第五节  计算机的硬件系统和软件系统
　　一个完整的计算机系统包含硬件系统和软件系统两大部分。硬件通常是指一切看得见、摸得到的设备实体；软件通常是泛指各类程序和文件，它们实际上是由一些算法及其在计算机中的表示所构成的。硬件构成了计算机系统的物质基础，软件则是计算机系统的应用基础，是计算机系统的灵魂。硬件和软件相辅相成，不可分割。
　　一、冯·诺依曼结构
　　现代计算机经历了半个多世纪的发展，这一时期的杰出代表人物是美籍匈牙利科学家冯·诺依曼和英国科学家图灵。
　　1946年，冯·诺依曼等人提出存储程序概念：
　　1.计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；
　　2.计算机内部采用二进制来表示指令和数据；
　　3.将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作。
　　世界上第一台计算机ENIAC并不是存储程序计算机，事实上的第一台存储程序计算机——EDSAC，于1949年诞生，而冯·诺依曼设计的存储程序计算机——EDVAC，于1951年诞生。
　　目前绝大多数计算机仍建立在存储程序概念的基础上，称为冯·诺依曼型计算机。冯·诺依曼的贡献主要是确立了现代计算机的基本结构——冯·诺依曼结构即程序存储体系结构，它是当今所有计算机的基础。其特点可以概括为如下几点：
　　1.使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作；
　　2.存储单元是定长的线性组织；
　　3.存储空间的单元是直接寻址的；
　　4.使用机器语言，指令通过操作码来完成简单的操作；
　　5.对计算进行集中的顺序控制。
　　图灵与冯·诺依曼齐名，他对现代计算机的主要贡献是建立了图灵机的理论模型；发展了可计算性理论；提出了定义机器智能的图灵测试，被称为“人工智能之父”。
　　二、计算机的硬件系统
　　现代大多数计算机的硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备构成。
　　（一）中央处理器CPU
　　CPU=运算器+控制器
　　CPU是整个计算机的核心，控制着计算机内所有操作，它包括运算器和控制器，其品质直接影响计算机系统的性能。
　　1.CPU的主要性能指标
　　（1）字长
　　CPU的字长是指在单位时间内同时处理的二进制数据的位数。CPU按照其处理信息的字长可以分为：8位CPU、16位CPU、32位CPU以及64位CPU等。
　　（2）主频
　　主频又叫内频或内部时钟频率，在其他性能指标相同时，CPU的主频越高，CPU的速度也就越快。主频的倒数是时钟周期，这是CPU中最小的时间元素。每个动作至少需要一个时钟周期。主频的单位为兆赫(MHz)。
　　2.CPU的其他性能指标
　　（1）外部工作频率
　　外部工作频率，也叫前端总线频率或系统总线时钟频率，它是主板为CPU提供的基准时钟频率。正常情况下，CPU总线频率和主存总线频率相同，所以它也是CPU与主存交换数据的频率。
　　（2）片内Cache的容量和速率
　　片内Cache的容量和工作速率对提高计算机的速度起着关键的作用。
　　（3）工作电压
　　工作电压指的是CPU正常工作所需的电压。
　　（4）地址总线宽度
　　地址总线宽度决定了CPU可以访问的最大的物理地址空间，简单地说就是CPU到底能够使用多大容量的主存。
　　（5）数据总线宽度
　　数据总线宽度决定了CPU与外部Cache、主存以及输入输出设备之间进行一次数据传输的信息量。数据总线和地址总线互相独立，数据总线宽度指明了芯片的信息传递能力，而地址总线宽度说明了芯片可以处理多少主存单元。
　　3．运算器
　　运算器是对信息进行处理和运算的部件，经常进行的运算是加、减、乘、除等算术运算和与、或、非、异或、同或等逻辑运算。
　　运算器主要由运算逻辑单元ALU和寄存器两部分组成，寄存器部件用来提供参与运算的操作数，并暂时存放运算结果，运算器的核心是算术逻辑运算部件ALU。
　　4．控制器
　　控制器是整个计算机的指挥中心，它作为CPU的核心部件，主要用来协调计算机的工作。它的主要功能是按照人们预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。
