計算機系統的組成
1.2.1 計算機系統概述
現在，計算機已發展成為一個龐大的家族，其中的每個成員，盡管在規模、性能、結構和應用等方面存在著很大的差別，但是它們的基本結構是相同的。計算機系統包括硬件系統和軟件系統兩大部分。硬件系統由中央處理器、內存儲器、外存儲器和輸入/輸出設備組成。
軟件系統分為兩大類，即計算機系統軟件和應用軟件。
計算機通過執行程序而運行，計算機工作時，軟、硬件協同工作，兩者缺一不可。計算機系統的組成框架如圖1-1所示。
1．硬件系統概述
硬件系統是構成計算機的物理裝置，是指在計算機中看得見、摸得著的有形實體。在計算機的發展史上做出杰出貢獻的著名應用數學家馮•諾依曼（Von Neumann）與其他專家于1945年為改進ENIAC，提出了一個全新的存儲程序的通用電子計算機方案。這個方案規定了新機器由5個部分組成：運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出。并描述了這5個部分的職能和相互關系。這個方案與ENIAC相比，有兩個重大改進：一是采用二進制；二是提出了“存儲程序”的設計思想，即用記憶數據的同一裝置存儲執行運算的命令，使程序的執行可自動地從一條指令進入到下一條指令。這個概念被譽為計算機史上的一個里程碑。計算機的存儲程序和程序控制原理被稱為馮•諾依曼原理，按照上述原理設計制造的計算機稱為馮•諾依曼機。
圖1-1 計算機的組成框架
概括起來，馮•諾依曼結構有3條重要的設計思想：
（1）計算機應由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備5大部分組成，每個部分有一定的功能。
（2）以二進制的形式表示數據和指令。二進制是計算機的基本語言。
（3）程序預先存入存儲器中，使計算機在工作中能自動地從存儲器中取出程序指令并加以執行。
硬件是計算機運行的物質基礎，計算機的性能如運算速度、存儲容量、計算和可靠性等，很大程度上取決于硬件的配置。
僅有硬件而沒有任何軟件支持的計算機稱為裸機。在裸機上只能運行機器語言程序，使用很不方便，效率也低。所以早期只有少數專業人員才能使用計算機。
2．計算機的基本工作原理
1）計算機的指令系統
指令是能被計算機識別并執行的二進制代碼，它規定了計算機能完成的某一種操作。
一條指令通常由如下兩個部分組成：
（1）操作碼：它是指明該指令要完成的操作，如存數、取數等。操作碼的位數決定了一個機器指令的條數。當使用定長度操作碼格式時，若操作碼位數為n，則指令條數可有2n條。
（2）操作數：它指操作對象的內容或者所在的單元格地址。操作數在大多數情況下是地址碼，地址碼有0～3位。從地址代碼得到的僅是數據所在的地址，可以是源操作數的存放地址，也可以是操作結果的存放地址。
2）計算機的工作原理
計算機的工作過程實際上是快速地執行指令的過程。當計算機在工作時，有兩種信息在流動，一種是數據流，另一種是控制流。
數據流是指原始數據、中間結果、結果數據、源程序等。控制流是由控制器對指令進行分析、解釋后向各部件發出的控制命令，用于指揮各部件協調地工作。
下面，以指令的執行過程來認識計算機的基本工作原理。計算機的指令執行過程分為如下幾個步驟：
（1）取指令。從內存儲器中取出指令送到指令寄存器。
（2）分析指令。對指令寄存器中存放的指令進行分析，由譯碼器對操作碼進行譯碼，將指令的操作碼轉換成相應的控制電信號，并由地址碼確定操作數的地址。
（3）執行指令。它是由操作控制線路發出的完成該操作所需要的一系列控制信息，以完成該指令所需要的操作。
（4）為執行下一條指令作準備。形成下一條指令的地址，指令計數器指向存放下一條指令的地址，最后控制單元將執行結果寫入內存。
