1.1 計算機系統(tǒng)的組成
計算機系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。
計算機硬件是構(gòu)成計算機系統(tǒng)各功能部件的集合。是由電子、機械和光電元件組成的各種計算機部件和設(shè)備的總稱，是計算機完成各項工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。計算機硬件是看得見、摸得著的，實實在在存在的物理實體。
計算機軟件是指與計算機系統(tǒng)操作有關(guān)的各種程序以及任何與之相關(guān)的文檔和數(shù)據(jù)的集合。其中程序是用程序設(shè)計語言描述的適合計算機執(zhí)行的語句指令序列。
沒有安裝任何軟件的計算機通常稱為“裸機”，裸機是無法工作的。如果計算機硬件脫離了計算機軟件，那么它就成為了一臺無用的機器。如果計算機軟件脫離了計算機的硬件就失去了它運行的物質(zhì)基礎(chǔ)；所以說二者相互依存，缺一不可，共同構(gòu)成一個完整的計算機系統(tǒng)。
計算機系統(tǒng)的基本組成如圖1-6 所示。
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1.2 計算機硬件系統(tǒng)的基本組成及工作原理
⑴ 計算機硬件由五個基本部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。
⑵ 計算機內(nèi)部采用二進制來表示程序和數(shù)據(jù)。
⑶ 采用“存儲程序”的方式，將程序和數(shù)據(jù)放入同一個存儲器中（內(nèi)存儲器），計算機能夠自動高速地從存儲器中取出指令加以執(zhí)行。
可以說計算機硬件的五大部件中每一個部件都有相對獨立的功能，分別完成各自不同的工作。如圖1-7所示，五大部件實際上是在控制器的控制下協(xié)調(diào)統(tǒng)一地工作。首先，把表示計算步驟的程序和計算中需要的原始數(shù)據(jù)，在控制器輸入命令的控制下，通過輸入設(shè)備送入計算機的存儲器存儲。其次當計算開始時，在取指令作用下把程序指令逐條送入控制器。控制器對指令進行譯碼，并根據(jù)指令的操作要求向存儲器和運算器發(fā)出存儲、取數(shù)命令和運算命令，經(jīng)過運算器計算并把結(jié)果存放在存儲器內(nèi)。在控制器的取數(shù)和輸出命令作用下，通過輸出設(shè)備輸出計算結(jié)果。
 

1．運算器（ALU）
運算器也稱為算術(shù)邏輯單元ALU（Arithmetic Logic Unit）。它的功能是完成算術(shù)運算和邏輯運算。算術(shù)運算是指加、減、乘、除及它們的復合運算。而邏輯運算是指“與”、“或”、“非”等邏輯比較和邏輯判斷等操作。在計算機中，任何復雜運算都轉(zhuǎn)化為基本的算術(shù)與邏輯運算，然后在運算器中完成。
2．控制器（CU）
控制器CU（Controller Unit）是計算機的指揮系統(tǒng)，控制器一般由指令寄存器、指令譯碼器、時序電路和控制電路組成。它的基本功能是從內(nèi)存取指令和執(zhí)行指令。指令是指示計算機如何工作的一步操作，由操作碼（操作方法）及操作數(shù)（操作對象）兩部分組成�？刂破魍ㄟ^地址訪問存儲器、逐條取出選中單元指令，分析指令，并根據(jù)指令產(chǎn)生的控制信號作用于其它各部件來完成指令要求的工作。上述工作周而復始，保證了計算機能自動連續(xù)地工作。
通常將運算器和控制器統(tǒng)稱為中央處理器，即CPU（Central Processing Unit）,它是整個計算機的核心部件，是計算機的“大腦”。它控制了計算機的運算、處理、輸入和輸出等工作。
集成電路技術(shù)是制造微型機、小型機、大型機和巨型機的CPU的基本技術(shù)。它的發(fā)展使計算機的速度和能力有了極大的改進。在1965年，芯片巨人英特爾公司的創(chuàng)始人戈登 · 摩爾，給出了著名的摩爾定律：芯片上的晶體管數(shù)量每隔18~24個月就會翻一番。讓所有人感到驚奇的是，這個定律非常精確的預測了芯片的30年發(fā)展。1958年第一代集成電路僅僅包含兩個晶體管，而1997年，奔騰II處理器則包含了750萬個晶體管，2000年的Pentium 4 已達到了0.13微米技術(shù)，集成了4200萬個晶體管 。CPU集成的晶體管數(shù)量越大，就意味著更強的芯片計算能力。
３．存儲器（Memory）
存儲器是計算機的記憶裝置，它的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)。程序是計算機操作的依據(jù)，數(shù)據(jù)是計算機操作的對象。
⑴ 信息存儲單位
程序和數(shù)據(jù)在計算機中以二進制的形式存放于存儲器中。存儲容量的大小以字節(jié)為單位來度量。經(jīng)常使用KB（千字節(jié)）、MB（兆字節(jié)）、GB（千兆字節(jié)）和TB來表示。它們之間的關(guān)系是：1KB=1024B=210B，1MB=1024KB=220B，1GB=1024MB=230B，1TB=1024G=240B，在某些計算中為了計算簡便經(jīng)常把210（1024）默認為是1000。
位（bit）：是計算機存儲數(shù)據(jù)的最小單位。機器字中一個單獨的符號“0”或“1”被稱為一個二進制位，它可存放一位二進制數(shù)。
字節(jié)（Byte，簡稱B）：字節(jié)是計算機存儲容量的度量單位，也是數(shù)據(jù)處理的基本單位，8個二進制位構(gòu)成一個字節(jié)。一個字節(jié)的存儲空間稱為一個存儲單元。
字（Word）：計算機處理數(shù)據(jù)時，一次存取、加工和傳遞的數(shù)據(jù)長度稱為字。一個字通常由若干個字節(jié)組成。
字長（Word Long）：中央處理器可以同時處理的數(shù)據(jù)的長度為字長。字長決定CPU的寄存器和總線的數(shù)據(jù)寬度。現(xiàn)代計算機的字長有8位、16位、32位、64位。
⑵ 存儲器的分類
根據(jù)存儲器與CPU聯(lián)系的密切程度可分為內(nèi)存儲器（主存儲器）和外存儲器（輔助存儲器）兩大類。內(nèi)存在計算機主機內(nèi)，它直接與運算器、控制器交換信息，容量雖小，但存取速度快，一般只存放那些正在運行的程序和待處理的數(shù)據(jù)。為了擴大內(nèi)存儲器的容量，引入了外存儲器，外存作為內(nèi)存儲器的延伸和后援，間接和CPU聯(lián)系，用來存放一些系統(tǒng)必須使用，但又不急于使用的程序和數(shù)據(jù)，程序必須調(diào)入內(nèi)存方可執(zhí)行。外存存取速度慢，但存儲容量大，可以長時間地保存大量信息。CPU與內(nèi)、外存之間的關(guān)系如圖1-8所示。 
 