　　控制器由指令部件、时序部件、微操作信号发生器、中断控制逻辑部件等组成。
　　（1）指令部件
　　指令部件的主要任务是完成取指令并分析指令，包括：
　　程序计数器（PC）：又称指令计数器，用来存放正在执行的指令地址或接着要执行的下条指令地址。
　　指令寄存器（IR）：用来存放从存储器中取出的指令。
　　指令译码器：对暂存在指令寄存器中的指令进行译码，以确定该指令要完成什么样的操作，并产生相应的控制信号提供给微操作信号发生器。
　　地址形成部件：根据指令的不同寻址方式，形成操作数的有效地址。
　　（2）时序部件
　　时序部件能产生一定的时序信号，以保证机器的各功能部件有节奏地进行信息传送、加工及信息存储，包括：
　　脉冲源：产生具有一定频率和宽度的时钟脉冲信号，为整个机器提供基准信号。
　　启停控制逻辑：根据计算机的需要，可靠地开放或封锁脉冲，控制时序信号的发生或停止，实现对整个机器的正确启动或停止。
　　节拍信号发生器：又称脉冲分配器。脉冲源产生的脉冲信号，经过节拍信号发生器后产生出各个机器周期中的节拍信号，用以控制计算机完成每一步微操作。
　　（3）微操作信号发生器
　　一条指令的取出和执行可以分解成很多最基本的操作，这种最基本的不可再分割的操作称为微操作。微操作信号发生器也称为控制单元（CU）。不同的机器指令具有不同的微操作序列。
　　（4）中断控制逻辑部件
　　中断控制逻辑部件是用来控制中断处理的硬件逻辑。
　　（二）存储器
　　存储器主要功能是存放程序与数据，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。在计算机系统中，规模较大的存储器往往分成若干级，称为存储系统。存储器主要由存储体、地址寄存器与译码线路、读写电路与数据寄存器、控制线路等构成。
　　计算机中，一个二进制数由若干位组成，当这个二进制数作为一个整体存入或取出时，这个数称为存储字。存放存储字或存储字节的主存空间称为存储单元或主存单元，大量存储单元的集合构成一个存储体，为了区别存储体中的各个存储单元，必须将它们逐一编号，存储单元的编号即称为地址，地址和存储单元之间有一对一的对应关系。
　　1．内存储器
　　内存储器简称内存，又叫主存储器，用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，CPU可直接随机地进行读/写访问。内存储器通常分为RAM和ROM两大部分。
　　（1）只读存储器（ROM）：储存的信息只能读出，不能写入，断电后信息不会丢失。
　　（2）随机存储器（RAM）：储存的信息可以读出，也可以写入，断电后存储的信息会丢失。RAM包括静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。
　　（3）高速缓存存储器（Cache）：高速缓冲存储器用来存放正在执行的程序段和数据。它的存取速度可以与CPU的速度相匹配，用于解决CPU与内存之间的速度不匹配而影响系统运行速度的问题。Cache的储存容量不是越大越好，目前有256K、512K、2M等。
　　主存储系统主要性能指标：
　　（1）存储容量：存储器能够保存的数据的数量。常用的单位有GB、MB、KB等。
　　（2）存取速度：单位时间内存储器能读写的位数或字节数。该参数跟存储器的时钟频率有关。一般情况下，时钟频率越高，存取速度越快。如果用位数衡量，常用单位有Kb/s、Mb/s等；如果用字节数衡量，常用单位有KB/s、MB/s等。
　　（3）读写周期：指读写一位或一个字节所需要的时间。该参数与存取速度成反比。存取速度越快，周期越短，反之亦然。
　　2．外存储器
　　外存储器也叫辅助存储器，用来存放当前暂不参与运行的程序和数据以及一些需要永久性保存的信息。CPU不能直接访问外存，外存中的信息必须通过专门的程序调入主存后，CPU才能使用。断电后，外存储器信息不会丢失。常见的外存储器有硬盘、光盘、U盘等。
　　3．数据的存储单位
　　数据存储的最小单位：位（bit）
　　数据存储的最基本单位：字节（Byte）