上述完成一條指令的執行過程叫做一個“機器周期”。指令的執行過程如圖1-2 所示。
計算機在運行時，CPU從內存讀取一條指令到CPU內執行，指令執行完，再從內存讀取下一條指令到CPU執行。CPU不斷地取指令，分析指令，執行指令，再取下一條指令，這就是程序的執行過程。
總之，計算機的工作就是執行程序，即自動連續地執行一系列指令，而程序開發人員的工作就是編制程序，使計算機不斷地工作。
圖1-2 指令的執行過程
3．軟件系統概述
軟件系統是指使用計算機所運行的全部程序的總稱。軟件是計算機的靈魂，是發揮計算機功能的關鍵。有了軟件，人們可以不必過多地去了解機器本身的結構與原理，可以方便靈活地使用計算機，從而使計算機有效地為人類工作、服務。
隨著計算機應用的不斷發展，計算機軟件在不斷積累和完善的過程中，形成了極為寶貴的軟件資源。它在用戶和計算機之間架起了橋梁，給用戶的操作帶來極大的方便。
在計算機的應用過程中，軟件開發是個艱苦的腦力勞動過程，軟件生產的自動化水平還很低。所以，許多國家投入大量人力從事軟件開發工作。正是有了內容豐富、種類繁多的軟件，使用戶面對的不僅是一部實實在在的計算機，而且還包含許多軟件的抽象的邏輯計算機（稱之為虛擬機），這樣，人們可以采用更加靈活、方便、有效的手段使用計算機。從這個意義上說，軟件是用戶與計算機的接口。
在計算機系統中，硬件和軟件之間并沒有一條明確的分界線。一般來說，任何一個由軟件完成的操作也可以直接由硬件來實現，而任何一個由硬件執行的指令也能夠用軟件來完成。硬件和軟件有一定的等價性，例如，如圖像的解壓，以前低檔微機是用硬件解壓，現在高檔微機則用軟件來實現。
軟件和硬件之間的界線是經常變化的。要從價格、速度、可靠性等多種因素綜合考慮，來確定哪些功能用硬件實現合適，哪些功能由軟件實現合適。
1.2.2 硬件系統的組成
計算機的硬件由主機和外設組成，主機由CPU、內存儲器、主板（總線系統）構成，外部設備由輸入設備（如鍵盤、鼠標等）、外存儲器（如光盤、硬盤、U盤等）、輸出設備（如顯示器、打印機等）組成。計算機硬件結構如圖1-3所示。
圖1-3 計算機硬件的組成
微機與傳統的計算機沒有本質的區別，它也是由運算機、控制器、存儲器、輸入和輸出設備等部件組成。不同之處是微機把運算器和控制器集成在一片芯片上，稱之為CPU。下面以微機為例說明計算機各部分的作用。
1．CPU
CPU是計算機的核心部件，它完成計算機的運算和控制功能。運算器又稱算術邏輯部件（Arithmetical Logic Unit，ALU），主要功能是完成對數據的算術運算、邏輯運算和邏輯判斷等操作。控制器（Control Unit，CU）是整個計算機的指揮中心，根據事先給定的命令，發出各種控制信號，指揮計算機各部分工作。它的工作過程是負責從內存儲器中取出指令并對指令進行分析與判斷，并根據指令發出控制信號，使計算機的有關設備有條不紊地協調工作，在程序的作用下，保證計算機能自動、連續地工作。CPU外形如圖1-4所示。
2．存儲器
存儲器（Memory）是計算機存儲信息的“倉庫”。所謂“信息”是指計算機系統所要處理的數據和程序。程序是一組指令的集合。存儲器是有記憶能力的部件，用來存儲程序和數據，存儲器可分為兩大類：內存儲器和外存儲器。內存儲器簡稱內存，也叫隨機存儲器（RAM），這種存儲器允許按任意指定地址的存儲單元進行隨機地讀出或寫入數據。由于數據是通過電信號寫入存儲器的，因此在計算機斷電后，RAM中的信息就會隨之丟失。內存條外形如圖1-5所示，它的特點是存取速度快，可與CPU處理速度相匹配，但價格較貴，能存儲的信息量較少。外存儲器（簡稱外存）又稱輔助存儲器，主要用于保存暫時不用但又需長期保留的程序或數據。如軟盤、硬盤、光盤等都叫外存儲器。存放在外存中的程序必須調入內存才能運行，外存的存取速度相對來說較慢，但外存價格比較便宜，可保存的信息量大。常用的外存有磁盤、磁帶、光盤等。
