任务二 计算机系统组成

任务分析：

本任务需要了解计算机硬件和软件的概念及其关系。知道计算机硬件的各个组成部分及作用，以及存储器和软件的分类，激发读者学习计算机基础知识的兴趣和积极探究的精神。

一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的，如图 1-2-1 所示，其中计算机硬件是指计算机的物理设备，计算机软件是指为运行管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称。计算机硬件是计算机系统的基础，只有硬件系统的计算机叫裸机。计算机软件要与硬件系统配合才能充分发挥计算机的功能。

1.4 硬件系统

1.4.1 总线结构

总线指计算机中各功能部件之间传送信息的通道，采用总线结构的优点：①交换信息、简化链接、方便制造、提高计算机的可靠性；②便于实现硬件扩充，以增加系统的灵活性。

1.总线的分类

（1）地址总线AB（Address Bus）：用来传送地址信息。

（2）数据总线DB（Data Bus）：用于传送数据信息。

（3）控制总线CB（Control Bus）：用来传送控制信号和时序信号。

2.总线的主要技术指标

（1）位宽：能够同时传送二进制的位数。

（2）工作频率：工作频率越高，运行速度越快。

1.4.2 微处理器

微处理器（Microprocessor）是微型计算机的核心。它是将运算器和控制器制成集成在一块超大规模集成电路芯片上，也称为中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）。

CP U的功能主要是解释计算机指令，以及处理计算机软件中的数据。CP U由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。

1.CPU的主要性能指标

（1）主频：CPU的时钟频率（Hz）。

（2）字长：CPU一次能够同时处理二进制的位数，它标志着计算机的处理能力。

（3）寻址能力：反映了CP U一次可访问内存的地址范围，它由地址总线宽度及其地址生成管理机制来确定。

（4）多媒体扩展技术：为适应对通信、音频、视频、3D图形、动画及虚拟的现实。

2.CPU的组成

（1）运算器（Arithmetic and Logical Unit，ALU）

运算器是计算机处理数据的主要部件，其主要功能是对二进制数据进行算术运算或逻辑运算，所以也称为算术逻辑单元（ALU）。算术运算是指数的加、减、乘、除，以及乘方、开方等数学运算。逻辑运算是指逻辑变量之间的运算，即通过与、或、非等基本操作对二进制数进行逻辑判断。

由于在计算机内各种运算均可归结为相加和移位这两个基本操作，所以，运算器的核心是加法器（Adder）。为了能将每次运算的中间结果暂时保留，运算器还需要若干个寄存数据的寄存器（Register）。若一个寄存器既能保存本次运算结果，又能参与下次运算，其内容就是多次累加的和，这样的寄存器又叫做累加器（Accumulator，AL）。

（2）控制器

控制器（Control Unit，CU）是计算机的心脏和神经指挥中枢。由它指挥各个部件自动协调地工作，其主要部件及其功能如下。

① 指令寄存器：从内存中读取指令，并计算下一条指令在内存中的地址。存放当前正在执行的指令，并为指令译码器提供指令信息。

② 指令译码器：将指令中的操作码翻译成相应的控制信号。

③ 时序节拍发生器：产生一定的时序脉冲和节拍电位，使计算机能按严格的时序要求工作。

④ 操作控制部件：将脉冲、电位和指令译码器等控制信号组合起来，按执行流程、时序要求、有顺序地去控制各个部件完成相应的操作。

⑤ 指令计数器：存放下一条指令的地址。当顺序执行程序中的指令时，每取出一条指令，指令计数器就自动加“1”得到下一条指令的地址。当执行分支程序或循环程序时，就直接把起始地址或转移的目的地址送入指令计数器。所以，对控制器而言，其真正作用是对机器指令执行过程的控制。

1.4.3 内存储器

内存储器（主存储器）是计算机用来存放预执行程序和数据的，其速度快，容量（相对于外存）小，价格较高，可由CP U直接访问。它的每个记忆单元由8位二进制位组成，并有唯一的编号（存储单元的地址）可读写其中的数据。一般常用的微型计算机的存储器有动态存储器和静态存储器两种，目前静态存储器多为半导体存储器。

1.存储器的相关术语

（1）位（bit）

描述二进制信息的最小单位（0或1）。

（2）字节（Byte）

一个字节由 8 位二进制数组成（1 Byte=8b it），每个记忆单元也由 8 位二进制位组成，即字节（B）。

1KB=2¹⁰B=1024B

1MB=2¹⁰KB=1024KB

1GB=2¹⁰MB=1024MB

1TB=2¹⁰GB=1024GB

2.存储器的分类（如图1-2-2所示）

（1）随机存储器（Random Access Memory，RAM）

RAM 又称读写存储器，其特点为既可以读出，也可以写入。读出时并不损坏原来存储的内容，只有写入时才会修改原来所存储的内容。断电后，存储内容立即消失，即具有易失性。

一般计算机系统使用的随机存储器的存取内存可分动态随机存取器（DRAM）和静态随机存取器（SRAM）两种，其差异在于：其一，内部构造完全不同；其二，DR AM需要由存储器控制电路按固定周期对存储器进行刷新，才能维系数据的保存，而SRAM中的数据则不需要刷新过程，在SRAM有电源支持时数据不会丢失。