　　计算机处理数据的基本单位：字（word）
　　1KB=1024B
　　1MB=1024KB
　　1GB=1024MB
　　1TB=1024GB
　　也可以用乘积的方式表示：容量＝字数×字长。
　　例如1KB可以表示为1K×8位，1MB可以表示为1M×8位等。
　　（三）输入设备
　　输入设备的任务是输入用户提供的原始信息，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。常用的输入设备有：键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏、数字化仪等。
　　（四）输出设备
　　输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式输出。常用的输出设备有：打印机、显示器、绘图仪等。
　　一般情况下，由于输入、输出设备种类繁多而且速度各异，因此它们一般不是直接同高速工作的主机相连接，而是通过适配器部件与主机相联系，适配器的作用相当于一个转换器。
　　（五）总线
　　除了上述五个部件外，计算机系统中还必须有总线。计算机通过总线将五大部件连接起来。总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地发送与接收各部件的信息。它的特点是共享和分时。
　　系统总线按传送信息的不同可以细分为：地址总线、数据总线和控制总线。
　　地址总线：由单方向的多根信号线组成，用于CPU向主存、外设传输地址信息。
　　数据总线：由双方向的多根信号线组成，CPU可以沿这些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外设送出数据。
　　控制总线：传输控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存/外设返回CPU的反馈信号。
　　三、计算机的软件系统
　　软件是计算机系统中使用的各种程序，而软件系统是指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合。没有配备任何软件的计算机称之为“裸机”，裸机是不能工作的。
　　现代计算机系统的软件分类，通常按其功能分为系统软件和应用软件两大类。
　　（一）系统软件
　　系统软件主要功能是对整个计算机系统进行调度、管理、监视及服务等。它能够使系统的各种资源得到合理的调度和高效的使用，并能监视系统的运行状态，一旦出现故障就能自动保护现场信息使之不受破坏，并诊断出故障部位。它还可以帮助用户调试程序、查找程序中的错误等。
　　系统软件主要分类及其基本功能如下：
　　1．操作系统（Operating System）
　　操作系统是一种运行于裸机之上并对计算机各种硬件和软件资源进行管理、控制和协调的系统程序。它一方面为用户进行计算机操作提供一个方便的接口，另一方面为其他软件提供一个开发环境和运行环境。因此，操作系统是系统软件的核心，它由执行程序、调度程序、中断处理和中断服务程序、设备管理程序、存储管理程序、程序库管理程序等模块组成。
　　操作系统主要功能包括：
　　（1）处理器管理
　　（2）存储管理
　　（3）设备管理
　　（4）文件管理
　　（5）作业管理
　　操作系统的特性：
　　（1）并发性
　　（2）共享性
　　常用的操作系统类型有：
　　（1）单用户单任务操作系统，例如：MS-DOS、PC-DOS等。
　　（2）单用户多任务操作系统，例如：Windows 2000/XP/Vista等。
　　（3）多用户操作系统，又称为分时系统，例如：Unix、Linux等
　　（4）网络操作系统，例如：NetWare、Windows NT等。
　　（5）实时操作系统，例如：Windows CE、Uclinux等。
　　其中Windows系列的操作系统随着PC机的发展应用十分广泛，其常用的文件扩展名有.DAT数据文件、.BAK备份文件、.SYS系统文件、.BAT批处理文件、.DLL动态链接库文件、.INI配置文件、.TXT文本文件、.COM二进制命令文件、.EXE可执行文件等。
　　2．语言处理程序