圖1-4 CPU外形圖 圖1-5 內存條外形圖
CPU和內存儲器構成計算機主機。外存儲器通過專門的輸入/輸出接口與主機相連。外存與其他的輸入輸出設備統稱外部設備。如硬盤驅動器、軟盤驅動器、打印機、鍵盤都屬外部設備。
現代計算機中內存普遍采取半導體器件，按其工作方式不同，可分為動態隨機存取器（DRAM）、靜態隨機存儲器（SRAM）、只讀存儲器（ROM）。對存儲器存入信息的操作稱為寫入（Write），從存儲器取出信息的操作稱為讀出（Read）。執行讀出操作后，原來存放的信息并不改變，只有執行了寫入操作，寫入的信息才會取代原先存入的內容。所以RAM中存放的信息可隨機地讀出或寫入，通常用來存入用戶輸入的程序和數據等。計算機斷電后，RAM中的內容隨之丟失。DRAM和SRAM兩者都叫隨機存儲器，斷電后信息會丟失，不同的是，DRAM存儲的信息要不斷刷新，而SRAM存儲的信息不需要刷新。ROM中的信息只可讀出而不能寫入，通常用來存放一些固定不變的程序。計算機斷電后，ROM中的內容保持不變，當計算機重新接通電源后，ROM中的內容仍可被讀出。
為了便于對存儲器內存放的信息進行管理，整個內存被劃分成許多存儲單元，每個存儲單元都有一個編號，此編號稱為地址（Address）。通常計算機按字節編址。地址與存儲單元為一對一的關系，是存儲單元的惟一標志。存儲單元的地址、存儲單元和存儲單元的內容是3個不同的概念。地址相當于旅館的房間編號，存儲單元相當于旅館的房間，存儲單元的內容相當于房間中的旅客。在存儲器中，CPU對存儲器的讀寫操作都是通過地址來進行的。
外存儲器目前使用得最多的是磁表面存儲器和光存儲器兩大類。磁表面存儲器是將磁性材料沉積在盤片基體上形成記錄介質，并在磁頭與記錄介質的相對運動中存取信息。現代計算機系統中使用的磁表面儀器有磁盤和磁帶兩種。硬盤結構如圖1-6所示。
用于計算機系統的光存儲器主要是光盤（Optical Disk），現在通常稱為CD（Compact Disk）。光盤用光學方式讀寫信息，存儲的信息量比磁盤存儲器存儲的信息量大得多，因此受到廣大用戶的青睞。所有外存的存儲介質（盤片或磁帶）都必須通過機電裝置才能存取信息，這些機電裝置稱之為“驅動器”，如常用的軟盤驅動器、硬盤驅動器和光盤驅動器等。目前外存儲器的容量不斷增大，從MB級到GB級，還有海量存儲器等。
圖1-6 硬盤內部結構圖
3．輸入設備
輸入設備是將外界的各種信息（如程序、數據、命令等）送入到計算機內部的設備。常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀、條形碼讀入器等。
4．輸出設備
輸出設備是將計算機處理后的信息以人們能夠識別的形式（如文字、圖形、數值、聲音等）進行顯示和輸出的設備。常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等。
由于輸入/輸出設備大多是機電裝置，有機械傳動或物理移位等動作過程，相對而言，輸入/輸出設備是計算機系統中運轉速度最慢的部件。
1.2.3 軟件系統的組成
計算機軟件由程序和有關的文檔組成。程序由一系列的指令按一定的結構組成。文檔是軟件開發過程中建立的技術資料。程序是軟件的主體，一般保存在存儲介質中，如軟盤、硬盤或光盤中，以便在計算機上使用。現在人們使用的計算機都配備了各式各樣的軟件，軟件的功能越強，使用起來越方便。軟件可分為兩大類：一類是系統軟件，另一類是應用軟件，軟件系統組成如圖1-7所示。
1．系統軟件