（2）只读存储器（Read Only Memory，ROM）

只读存储器的特点为：可读，但不可写，掉电后数据不会丢失。

BIOS（Basic Input Output System）指基本的输入、输出系统，是被固化到主板的ROM芯片或其替代性芯片之中的程序。

BIOS 的主要功能：①执行第 1 条开机指令，并控制系统自检和引导；②识别各种硬件（包括型号）；③引导操作系统对硬件进行最直接的操作，如读文件等。

引导操作系统的过程：①开机；②自检（检查硬件是否良好）；③初始化，读取硬件参数信息，对硬件进行设置；④加载操作系统；⑤执行操作系统。

（3）高速缓冲存储器（Cac he）

高速缓冲存储器是设置于主存与 CP U之间的一级存储器，由高速静态存储芯片组成，其容量比较小，但速度比主存快，接近于CPU数据传输的速度。Cache与内存数据交换是以块（页）为单位的。CPU先从 Cache中查找，如果没有找到，再从内存中读取，同时把这个数据所在的数据块调入Cache中，从而提高命中率。目前，Cache的容量在逐步提高，出现了一级、二级等。

1.4.4 主板

主板又叫主机板（mainboard）、系统板（system board）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。

主板包括两大类部件，具体内容如下。

1.芯片和芯片组

南桥芯片主要负责 I/O 接口控制、IDE设备（硬盘等）控制，以及高级能源管理等；北桥芯片负责与CP U的联系，并控制内存、AGP、PCI数据在其内部的传输。北桥芯片起着系统内存及CPU处理器等关键部件的管理作用，也称为主桥。

2.插槽和接口，如图1-2-3所示

1.5 软件系统

1.5.1 软件的相关概念

1.软件

软件是指能够支持计算机工作，提高计算机使用效率和扩大计算机功能的各种程序、数据和有关文档的总称。

2.程序

程序是为了解决某个问题而设计的一系列指令或语句的有序集合。

3.数据

数据是程序处理的对象和结果。

4.文档

文档是描述开发程序、使用程序和维护程序所需要的有关资料。

1.5.2 软件的分类

1.按用途分类

（1）服务类软件

服务类软件面向用户进行各种各样的服务。

（2）维护类软件

维护类软件面向计算机进行维护，包括故障、判断及其检测。

（3）操作管理类软件

操作管理类软件面向计算机进行操作和管理，包括各种操作系统、网络通信系统和计算机管理软件等。

2.按计算机系统分类

（1）系统软件

系统软件是管理控制维护计算机的各种资源，以及扩大计算机功能和方便用户使用计算机的各种程序集合。它由计算机的厂家或者第三方厂商提供，其具有两大特点：通用性（普遍适用于各个领域）和基础性（其他软件都是在系统软件的支持上进行开发和运行）的。

① 操作系统

操作系统（Operating System，OS）是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序。它是直接运行在“裸机”上的最基本系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。

操作系统既是用户和计算机的接口，也是计算机硬件和其他软件的接口。操作系统的功能包括管理计算机系统的硬件、软件及数据资源，控制程序运行，管理人机界面，为其他应用软件提供支持，让计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，提供各种形式的用户界面，使用户有一个好的工作环境，为其他软件的开发提供必要的服务和相应的接口等。实际上，用户是不用接触操作系统的。操作系统管理着计算机的硬件资源，并按照应用程序的资源请求分配资源，如划分CPU时间、内存空间的分配与管理、调用打印机等。

最初的计算机并没有操作系统，人们通过各种操作按钮来控制计算机，后来出现了汇编语言，操作人员通过有孔的纸带将程序输入计算机，进行编译。这些将语言内置的计算机，只能由操作人员自己编写程序来运行，不利于设备、程序的共用。为了解决这种问题，就出现了操作系统，这样就实现了程序的共用，以及对计算机硬件资源的管理。从20世纪70年代中期开始出现了计算机的操作系统。

计算机操作系统的发展经历了两个阶段。第一个阶段为单用户、单任务专用型针对特定机型的操作系统，如 I BM 大型机操作系统，DEC 公司超级小型机操作系统，再到 Sun公司UNIX操作系统。计算机操作系统发展的第二个阶段是通用型多用户、多道作业和分时系统，其典型代表有 UNIX、XENIX、OS/2及Windows操作系统。分时的多用户和多任务、树形结构的文件系统及重定向和管道是 UNIX 的三大特点。个人计算机出现后出现了CP/M、MSDOS、MacOS、Windows等操作系统。现在操作系统已经完全脱离了最初的设想。

从微软公司 1985 年推出 Windows 1.0 以来，Windows 系统从最初运行在 DOS 下的Windows 3.x，到现在风靡全球的Windows 9x/Me/2000/NT/XP，到Windows 8和Windows 10，几乎成为了操作系统的代名词。随着智能手机的发展，Android 和 iOS 已经成为流行的两大手机操作系统。

