1.2 計算機系統的組成

計算機系統由硬件和軟件組成。打開微型計算機的電源后系統自動開始啟動，系統軟件對計算機硬件進行引導，并由它負責啟動計算機，對計算機進行管理和控制。系統啟動成功后，為用戶提供一個比較友好的操作界面。這時，用戶就可以利用計算機的輸入、輸出設備來對計算機進行相關操作了。

知識點

● 計算機的硬件組成

● 計算機的軟件系統

● 計算機外部設備

1.2.1 計算機的硬件組成

完整的計算機系統是由硬件系統和軟件系統兩部分組成的。硬件是指計算機的電子部件、機械部件、各種連接線路及外部設備等，是看得見、摸得著的物理裝置，如主機、顯示器、鍵盤及打印機等。

知識要點

1．微型計算機的主機結構

計算機的硬件是指計算機的電子部件，如主機、顯示器、鍵盤及打印機等。顯示器、鍵盤和打印機屬于外部設備，比較容易直觀地看個清楚。但是，主機就相對復雜些。

松開主機箱后面的螺釘，拿開機箱蓋，就可以看到如圖1-4所示的主機內部結構示意圖。

可以看出，機箱內的所有部件都是通過主板連接在一起的。主板上還提供許多擴展插槽，用來插入其他板卡。電源負責將市電轉變成直流電后向主板、光驅、硬盤、CPU風扇及軟盤驅動器等提供電能。CPU在CPU風扇下面，各種支架及主板后面的背板主要起支撐作用，用來固定機箱內的主要部件。主機內部結構圖如圖1-5所示。

2．主機主要部件

微型計算機主機的主要部件有：主板、硬盤、中央處理器、光盤驅動器、顯示卡、內存條、電源和網卡等。下面對其中幾個主要部件進行介紹。

（1）主板

主板又稱為系統板或母板，是微型計算機主機中的核心部件。

主板是固定在主機箱箱體上的一塊電路板，主板上裝有大量的有源電子元件。其中主要組件有：CMOS、基本輸入輸出系統（basic input and output system, BIOS）、高速緩沖存儲器（Cache）、內存插槽、CPU插槽、鍵盤接口、軟盤驅動器接口、硬盤驅動器接口、總線擴展插槽（提供ISA、PCI等擴展槽）、串行接口（COM1、COM2）、并行接口（打印機接口LPT1）。因此，主板是計算機各種部件相互連接的紐帶和橋梁。

計算機的質量與主板的設計和工藝有極大的關系。所以，從計算機誕生開始，各廠家和用戶都十分重視主板的體系結構和工藝水平。了解主板的特性及使用情況，對購機、裝機、用機都是極有價值的。如圖1-6所示的是一款集成了顯示卡、聲卡和網卡功能的主板。可以看出，主板上集成了各種電子元器件、接口及擴展槽等。

芯片組提供了主板上的核心邏輯，主板所使用芯片組的類型直接影響主板甚至整機的性能。所以芯片是選購主板時需要考慮的一項重要因素。主板上的擴展插槽是計算機總線結構的物理表現，是主機通過總線與外部設備連接的重要通道。擴展槽的設置反映了微機的系統擴展能力。微機的主板結構充分顯示了微型計算機的總線結構模式，如圖1-7所示。

主板上的CUP插座和CPU的引腳封裝結構一定要配套，否則無法使用。板上的其他芯片、芯片組及電子元器件起到了控制作用、驅動作用、圖形加速及數據緩沖作用。現在，有許多主板上已集成了聲音處理功能、顯示卡和網卡的功能，使主板的功能不斷增強。

（2）CPU

CPU的英文全稱是Central Processing Unit，翻譯成中文就是中央處理器。它是計算機的核心部件，計算機的運轉是在它的指揮控制下實現的，所有的算術和邏輯運算都是由它完成的，因此，CPU是決定計算機速度、處理能力、檔次的關鍵部件。它對計算機的性能起到直接的影響，是說明計算機檔次高低的重要標志。CPU是一塊超大規模的集成電路，如圖1-8所示的是各種CPU芯片的外形圖。