系統軟件是管理、監控和維護計算機資源的軟件，是用來擴大計算機的功能，提高計算機的工作效率，方便用戶使用計算機的軟件。系統軟件是計算機正常運轉所不可缺少的，是硬件與軟件的接口。一般情況下系統軟件分為4類：操作系統、語言處理系統、數據庫管理系統和服務程序。
圖1-7 軟件系統的組成
1）操作系統
系統軟件的核心是操作系統。操作系統是由指揮與管理計算機系統運行的程序模板和數據結構組成的一種大型軟件系統，其功能是管理計算機的硬件資源和軟件資源，為用戶提供高效、周到的服務。操作系統與硬件關系密切，是加在“裸機”上的第一層軟件，其他絕大多數軟件都是在操作系統的控制下運行的，人們也是在操作系統的支持下使用計算機的。操作系統是硬件與軟件的接口。
常用的操作系統有UNIX/Xenix、MS-DOS、Windows XP、Linux和OS/2。下面簡單介紹這些操作系統的發展過程和功能特點。
（1）DOS操作系統
DOS最初是為IBM PC開發的操作系統，因此它對硬件平臺的要求很低。即使對于DOS 6.22這樣的高版本，在640KB內存、60MB硬盤、80286微處理器的環境下，也能正常運行。DOS操作系統是單用戶、單任務、字符界面和16位的操作系統。因此，它對于內存的管理僅局限于640KB的范圍內。DOS有3種不同的品牌，它們是Microsoft公司的MS-DOS、IBM公司的PC-DOS和Novell公司的DR-DOS。這3種DOS都是兼容的，但也有一些區別。
（2）Windows操作系統
Windows是Microsoft公司在1985年11月發布的第一代窗口式多任務系統，它使PC機開始進入了所謂的圖形用戶界面時代。在1995年，Microsoft公司推出了Windows 95操作系統；在1998年，Microsoft公司又推出了Windows 95的改進版Windows 98。Windows 98的一個最大特點就是把Microsoft公司的Internet瀏覽器技術集成到了Windows 98里面，使得訪問Internet資源就像訪問本地硬盤一樣方便，從而更好地滿足了人們越來越多的訪問Internet資源的需求。Windows 95、Windows 98操作系統是一種單用戶、多任務、32位的操作系統。
在2000年到來之際，Microsoft公司又推出了Windows 2000版本。它不僅吸取了Windows 98和Windows NT的許多精華之處，而且是Windows 98和Windows NT的更新換代產品。此后，Windows將不會再有單用戶和網絡版之分，使用戶能夠在相同操作系統中，使用相同的、友好的操作系統界面處理不同的事務。Windows 2000是一個多用戶、多任務操作系統。
現在，Microsoft公司又推出了Windows XP。Windows XP采用了Windows 2000的源代碼作為基礎，使其有可靠的穩定性， 繼續保持其安全性、可靠性的優點。對于網絡時代，Windows XP更受人歡迎。
（3）UNIX系統
UNIX系統是1969年問世的，最初是在中小型計算機上運用。最早移植到80286微機上的UNIX系統，稱為Xenix。現在Xenix已發展成十分成熟的系統，最新版本的Xenix是SCO UNIX和SCO CDT。UNIX系統的特點是短小精干、系統開銷小、運行速度快。目前主要的版本是UNIX 3.2 V4.2以及ODT 3.0。UNIX系統是一個受人青睞的系統。
UNIX系統是一個多用戶系統，一般要求配有8MB以上的內存和較大容量的硬盤，對于高檔微機也適用。
（4）OS/2系統
