1.2.4 計(jì)算機(jī)硬件和軟件

1.計(jì)算機(jī)硬件

硬件是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物理設(shè)備總稱(chēng)，通常是電子的、機(jī)械的、磁性的或光的元器件或裝置。計(jì)算機(jī)硬件由中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等構(gòu)成。

① 中央處理器（CPU）

CPU：是整臺(tái)計(jì)算機(jī)的核心部件，它主要由運(yùn)算器和控制器兩大部分組成。

運(yùn)算器：又稱(chēng)為算術(shù)邏輯單元，它是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的部件，包括算術(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除等）和邏輯運(yùn)算（與、或、非、異或、比較等），其主要功能是執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算與邏輯運(yùn)算，如取數(shù)、送數(shù)、相加、移位等，運(yùn)算器按控制器發(fā)出的命令來(lái)完成各種操作。

控制器：控制器由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、指令發(fā)生部件所組成。控制器負(fù)責(zé)從存儲(chǔ)器中取出指令，對(duì)指令進(jìn)行譯碼，并根據(jù)指令的要求，按時(shí)間的先后順序，對(duì)各個(gè)部件發(fā)出控制信號(hào)，保證各部件協(xié)調(diào)一致地工作，然后按部就班地完成各種操作。控制器是按指令的要求來(lái)指揮的，而指令是由人輸入的，可見(jiàn)計(jì)算機(jī)最終還是由人來(lái)指揮工作的。

因?yàn)橛?jì)算機(jī)的所有工作都要通過(guò)CPU來(lái)協(xié)調(diào)處理，所以CPU芯片的型號(hào)直接決定著計(jì)算機(jī)檔次的高低。隨著CPU型號(hào)的不斷更新，計(jì)算機(jī)的性能也不斷提高，形成了不同檔次的計(jì)算機(jī)。衡量CPU的指標(biāo)主要有：CPU型號(hào)、字長(zhǎng)、主頻。字長(zhǎng)指CPU一次能處理的數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù)，它體現(xiàn)了CPU處理數(shù)據(jù)的能力。主頻越高，則PC的運(yùn)行速度也就越高。當(dāng)然CPU只是計(jì)算機(jī)重要組成部分（核心），但本身不構(gòu)成獨(dú)立的工作系統(tǒng)，因而也不能獨(dú)立地執(zhí)行程序。

② 存儲(chǔ)器

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)功能主要由內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器構(gòu)成。內(nèi)存儲(chǔ)器又稱(chēng)為主存儲(chǔ)器，外存儲(chǔ)器又稱(chēng)為輔助存儲(chǔ)器。

? 主存儲(chǔ)器：主要由半導(dǎo)體器件組成，存放計(jì)算機(jī)當(dāng)前運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。主存儲(chǔ)器又分為隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器。

隨機(jī)存儲(chǔ)器：隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）可以分為靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）與動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM），SRAM在速度上優(yōu)于DRAM。系統(tǒng)板上的隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM），一般采用動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）。RAM中的信息可以隨機(jī)地讀出或?qū)懭耄?jì)算機(jī)一旦斷電，RAM中的信息立即消失，通電后不能恢復(fù)，故需要將數(shù)據(jù)保存到外部存儲(chǔ)器上才能長(zhǎng)期保存。

只讀存儲(chǔ)器：只讀存儲(chǔ)器（ROM）中只能讀出信息，不能寫(xiě)入信息，里面存放著在最初制造時(shí)就被存放進(jìn)去的固定不變的信息。存放在ROM中的信息，在沒(méi)有電源的情況下也能長(zhǎng)期保存。一般在系統(tǒng)板上插有名為ROM BIOS的只讀存儲(chǔ)器芯片，其中固化了計(jì)算機(jī)所必需的基本輸入/輸出系統(tǒng)，即BIOS。該系統(tǒng)的主要作用是完成對(duì)系統(tǒng)的加電自檢，各功能模塊的初始化，系統(tǒng)的基本輸入/輸出的驅(qū)動(dòng)以及啟動(dòng)程序等。