CPU內部包含著幾十萬、幾百萬甚至幾千萬只晶體管。它的主要功能是執行程序指令、完成各種運算和系統控制。

按功能來分，通常又將CPU分為運算器、控制器和寄存器組等，有些還包含了高速緩沖存儲器。寄存器組是CPU的重要部件，包括通用寄存器組和專用寄存器組。通用寄存器組用于CPU內部的高速數據暫存；專用寄存器組是為CPU能進行某種特殊操作而設置的寄存器，如指令地址的程序計數器等。

（3）內存儲器

存儲器分為內存儲器和外存儲器，通常簡稱為內存和外存。內存是計算機的主要工作存儲器，一般計算機在工作時，所執行的指令及處理的數據，均從內存取出。內存的速度快，但容量有限，主要用來存放計算機正在使用的程序和數據。外存具有存儲容量大、存取速度比內存低的特點，所以它用于存放備用的程序和數據等。外存中存放的程序或數據必須調入內存后，才能被計算機執行和處理。常用的外存有磁盤機、磁帶機、光盤機等。

內存是計算機用于直接存取程序和數據的地方，因此計算機在執行程序前必須將這些程序裝入內存中。從存儲器取出信息稱為讀出；將信息存入存儲器稱為寫入。存儲器讀出信息后，原內容保持不變；向存儲器寫入信息，則原內容被新內容所代替。由于內存是由半導體器件構成的，沒有機械裝置，所以內存的速度遠遠高于外存。內存又分如下兩種。

● 只讀存儲器ROM（read only memory）。只能讀而不能寫入信息，它一般用來存儲固定的系統軟件和字庫等內容，只能被調用，而不能被重寫或修改，也不會因斷電而消失。

● 隨機存取存儲器RAM（random access memory）。可以進行任意的讀或寫操作，它主要用來存放操作系統、各種應用軟件、輸入數據、輸出數據、中間計算結果以及與外存交換的信息等。由于RAM由半導體器件組成，一旦斷電，信息就會丟失，所以不能永久保留。

內存容量是反映計算機性能的一個很重要的指標，目前常用的有64MB、128MB、256MB等，有的可達4GB。

主存儲器存取速度比中央處理器操作速度慢得多，使中央處理器的高速處理能力不能充分發揮，整個計算機系統的工作效率也因此受到影響，采用高速緩沖存儲器是常用的解決方法之一。高速緩沖存儲器的容量一般只有主存儲器的幾百分之一，但它的存取速度能與中央處理器相匹配。

在計算機內采用高速緩沖存儲器技術已相當普遍。有的計算機還采用多個高速緩沖存儲器，如系統高速緩沖存儲器、指令高速緩沖存儲器和地址變換高速緩沖存儲器等，以提高系統性能。隨著主存儲器容量的不斷增大，高速緩沖存儲器的容量也越來越大。目前，PC系統的發展趨勢之一是CPU主頻越做越高，系統架構越做越先進，然而主存DRAM的結構和存取時間改進速度較慢。因此，緩沖存儲器技術更加重要，而且在PC系統中緩沖存儲器越做越大?，F在人們已經把緩沖存儲器作為評價和選購PC系統的一個重要標準了。

3．計算機是怎樣工作的

現在看看計算機是怎樣工作的，硬件和軟件究竟是什么關系。

（1）計算機原理概述

計算機的工作原理與控制電視、VCD機等電子設備差不多，用戶給它發一些指令，它就會按用戶的意思執行某種動作。不過，這些指令并不是直接發給要控制的硬件，而是先通過計算機的輸入設備（如鍵盤、鼠標）進行指令輸入，然后再由CPU來處理這些指令，最后才由輸出設備輸出所需要的結果。

現在我們用一道簡單的算術題來看一下人們完成它的方式和過程。

題目很簡單：9+6÷3=？

首先，用筆將這道題目記錄在紙上，記在大腦中，再經過腦神經元的思考，結合以前掌握的知識，決定用四則運算法則和九九乘法口訣來處理。先用腦算出6÷3=2這一中間結果，并記錄于某個地方（或草稿紙上），然后再用腦算出9+2=11這一最終結果，再記錄到紙上，最后告訴人們計算結果。