OS/2系統正是PS/2系列機開發的一個新型多任務操作系統。OS/2克服了640KB主存的限制，具有多任務功能。1987年IBM公司在激烈的市場競爭中推出了PS/2（Personal System/2）個人計算機。PS/2系列計算機大幅度突破了現行PC機的體系，采用了與其他總線互不兼容的微通道總線MCA，并且IBM自行設計了該系統的大部分零部件，以防止其他公司的仿制。
OS/2的特點是采用圖形界面，它本身是一個32位系統，不僅可以處理32位OS/2系統的應用軟件，也可以運行16位DOS和 Windows軟件。OS/2系統通常要求在4MB內存和100MB硬盤或更高的硬件環境下運行。如果硬件更高檔，則系統運行就更加穩定。
2）語言處理系統
隨著計算機技術的發展，計算機經歷了由低級向高級發展的歷程，不同風格的計算機語言不斷出現，逐步形成了計算機語言體系。用計算機解決問題時，人們必須首先將解決該問題的方法和步驟按一定序列和規則用計算機語言描述出來，形成計算機程序，然后輸入計算機，計算機就可按人們事先設定的步驟自動地執行。
語言處理系統包括機器語言、匯編語言和高級語言。這些語言處理程序除個別常駐在ROM中可獨立運行外，都必須在操作系統支持下運行。
（1）機器語言
計算機中的數據都是用二進制表示的，機器指令也是用一串由“0”和“1”不同組合的二進制代碼表示的。機器語言是直接用機器指令作為語句與計算機交換信息的語言。
不同的機器，指令的編碼不同，含有的指令條數也不同。因此，機器指令是面向機器的。指令的格式和含義是設計者規定的，一旦規定好之后，硬件邏輯電路就嚴格根據這些規定設計和制造，所以制造出的機器也只能識別這種二進制信息。
用機器語言編寫的程序，計算機能識別，可直接運行，但程序容易出錯。
（2）匯編語言
匯編語言是由一組與機器語言指令一一對應的符號指令和簡單語法組成的。匯編語言是一種符號語言，它將難以記憶和辨認的二進制指令碼用有意義的英文單詞（或縮寫）作為輔助記符，使之比機器語言編程前進了一大步。例如“ADD A，B”表示將A與B相加后存入B中，它能與機器語言指令01001001直接對應。但匯編語言與機器語言的一一對應，仍需緊密依賴硬件，程序的可移植性差。
用匯編語言編寫的程序稱為匯編語言源程序。經匯編程序翻譯后得到的機器語言程序稱為目標程序。由于計算機只能識別二進制編碼的機器語言，因此無法直接執行用匯編語言縮寫的程序。匯編語言程序要由一種“翻譯”程序來將它翻譯為機器語言程序，這種翻譯程序稱為編譯程序。匯編程序是系統軟件的一部分。
（3）高級語言
高級語言比較接近日常用語，對機器依賴性低，是適用于各種機器的計算機語言。用機器語言或匯編語言編程，因與計算機硬件直接相關，編程困難且通用性差。因此人們需創造出與具體的計算機指令無關，其表達方式更接近于被描述的問題、更易被人們掌握和書寫的語言，這就是高級語言。
用高級語言編寫的程序稱為高級語言源程序，經語言處理程序翻譯后得到的機器語言程序稱為目標程序。高級語言程序必須翻譯成機器語言程序才能執行，計算機無法直接執行用高級語言編寫的程序。高級語言程序的翻譯方式有兩種：一種是編譯方式，另一種是解釋方式。相應的語言處理系統分別稱為編譯程序和解釋程序。
在解釋方式下，不生成目標程序，而是對源程序按語句執行的動態順序進行逐句分析，邊翻譯邊執行，直至程序結束。在編譯方式下，源程序的執行分成兩個階段：編譯階段和運行階段。通常，經過編譯后生成的目標代碼尚不能直接在操作系統下運行，還需經過連接階段為程序分配內存后才能生成真正可運行的執行程序。
高級語言不再面向機器而是面向解決問題的過程以及面向現實世界的對象。大多數高級語言采用編譯方式處理，因為編譯方式執行速度快，而且一旦編譯完成后，目標程序可以脫離編譯程序獨立存在反復使用。面向過程的高級語言種類很多，比較流行的高級語言有Basic、Pascal和C語言等。某些適合于初學者的程序，如Basic語言及許多數據庫語言則采用解釋方式。