操作系统的主要功能是处理器管理、设备管理、程序控制和人机交互等。计算机系统的资源可分为设备资源和信息资源两大类，其中设备管理指组成计算机的硬件设备，如中央处理器、主存储器、磁盘存储器、打印机、磁带存储器、显示器、键盘输入设备和鼠标等；信息资源指存放于计算机内的各种数据，如文件、程序库、知识库、系统软件和应用软件等。

操作系统位于底层硬件与用户之间，是两者沟通的桥梁。用户可以通过操作系统的用户界面输入命令，操作系统则对命令进行解释，驱动硬件设备，实现用户要求。一个标准个人计算机的OS应该提供以下功能：

· 进程管理（Process Management）；

· 内存管理（Memory Management）；

· 文件系统（File system）；

· 网络管理（Network Management）；

· 安全机制（Security）；

· 用户界面（User Interface）；

· 驱动程序（Device drivers）。

各种设备安装的操作系统从简单到复杂分为智能卡操作系统、实时操作系统、节点操作系统、嵌入式操作系统、个人计算机操作系统、多处理器操作系统、网络操作系统和大型机操作系统，其具体分类方法如下。

· 按照应用领域分类：可分为桌面操作系统、服务器操作系统、嵌入式操作系统；

· 按照所支持用户数分类：可分为单用户操作系统（如MSDOS、OS/2、早期 Windows）、多用户操作系统（如UNIX、Linux、现代Windows）；

· 按照源码开放程度：可分为开源操作系统（如 Linux、FreeBSD）和专用操作系统（如Mac OS X、Windows）；

· 按照硬件结构分类：可分为网络操作系统（Windows系列Linux、UNIX、MacOs）、多媒体操作系统（Amiga）和分布式操作系统等；

· 按照操作系统环境分类：可分为批处理操作系统、分时操作系统（如 Linux、UNIX、XENIX、MacOS）、实时操作系统（如iEMX、VRTX、RTOS，RT Windows）；

· 按照存储器寻址宽度分类：可以将操作系统分为8位、1 6位、32位、64位、12 8位的操作系统。早期的操作系统一般只支持8位和16位数据位系统，现代的操作系统如Linux和Window s 7都支持32位和64位数据位系统。

② 语言处理系统

计算机只能直接识别和执行机器语言，对于高级语言来说，要经过“编译”和“连接”后，把源程序变成机器语言能识别的目标程序才能被执行。对源程序进行解释和编译任务的程序，分别叫做解释程序和编译程序，如FORTRAN语言、PASCAL语言和 C语言等，使用时需有相应的编译程序；BASIC语言、LISP语言等，使用时需有相应的解释程序。

③ 服务程序

系统软件中还有一些服务程序能够提供常用的服务功能，它们为用户开发程序和使用计算机提供了方便，如诊断程序、调试程序等。

④ 数据库系统

数据库系统（D BS）由数据库、数据库管理系统及相应的应用程序组成。数据库系统不但能够存放大量的数据，更重要的是能迅速地、自动地对数据进行增删、检索、修改、统计、排序、合并等操作，为人们提供有用的信息。这是传统文件系统无法做到的。

（2）应用软件

应用软件指为了解决某种实际应用问题而设计的计算机软件，通常由计算机的用户或专门的软件公司开发。应用软件的主要用途包括科学计算、数据处理、过程控制、辅助设计、人工智能等，其可分为通用应用软件和专用应用软件两类。

① 通用应用软件

通用应用软件指为解决某个特定问题，本身与计算机关联不多的软件统称为通用软件，常见的通用软件如下。

A.办公软件套件

办公软件是日常办公需要的一些软件，一般包括文字处理软件、电子表格处理软件、演示文稿制作软件、桌面排版、数据库软件、个人信息管理软件等。常见的办公软件套件有微软公司的Microsoft Office和金山公司的WPS Office等。

B.图形和图像处理软件

随着硬件设备的迅速发展，计算机已广泛应用于对图形和图像的处理，其中绘图软件主要用于创建和编辑矢量图文件，通常指计算机用于绘图的一组程序，且程序的设计有一定的准则。例如常用的绘图软件是美国Autodesk公司的AutoCAD。

图像处理软件主要用于创建和编辑图像文件，是用于处理图像信息和各种应用软件的总称，常用的图像处理软件有 Wind ow s 自带的“画图”软件、Adobe 公司开发的Photoshop等。

C.Internet工具软件

随着计算机网络技术的发展和Internet的普及，涌现了许多基于Internet环境的应用软件，如Web服务器软件、Web浏览器、电子邮件软件、文件传输工具、远程访向工具Te lnet、下载工具Flash-Get等。

D.动画制作软件

动画制作软件主要用于创建和编辑动画功能。动画比静态图片更易吸引人，一般动画制作软件都会提供各种动画编辑工具，只要根据自己的想法来排演动画，分镜的工作就可交给软件处理。目前动画制作软件广泛应用于游戏软件开发、电影制作、产品设计和建筑效果图设计等。常用的动画设计软件有3ds Max、Flash等。

② 专用应用软件

上述的通用软件或软件包，在市场上就可以买到，但有些具有特殊要求的软件，只能自主开发或委托第三方公司开发。