通過做這個簡單的運算題可以發現，首先通過眼、耳等感覺器官將捕捉的信息送入到大腦中并存儲起來，然后對這一信息再進行加工處理，最后再由大腦控制手或者嘴把最終結果以某種方式表達出來。

計算機就是模仿人們完成上述任務的過程進行工作的，這也是“電腦”名稱的由來。人們將計算機按功能劃分為輸入設備、存儲器、運算器、控制器和輸出設備5個主要部件。自從馮·諾伊曼提出程序存儲思想以來，計算機的結構一直采用程序存儲思想的結構模式，如圖1-10所示，這實際上就是計算機的工作原理圖。其中，中央處理器就包括了運算器和控制器。

微型計算機設計的主要特點體現為采用微處理器及總線結構。總線是微型計算機中各硬件之間傳遞信息的公共通道，是連接各硬件模塊的紐帶，微型計算機的各組成部件是通過系統總線相互連接而成的。在微型計算機中，總線分為內部總線和外部總線。內部總線指的是CPU內部的寄存器之間和算術邏輯部件與控制部件之間傳輸數據的通路；外部總線指的是CPU和內存、輸入、輸出設備之間進行通信的通路。我們通常所說的總線一般指的是外部總線。外部總線又分為3種，分別是數據總線、地址總線和控制總線。

（2）硬件與軟件

計算機是由硬件和軟件兩大部分構成的。硬件是指構成計算機系統的物理實體和物理裝置。計算機的硬件一般包括輸入/輸出設備、存儲器、運算器和控制器。軟件就是那些為了運行、管理和維護計算機而人工編制的各種程序的集合，它就好比人們解決具體問題的方法和智慧。

計算機的硬件和軟件是相輔相成的，它們共同構成完整的計算機系統，缺一不可。沒有軟件的計算機等于一堆廢銅爛鐵，無法發揮功效；同樣，沒有硬件，軟件也就如無源之水，無立足之地。只有它們相互配合，計算機才能正常運行。

拓展練習

（1）打開主機機箱，看看主機都有哪些主要部件？

（2）打開計算機電源，讓計算機啟動，注意它啟動的過程，看能記錄下哪些東西？

1.2.2 計算機的軟件系統

計算機的軟件系統是指在計算機上運行的各種程序、數據及相關的文檔資料。計算機軟件系統通常被分為系統軟件和應用軟件兩大類，如圖1-11所示。

知識要點

1．系統軟件

系統軟件由一組控制計算機系統并管理其資源的程序組成，其主要功能包括：啟動計算機，存儲、加載和執行應用程序，對文件進行排序、檢索，將程序語言翻譯成機器語言等。實際上，系統軟件可以看成用戶與計算機的接口，它為應用軟件和用戶提供了控制、訪問硬件的手段，這些功能主要由操作系統完成。此外，編譯系統和各種工具軟件也屬此類，它們從另一方面輔助用戶使用計算機。下面分別介紹它們的功能。

（1）操作系統（Operating System, OS）

操作系統是管理、控制和監督計算機軟、硬件資源協調運行的程序系統，由一系列具有不同控制和管理功能的程序組成，它是直接運行在計算機硬件上的、最基本的系統軟件，是系統軟件的核心。操作系統是計算機發展中的產物，它的主要目的有兩個：一是方便用戶使用計算機，是用戶和計算機的接口。比如用戶輸入一條簡單的命令就能自動完成復雜的功能，這就是操作系統幫助的結果；二是統一管理計算機系統的全部資源，合理組織計算機工作流程，以便充分、合理地發揮計算機的效率。操作系統通常應包括下列5大功能模塊。

● 處理器管理：當多個程序同時運行時，解決處理器（CPU）時間的分配問題。

● 作業管理：完成某個獨立任務的程序及其所需的數據組成一個作業。作業管理的任務主要是為用戶提供一個使用計算機的界面使其方便地運行自己的作業，并對所有進入系統的作業進行調度和控制，盡可能高效地利用整個系統的資源。