? 輔助存儲(chǔ)器：輔助存儲(chǔ)器也稱(chēng)外部存儲(chǔ)器，作為主存的輔助存儲(chǔ)部件，大大擴(kuò)充了存儲(chǔ)器的容量。它負(fù)責(zé)成批地將數(shù)據(jù)或程序送入內(nèi)存，也可以將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)或程序保存至外存中。目前常用的輔助存儲(chǔ)器有軟盤(pán)、硬盤(pán)、光盤(pán)及網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器等。

? 高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）：隨著CPU工作頻率的提高，它對(duì)RAM的讀寫(xiě)速度要求也相應(yīng)提高。由于目前系統(tǒng)對(duì)RAM的存取速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上CPU執(zhí)行指令的速度，因此，在執(zhí)行存放在RAM中的一段程序的整個(gè)時(shí)間中，絕大部分時(shí)間CPU處于等待指令的狀態(tài)，這大大降低了CPU的工作效率，故微機(jī)中通常在CPU與內(nèi)存之間配置了Cache的存儲(chǔ)裝置。Cache一般是由存取速度遠(yuǎn)比動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器高得多的靜態(tài)存儲(chǔ)器構(gòu)造的。

Cache是如何提高存儲(chǔ)器的運(yùn)行速度的呢？

本來(lái)每條計(jì)算機(jī)指令都要由CPU到內(nèi)存中去取，現(xiàn)在有了Cache就可以將一批即將要處理的計(jì)算機(jī)指令放在其中。一般情況下CPU只要到Cache中取指令執(zhí)行，只有當(dāng)Cache中的指令用完，或者要用的指令不在Cache中，才到內(nèi)存中再取一批指令，這樣計(jì)算機(jī)運(yùn)行的速度可以大大加快。

綜上所述，計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)呈現(xiàn)了Cache-Memory-Disk三層結(jié)構(gòu)的層次形式。和CPU的寄存器最接近的是高速緩沖存儲(chǔ)器，中間層是內(nèi)存（包括RAM和ROM），底層是輔助存儲(chǔ)器。

計(jì)算機(jī)內(nèi)存和外存之間的分工是建立在這樣一個(gè)原理基礎(chǔ)上的：內(nèi)存存放正在運(yùn)行的程序和正在使用的數(shù)據(jù)，外存存放目前不運(yùn)行的程序和使用不到的數(shù)據(jù)。這種運(yùn)行方式往往使能夠運(yùn)行的程序的大小受到內(nèi)存容量的限制，也就是運(yùn)行不了大程序，也運(yùn)行不了多道程序。

20世紀(jì)50年代末、60年代初，由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)首先提出了計(jì)算機(jī)的虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，用來(lái)解決利用有限的內(nèi)存空間運(yùn)行更大的程序，甚至多道程序的問(wèn)題。它的基本思想是把內(nèi)存當(dāng)作“前臺(tái)”，外存當(dāng)作“后臺(tái)”，通過(guò)合理的調(diào)度，前后臺(tái)不斷地進(jìn)行信息交換，來(lái)完成大程序和多道程序的運(yùn)行。

在Windows操作系統(tǒng)中虛擬存儲(chǔ)器的大小是可以通過(guò)軟件設(shè)置的。虛擬存儲(chǔ)器的大小占有一定比例的硬磁盤(pán)空間，比例過(guò)小虛擬存儲(chǔ)器的作用不明顯，比例過(guò)大又會(huì)使用于文件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的硬磁盤(pán)空間過(guò)小，也會(huì)使系統(tǒng)的效率降低。

③ 輸入/輸出設(shè)備

? 輸入設(shè)備（Input_Unit）：計(jì)算機(jī)要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，則需先把程序和數(shù)據(jù)輸送給計(jì)算機(jī)，這就需要一種設(shè)備將程序和數(shù)據(jù)的信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，讓計(jì)算機(jī)能接收，這樣的設(shè)備叫做輸入設(shè)備，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、光筆、圖形掃描器、外存儲(chǔ)器等。

