的助记符，所以记忆和掌握起来仍然比较困难。

• 高级语言是用不依赖于机器的指令形式表达操作意图的程序设计语言。高级语言的表示方式更接近于人类的自然语言。高级语言的特点是：相对于机器语言和汇编语言，运行速度较慢，但是它易于书写和修改，而且容易被人们掌握。人们常用的高级语言有：Basic、Fortran、Pascal、C等。

由于计算机只能直接执行机器语言，因此用汇编语言或是高级语言编写的程序，计算机是不能立即执行的，需要经过语言处理程序翻译成计算机能够直接识别和执行的机器指令代码。翻译过程一般有两种方式：解释方式和编译方式。从汇编语言到机器语言的翻译程序称为汇编程序；从高级语言到机器语言的翻译程序称为编译程序。编译是先将整段的源程序翻译成目标程序，然后执行。

③ 数据库管理系统。在计算机应用中数据处理占据很大比例，如何存储、利用和管理大量的数据以及如何使多个用户共享同一数据资源是数据处理必须解决的问题。

④ 网络系统软件。计算机网络将分布在不同地理位置的多个独立计算机系统用通信线路连接起来，实现互相通信、资源共享。计算机网络的构成为：网络硬件、网络拓扑结构、传输控制协议和网络软件。网络软件主要指的是网络操作系统。

⑤ 服务程序。系统软件中还包括一些服务性程序，以便于用户对计算机的使用和维护。

（2）应用软件

应用软件是为了解决用户的各种实际问题而设计的软件，因此应用软件都是针对某一特定的问题或某一特定的需要。前面介绍的计算机在各个领域的应用，就是通过应用软件来实现的。应用软件的功能和质量会直接影响到计算机的应用范围与实际经济效益。

计算机软、硬件系统不是独立发挥作用的，而是要相互结合。计算机硬件是基础，而许多硬件都需要有软件的支持才能正确发挥作用，软件是硬件的“驱动程序”。所有软件都需先安装一个相应的操作系统软件后，其他软件才能进行安装，操作系统是所有计算机软件发挥作用的平台。应用软件的安装原则上没有先后次序规定，但要注意的是其版本要与相应的操作系统的版本兼容。