● 存儲器管理：為各個程序及其使用的數據分配存儲空間，并保證它們互不干擾。

● 設備管理：根據用戶提出使用設備的請求進行設備分配，同時還能隨時接收設備的請求（稱為中斷），如要求輸入信息。

● 文件管理：主要負責文件的存儲、檢索、共享和保護，為用戶提供文件操作的方便。

操作系統的種類繁多，按其功能和特性分為批處理操作系統、分時操作系統和實時操作系統等；按同時管理用戶數的多少分為單用戶操作系統和多用戶操作系統；另外，還有適合管理計算機網絡環境的網絡操作系統。目前，微機上常見的操作系統有DOS、OS/2、Linux、UNIX和Windows等。

（2）語言處理系統（翻譯程序）

如前所述，機器語言是計算機唯一能直接識別和執行的程序語言。如果要在計算機上運行高級語言程序就必須配備程序語言翻譯程序（下簡稱翻譯程序）。翻譯程序本身是一組程序，不同的高級語言都有相應的翻譯程序。

對于高級語言來說，翻譯的方法有如下兩種。

第一種稱為“解釋”。早期的BASIC源程序的執行都采用這種方式。它調用機器配備的BASIC“解釋程序”，在運行BASIC源程序時，逐條把BASIC的源程序語句進行解釋和執行，它不保留目標程序代碼，即不產生可執行文件。這種方式速度較慢，每次運行都要經過“解釋”，邊解釋邊執行。

第二種稱為“編譯”，它調用相應語言的編譯程序，把源程序變成目標程序（以．OBJ為擴展名），然后再用連接程序，把目標程序與庫文件相連接形成可執行文件。盡管編譯的過程復雜一些，但它形成的可執行文件（以．exe為擴展名）可以反復執行，速度較快。運行程序時只要輸入可執行程序的文件名，再按【Enter】鍵即可。

對源程序進行解釋和編譯任務的程序，分別叫做編譯程序和解釋程序。如FORTRAN、COBOL、PASCAL和C語言等高級語言，使用時需有相應的編譯程序；BASIC、LISP等高級語言，使用時需用相應的解釋程序。

（3）服務程序

服務程序能夠提供一些常用的服務性功能，它們為用戶開發程序和使用計算機提供了方便，像微機上經常使用的診斷程序、調試程序、編輯程序均屬此類。

（4）數據庫管理系統

在信息社會里，社會和生產活動產生的信息很多，使人工管理難以應付，人們希望借助計算機對信息進行搜集、存儲、處理和使用。數據庫系統（Data Base System, DBS）就是在這種需求背景下產生和發展的。

數據庫是指按照一定聯系存儲的數據集合，可為多種應用共享。數據庫管理系統（Data Base Management System, DBMS）則是能夠對數據庫進行加工、管理的系統軟件。其主要功能是建立、消除、維護數據庫及對庫中數據進行各種操作。數據庫系統主要由數據庫（DB）、數據庫管理系統（DBMS）以及相應的應用程序組成。數據庫系統不但能夠存放大量的數據，更重要的是能迅速、自動地對數據進行檢索、修改、統計、排序、合并等操作，以得到所需的信息。這一點是傳統的文件柜無法做到的。

數據庫技術是計算機技術中發展最快、應用最廣的一個分支。可以說，在今后的計算機應用開發中大都離不開數據庫。因此，了解數據庫技術尤其是微機環境下的數據庫應用是非常必要的。

2．應用軟件

為解決各類實際問題而設計的程序系統稱為應用軟件。從其服務對象的角度，又可分為通用軟件和專用軟件兩類。

（1）通用軟件

這類軟件通常是為解決某一類問題而設計的，而這類問題是很多人都要遇到和解決的。例如，文字處理、表格處理、電子演示等。

（2）專用軟件

在市場上可以買到通用軟件，但有些具有特殊功能和需求的軟件是無法買到的。比如，某個用戶希望有一個程序能自動控制車床，同時也能將各種事務性工作集成起來統一管理。因為它對于一般用戶是太特殊了，所以只能組織人力開發。當然開發出來的這種軟件也只能專用于這種情況。

3．計算機系統的組成

一個完整的計算機系統是由硬件系統和軟件系統兩大部分組成的，其中硬件由主機和外部設備組成，軟件可分為系統軟件和應用軟件兩大類，如圖1-12所示。

在使用和選購計算機時，不僅要注意硬件與軟件的合理選購和協調問題，還要注意計算機的信息安全和使用規范，保護知識產權。