　　用户往往是用某一种程序设计语言来编写程序，也就是常说的源程序，但计算机只能识别二进制信息，语言处理程序的实质就是完成翻译计算机各种语言的一组程序。其主要任务是对用户使用的各种语言进行处理，进而使计算机能完成用户以各种语言所描述的任务。
　　计算机语言通常是一个能完整、准确和规则地表达人们的意图,并用以指挥或控制计算机工作的“符号系统”。计算机语言通常分为以下几种：
　　（1）机器语言
　　机器语言是用二进制代码表示的，能够直接被计算机硬件识别和执行的一种机器指令的集合。利用机器语言编写的程序称之为机器语言程序。机器语言具有灵活、直接执行和速度快等特点，但是机器语言不易书写，可阅读性差，出错也不易修改。
　　（2）汇编语言
　　汇编语言也叫符号语言，是一种将机器语言符号化了的语言，它用形象、直观、便于记忆的字母、符号来代替数字编码的机器指令。汇编语言的语句与机器指令一一对应，不同的计算机具有不同的汇编语言。用汇编语言写的程序称为汇编语言程序。汇编语言是低级语言，它基本保留了机器语言的灵活性。经常用来编制系统软件和过程控制软件,其目标程序占用内存空间少,运行速度快,有着高级语言不可替代的用途。
　　（3）高级语言
　　高级语言是一种与具体计算机逻辑结构不相关的，表达方式接近于被描述的问题的程序设计语言。高级语言程序具有可书写性和可阅读性强等优点。高级语言按其程序的执行方式可以分为两种：编译型和解释型。例如：Basic、Fortran、Pascal、C、Delphi、C++、Java、C#等都属于高级语言程序。
　　（4）面向对象语言
　　面向对象语言是当今软件开发的主流语言和技术。面向对象程序设计方法符合人的思维习惯，具有抽象、封装、继承和多态等特性，支持自顶向下和自底向上的软件开发模式，具有良好的可维护性。例如C++、Java、C#等都属于面向对象语言。
　　注意：
　　①机器语言和汇编语言均属于低级语言；
　　②高级语言是面向用户的语言；
　　③面向对象语言属于高级语言，但并不是所有的高级语言都是面向对象语言，例如：C语言是高级语言但不是面向对象语言，它是面向过程的语言。
　　3．服务性程序
　　服务性程序又称实用程序，是为系统提供各种服务性手段而设置的一组程序。其主要功能是完成对用户程序的装入、连接、编辑、查错和纠错以及硬件故障诊断等工作。服务性程序执行的过程和详细功能如下：
　　（1）装入程序。在使用计算机时，首先必须将程序从机器的外部经由各种外部设备（如磁盘驱动器等）装入内存，这个功能由装入程序完成。
　　（2）连接程序。在实际应用中，一个大的源程序常被分成若干个相对独立的程序模块，分别编译为相应的目标模块，这些独立的目标模块必须连成一个程序后才能投入运行。完成这一功能的程序叫做连接程序。
　　（3）编辑程序。编辑程序是为用户编制源程序提供的一种编辑手段，利用它用户可以方便地编写、修改、删除或补充源程序。
　　（4）数制转换程序。数制转换程序可以使用户直接用十进制数输入，由计算机自动转换成所能识别的二进制数。
　　（5）诊断程序。诊断程序用于诊断硬件的故障。当机器在运行中出现故障时，诊断程序启动运行，查出机器的故障部位。
　　4．数据库管理系统（Database Management Systems）
　　数据库管理系统，简称DBMS，是管理数据库的软件。数据库是为适应大型企业的数据处理和信息管理的需要而在文件系统的基础上发展起来的。
　　文件是一组相互关联的信息的集合，即文件描述是具有相同性质的一组记录。对这些文件的组织和管理的程序构成了文件系统，它是操作系统的一个组成部分，但由于各个用户建立的文件系统其数据不能共享，造成大量重复，容易产生数据的结构不一致性，而且各种文件缺乏统一的管理机构。为了克服上述缺点，数据库用一个单独的系统软件来集中管理所有的文件，实现数据共享，这就是数据库管理系统。例如：Oracle、SQL Server、DB2、MySQL、Access等。
　　（二）应用软件
　　应用软件是用户利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的计算机程序，是指除了系统软件以外的所有软件，由各种应用软件包和面向问题的各种应用程序组成。