? 輸出設(shè)備（Output_Unit）：在中央處理器中，有需要輸出的處理結(jié)果，就要產(chǎn)生與處理結(jié)果相對(duì)應(yīng)的各種電信號(hào)，然后將這些電信號(hào)或在屏幕上顯示，或在打印機(jī)上打印，或在外存儲(chǔ)器上存放，能將計(jì)算機(jī)內(nèi)部信息傳遞出來(lái)的設(shè)備就是輸出設(shè)備，如顯示器、打印機(jī)。

2.計(jì)算機(jī)軟件

簡(jiǎn)單說(shuō)，軟件是一些程序的集合。這些程序有的用來(lái)支持計(jì)算機(jī)工作和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能，有的則專(zhuān)為某種具體問(wèn)題而編制。由于這些程序是看不見(jiàn)、摸不著的，所以叫做“軟件”。只有硬件而沒(méi)有軟件，計(jì)算機(jī)幾乎是無(wú)用的。只有當(dāng)軟件和硬件結(jié)合成一體組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)后，才能發(fā)揮計(jì)算機(jī)的作用。

計(jì)算機(jī)軟件可以分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩類(lèi)。為運(yùn)行計(jì)算機(jī)而必須的最基本的軟件稱(chēng)為系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件主要是指操作系統(tǒng)以及語(yǔ)言處理工具（程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言及其編譯、解釋程序，調(diào)試、查錯(cuò)程序等等）和工具軟件。為完成某種具體的應(yīng)用性任務(wù)而編制的軟件稱(chēng)為應(yīng)用軟件，例如字處理軟件，電子表格軟件，演示文稿制作軟件，等等。

從是否開(kāi)放軟件的源代碼角度分類(lèi)，軟件可以分為非開(kāi)源軟件和開(kāi)源軟件。傳統(tǒng)的商業(yè)軟件一般都是非開(kāi)源軟件，不對(duì)公眾開(kāi)放軟件的源代碼。20世紀(jì)90年代開(kāi)始興起了開(kāi)源軟件，這種軟件代碼完全向公眾開(kāi)放。開(kāi)源軟件有獨(dú)特的開(kāi)放許可證制度，賦予公眾自由使用、分發(fā)、復(fù)制、修改軟件的權(quán)利，通過(guò)法律形式保證了軟件的自由開(kāi)放形式。

從是否需要在客戶(hù)端計(jì)算機(jī)上安裝軟件的角度分類(lèi)，軟件可以分為客戶(hù)端軟件和在線(xiàn)軟件。傳統(tǒng)的軟件需要用戶(hù)先購(gòu)買(mǎi)軟件使用許可，再將軟件在客戶(hù)端計(jì)算機(jī)上安裝后才能使用。隨著因特網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用軟件的成熟，21世紀(jì)開(kāi)始興起了一種完全創(chuàng)新的軟件應(yīng)用模式——在線(xiàn)軟件，它遵循軟件即服務(wù)的原則，通過(guò)因特網(wǎng)提供軟件服務(wù)，用戶(hù)無(wú)須安裝，只要上網(wǎng)就能使用廠(chǎng)商提供的軟件服務(wù)。

（1）系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件包括各種語(yǔ)言的匯編、解釋或編譯系統(tǒng)，如計(jì)算機(jī)監(jiān)控、調(diào)試、診斷、故障檢測(cè)程序，數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序，操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信管理程序等。系統(tǒng)軟件根據(jù)所完成功能的不同，可以分為以下四類(lèi)：

① 操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)（Operating System，OS）是計(jì)算機(jī)最基本也是最重要的軟件包。目前普遍被接受的操作系統(tǒng)的定義是：操作系統(tǒng)是用以控制和管理系統(tǒng)資源、方便用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)的程序的集合。操作系統(tǒng)的基本功能有兩個(gè)：一是管理、調(diào)度計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源；二是為用戶(hù)方便地使用計(jì)算機(jī)提供友好的界面和良好服務(wù)。