1980年左右開始提出的“面向對象（Object-Oriented）”概念是相對于“面向過程”的一次革命。專家們預測，面向對象的程序設計思想將成為今后程序設計語言發展的主流。如C++、Java、Visual Basic、Visual C等都是面向對象的程序設計語言。“面向對象”不僅作為一種語言，而且作為一種方法貫穿于軟件設計的各個階段。
3）數據庫管理系統
數據庫是將具有相互關聯的數據以一定的組織方式存儲起來，形成相關系列數據的集合。數據庫管理系統就是在具體計算機上實現數據庫技術的系統軟件。隨著計算機在信息管理領域中日益廣泛深入的應用，產生和發展了數據庫技術，隨之出現了各種數據庫管理系統（Data Base Management System，DBMS）。
DBMS是計算機實現數據庫技術的系統軟件，它是用戶和數據庫之間的接口，是幫助用戶建立、管理、維護和使用數據庫進行數據管理的一個軟件系統。
目前已有不少商品化的數據庫管理系統軟件，例如DBase、Visual FoxPro等都是在不同的系統中獲得廣泛應用的數據庫管理系統。
4）服務程序
現代計算機系統提供多種服務程序，它們是面向用戶的軟件，可供用戶共享，方便用戶使用計算機和管理人員維護管理計算機。
常用的服務程序有編輯程序、連接裝配程序、測試程序、診斷程序、調試程序等。
（1）編輯程序（Editor）：該程序能使用戶通過簡單的操作就可以建立、修改程序或其他文件，并提供方便的編輯環境。
（2）連接裝配程序（Linker）：用該程序可以把幾個分別編譯的目標程序連接成一個目標程序，并且要與系統提供的庫程序相連接，才得到一個可執行程序。
（3）測試程序（Checking Program）：該程序能檢查出程序中的某些錯誤，方便用戶對錯誤的排除。
（4）診斷程序（Diagnostic Program）：該程序能方便用戶對計算機維護，檢測計算機硬件故障并對故障定位。
（5）調試程序（Debug）：該程序能幫助用戶在程序執行的狀態下檢查源程序的錯誤，并提供在程序中設置斷點、單步跟蹤等手段。
2．應用軟件
應用軟件是為了解決計算機各類問題而編寫的程序。它分為應用軟件包與用戶程序。它是在硬件和系統軟件的支持下，面向具體問題和具體用戶的軟件。隨著計算機應用的日益廣泛深入，各種應用軟件的數量不斷增加，質量日趨完善，使用更加方便靈活，通用性越來越強。有些軟件已逐步標準化、模塊化，形成了解決某類典型問題的較通用的軟件，這些軟件稱為應用軟件包（Package）。它們通常是由專業軟件人員精心設計的，為廣大用戶提供方便、易學、易用的應用程序，幫助用戶完成各種各樣的工作。目前常用的軟件包有字處理軟件、表處理軟件、會計電算化軟件、繪圖軟件、運籌學軟件包等。
（1）用戶程序
用戶程序是用戶為了解決特定的具體問題而開發的軟件。充分利用計算機系統的種種現成的軟件，在系統軟件和應用軟件包的支持下可以更加方便、有效地研制用戶專用程序。如各種票務管理系統、事管理系統和財務管理系統等。這都屬于用戶程序。
（2）應用軟件包
應用軟件包是為實現某種特殊功能，而精心設計、開發的結構嚴密的獨立系統，是一套滿足同類應用的許多用戶所需要的軟件。如Microsoft公司生產的Office 2003應用軟件包，包含Word 2003（字處理）、Excel 2003（電子表格）、PowerPoint 2003（幻燈片）等，是實現辦公自動化的很好的應用軟件包。
系統軟件和應用軟件之間并不存在明顯的界限。隨著計算機技術的發展，各種各樣的應用軟件中有了許多共同的東西，把這些共同的部分抽取出來，形成一個通用軟件，它就逐漸成為系統軟件了。