　　应用软件主要是为用户提供在各个具体应用领域中的辅助功能，如计算机辅助绘图软件Auto CAD、办公软件Office、图形图像处理软件Photoshop、网络下载软件网际快车、迅雷，聊天软件MSN、QQ等。
　　四、计算机系统的层次结构
　　计算机系统的层次结构共分为五级：
　　第1级：微程序设计级，这是一个实际存在的硬件级，由硬件直接执行微指令。
　　第2级：机器语言级，它由微程序解释机器指令系统，该级也属于硬件级。
　　第3级：操作系统级，该级采用机器语言解释执行，既涉及软件资源，也涉及硬件资源，即在操作系统的控制之下调用系统的硬件与软件资源。
　　第4级：汇编语言级，这一级由汇编程序支持和执行。
　　第5级：高级语言级，这一级由各种高级语言编译程序支持和执行，它是面向用户的，所编写的程序称之为用户程序，这一级属于软件级。
　　五、计算机工作原理及主要性能指标
　　（一）计算机工作原理
　　计算机的基本原理是存储程序和程序控制。
　　计算机在执行程序时预先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中，在执行程序时CPU根据当前程序指针寄存器的内容取出指令并执行指令，然后再取出下一条指令并执行，如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行。其工作过程就是不断取指令和执行指令的过程，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。
　　（二）计算机主要性能指标
　　1.机器字长
　　机器字长是指参与运算的数的基本位数，它是由加法器、寄存器的位数决定的。字长直接影响到计算机的功能、用途和应用范围。如Pentium是64位字长的微处理器，即数据位数是64位，而它的寻址位数是32位。
　　2.数据通路宽度
　　数据总线一次所能并行传送信息的位数，称为数据通路宽度。它影响到信息的传送能力，从而影响计算机的有效处理速度。这里所说的数据通路宽度是指外部数据总线的宽度，它与CPU内部的数据总线宽度有可能不同。
　　3.主存容量
　　主存储器所能存储的全部信息量称为主存容量。
　　4.运算速度
　　计算机的运算速度指计算机每秒能执行的指令数，对运算速度的衡量有以下方法：
　　（1）根据不同类型指令在计算过程中出现的频繁程度，乘上相应系数，求统计平均值，这时所指的运算速度是平均运算速度。
　　（2）以每条指令执行所需时钟周期数CPI来衡量运算速度。
　　（3）以MIPS和MFLOPS作为计量单位来衡量运算速度。
　　备考题库
　　1.  在计算机中根据储存量大小的计算方法，下列描述正确的是（    ）。
　　A. 1KB=1024MB   B. 1KB=1000MB
　　C. 1MB=1024KB   D. 1MB=1000KB
　　2.  在一般微处理器中，（    ）包含在CPU中。
　　A. 算术逻辑运算   B. 内存
　　C. 输出设备   D. 硬盘
　　3.  世界上第一台电子计算机ENIAC是（    ）年诞生的。
　　A. 1964   B. 1936   C. 1946   D. 1956
　　4.  计算机内存储器包括（    ）。
　　A. RAM和ROM   B. RAM和硬盘
　　C. 硬盘   D. Windows2000
　　5.  下面哪个软件属于系统软件?（    ）
　　A. 字处理软件   B. MIS
　　C. 电子表格  D. Windows2000
　　6.  下面哪个设备属于输出设备（    ）。
　　A. 键盘   B. 扫描仪   C. 打印机   D. 鼠标
　　7.  英文大写字母B的ASCII码的值是十进制的66，则小写字母b的ASCII码十进制值是（    ）。
　　A. 98   B. 66   C. 102   D. 67
　　8.  计算断电会使（    ）中的信息毛失。
　　A. U盘   B. RAM   C. ROM   D. 硬盘
　　9.  将二进制数00111101转换成十进制数为（    ）。
　　A. 57   B. 59   C. 61   D. 63
　　10. 计算机内存储的是（    ）。