一般來(lái)說(shuō)，目前常用的操作系統(tǒng)有Microsoft的Windows系列，Apple的Macintosh OS、HPUX，SUN Solaris和Linux等。從使用和技術(shù)相結(jié)合的角度，可以把操作系統(tǒng)分為：批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的主要功能有：

? 資源管理。計(jì)算機(jī)中的資源主要有：處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備和文件信息四種，統(tǒng)稱(chēng)為系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)能控制和管理所有程序的運(yùn)行，并管理和調(diào)度程序運(yùn)行過(guò)程中所需要的這些系統(tǒng)資源。

? 人/機(jī)接口界面管理。操作系統(tǒng)是用戶(hù)與計(jì)算機(jī)的接口，任何其他程序都只有通過(guò)操作系統(tǒng)才能使用計(jì)算機(jī)硬件。操作系統(tǒng)從早期的文字窗口的字符串命令操作界面，發(fā)展到菜單式操作界面，又發(fā)展到圖形窗口操作界面，大大方便了人們的使用。

② 語(yǔ)言處理程序

這類(lèi)程序主要幫助用戶(hù)開(kāi)發(fā)信息系統(tǒng)。它是將各種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言所編寫(xiě)的源程序，“翻譯”成計(jì)算機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言，從而能被計(jì)算機(jī)直接執(zhí)行的一種程序，主要包括各種語(yǔ)言解釋器、編譯器、程序設(shè)計(jì)工具及計(jì)算機(jī)輔助軟件工程包。

③ 工具軟件

實(shí)用工具軟件是系統(tǒng)軟件的一個(gè)組成部分，用來(lái)幫助用戶(hù)更好地控制、管理和使用計(jì)算機(jī)的各種資源，如管理內(nèi)存、優(yōu)化磁盤(pán)的使用、制作備份、顯示系統(tǒng)信息、抗病毒等。工具軟件種類(lèi)繁多，主要有：系統(tǒng)工具、網(wǎng)絡(luò)工具、驅(qū)動(dòng)程序、開(kāi)發(fā)工具和殺毒軟件等。

④ 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DataBase Management System，DBMS）也是一種系統(tǒng)軟件包，這種軟件包幫助企業(yè)開(kāi)發(fā)、使用、維護(hù)和組織數(shù)據(jù)庫(kù)。它既能將所有數(shù)據(jù)集成在數(shù)據(jù)庫(kù)中，又允許不同用戶(hù)運(yùn)用程序方便地存取相同數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)之間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜的數(shù)據(jù)集合，DBMS能夠有效地管理和使用這些數(shù)據(jù)，它可完成對(duì)數(shù)據(jù)的編輯、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、排序等操作，常見(jiàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)有SQL Server，Visual FoxPro等。

（2）應(yīng)用軟件

在計(jì)算機(jī)硬件和系統(tǒng)軟件的支持下，面向具體問(wèn)題和具體用戶(hù)的軟件，稱(chēng)為應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件是一些具有一定功能、滿(mǎn)足一定要求的應(yīng)用程序的組合。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益廣泛深入，各種應(yīng)用軟件的數(shù)量不斷增加，質(zhì)量日趨完善，使用更加靈活方便，通用性越來(lái)越強(qiáng)，人們只要略加學(xué)習(xí)一些基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法，就可以利用這些應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、文字處理、輔助設(shè)計(jì)等。從應(yīng)用領(lǐng)域的不同對(duì)應(yīng)用軟件分類(lèi)可分為：信息管理類(lèi)、文字表格處理軟件、教育軟件、游戲軟件、翻譯軟件、多媒體軟件和圖形圖像處理軟件等。

必須指出，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件之間并不存在明顯的界限。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的廣泛深入，各種各樣的應(yīng)用軟件中就有了許多共同的東西，把這些共同的東西抽取出來(lái)，形成一個(gè)新的通用軟件，它就逐漸成為系統(tǒng)軟件了。如數(shù)據(jù)庫(kù)一開(kāi)始是作為應(yīng)用軟件出現(xiàn)的，現(xiàn)在已形成作為系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)了。