　　A. 二进制编码   B. 四进制编码
　　C. 八进制编码   D. 十六进制编码
　　参考答案及解析
　　1.  C  ［解析］ 数据存储的最小单位：位（bit）
　　数据存储的最基本单位：字节（Byte）
　　计算机处理数据的基本单位：字（word）
　　1KB=1024B
　　1MB=1024KB
　　1GB=1024MB
　　1TB=1024GB
　　也可以用乘积的方式表示：容量＝字数×字长。
　　例如1KB可以表示为1K×8位，1MB可以表示为1M×8位等。
　　2.  A  ［解析］ CPU=运算器+控制器
　　CPU是整个计算机的核心，控制着计算机内所有操作，它包括运算器和控制器。
　　（1）运算器是对信息进行处理和运算的部件，经常进行的运算是加、减、乘、除等算术运算和与、或、非、异或、同或等逻辑运算。
　　（2）控制器是整个计算机的指挥中心，它作为CPU的核心部件，主要用来协调计算机的工作。控制器由指令部件、时序部件、微操作信号发生器、中断控制逻辑部件等组成。
　　［误区导航］ 计算机的主机一般包括CPU和内存。
　　3.  C  ［解析］ 世界上第一台计算机ENIAC（埃尼阿克）于1946年诞生，但它并不是存储程序计算机，事实上第一台存储程序计算机——EDSAC，于1949年诞生，而冯·诺依曼设计的存储程序计算机——EDVAC，于1951年诞生。
　　［误区导航］ 注意ENIAC、EDSAC和EDVAC三者的区别。
　　4.  A  ［解析］ 内存储器简称内存，又叫主存储器，用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，CPU可直接随机地进行读/写访问。内存储器通常分为RAM和ROM两大部分。
　　（1）只读存储器（ROM）：储存的信息只能读出，不能写入，断电后信息不会丢失。
　　（2）随机存储器（RAM）：储存的信息可以读出，也可以写入，断电后存储的信息会丢失。RAM包括静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。
　　［误区导航］ 硬盘属于外存。
　　5.  D  ［解析］ 系统软件主要功能是对整个计算机系统进行调度、管理、监视及服务等。
　　系统软件主要分类有：操作系统，如Windows XP，语言处理程序和服务性程序。
　　［误区导航］ 选项A、B、C均属于应用软件。
　　6.  C  ［解析］ 输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式输出。
　　常用的输出设备有：打印机、显示器、绘图仪等。
　　输入设备的任务是输入用户提供的原始信息，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。常用的输入设备有：键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏、数字化仪等。
　　［误区导航］ 注意区分输出设备和输入设备。
　　7.  A  ［解析］ 66+32=98。
　　ASCII码中，英文大写字母和小写字母值相差32，即英文大写字母+32=英文小写字母。
　　8.  B  ［解析］ U盘和硬盘属于外存储器，断电后，外存储器信息不会丢失。
　　ROM和RAM属于内存储器。
　　ROM：只读存储器，储存的信息只能读出，不能写入，断电后信息不会丢失。
　　RAM：随机存储器，储存的信息可以读出，也可以写入，断电后存储的信息会丢失。
　　［误区导航］ 注意ROM与RAM的区别。
　　9.  C  ［解析］ 00111101=1×25+1×24+1×23+1×22+0×21+1=32+16+8+4+0+1=61
　　二、八、十六进制数转换成十进制数方法为：按权展开多项式并求和。
　　(kn kn–1…k1 k0.k–1…k–m)p
　　= kn×pn + kn–1×pn–1 +…+ k1×p1 + k0×p0 + k–1×p–1 + … + k–m×p–m
　　其中p为基数，代表二、八或者十六。
　　10. A  ［解析］ 计算机内部采用二进制来表示指令和数据，故计算机内存储的是二进制编码。