現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用半導體存儲器，從使用功能角度看，半導體存儲器可以分成兩大類：斷電后數(shù)據(jù)會丟失的易失性（Volatile）存儲器和斷電后數(shù)據(jù)不會丟失的非易失性（Non-volatile）存儲器。微型計算機中的RAM屬于可隨機讀寫的易失性存儲器，而ROM屬于非易失性（Non-volatile）存儲器
⑶ 存儲器工作原理
為了更好地存放程序和數(shù)據(jù)，存儲器通常被分為許多等長的存儲單元，每個單元可以存放一個適當單位的信息。全部存儲單元按一定順序編號，這個編號被稱為存儲單元的地址，簡稱地址。存儲單元與地址的關(guān)系是一一對應(yīng)的。應(yīng)注意存儲單元的地址和它里面存放的內(nèi)容完全是兩回事。
對存儲器的操作通常稱為訪問存儲器，訪問存儲器的方法有兩種，一種是選定地址后向存儲單元存入數(shù)據(jù)，被稱為“寫”；另一種是從選定的存儲單元中取出數(shù)據(jù)，被稱為“讀”。可見，不論是讀還是寫，都必須先給出存儲單元的地址。來自地址總線的存儲器地址由地址譯碼器譯碼（轉(zhuǎn)換）后，找到相應(yīng)的存儲單元，由讀／寫控制電路根據(jù)相應(yīng)的讀、寫命令來確定對存儲器的訪問方式，完成讀寫操作。數(shù)據(jù)總線則用于傳送寫入內(nèi)存或從內(nèi)存取出的信息。主存儲器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-8所示
 

4. 輸入設(shè)備
輸入設(shè)備是從計算機外部向計算機內(nèi)部傳送信息的裝置。其功能是將數(shù)據(jù)、程序及其他信息，從人們熟悉的形式轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別和處理的形式輸入到計算機內(nèi)部。
常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標、光筆、掃描儀、數(shù)字化儀、條形碼閱讀器等。
5. 輸出設(shè)備
輸出設(shè)備是將計算機的處理結(jié)果傳送到計算機外部供計算機用戶使用的裝置。其功能是將計算機內(nèi)部二進制形式的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成人們所需要的或其他設(shè)備能接受和識別的信息形式。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機、繪圖儀等。
通常我們將輸入設(shè)備和輸出設(shè)備統(tǒng)稱為I/O設(shè)備（Input/Output）。它們都屬于計算機的外部設(shè)備。
1.1.3 計算機軟件系統(tǒng)
一個完整的計算機系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的。硬件是組成計算機的物理實體。但僅有硬件計算機還不能工作，要使計算機解決各種問題，必須有軟件的支持，軟件是介于用戶和硬件系統(tǒng)之間的界面。
“軟件”一詞 20世紀60年代初傳入我國。國際標準化組織（ISO）將軟件定義為：電子計算機程序及運用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所必需的手續(xù)、規(guī)則和文件的總稱。對此定義，一種公認的解釋是：軟件由程序和文檔兩部分組成。程序由計算機最基本的指令組成，是計算機可以識別和執(zhí)行的操作步驟；文檔是指用自然語言或者形式化語言所編寫的用來描述程序的內(nèi)容、組成、功能規(guī)格、開發(fā)情況、測試結(jié)構(gòu)和使用方法的文字資料和圖表。程序是具有目的性和可執(zhí)行性的，文檔則是對程序的解釋和說明。
程序是軟件的主體。軟件按其功能劃分，可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類型。
1. 1.系統(tǒng)軟件（System Software）
系統(tǒng)軟件一般是指控制和協(xié)調(diào)計算機及外部設(shè)備,支持應(yīng)用軟件開發(fā)和運行的系統(tǒng)，是無需用戶干預的各種程序的集合，主要功能是調(diào)度，監(jiān)控和維護計算機系統(tǒng)；負責管理計算機系統(tǒng)中各種獨立的硬件，使得它們可以協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)軟件使得計算機使用者和其他軟件將計算機當作一個整體而不需要顧及到底層每個硬件是如何工作的。
常見的系統(tǒng)軟件主要指操作系統(tǒng)，當然也包括語言處理程序（匯編和編譯程序等）、服務(wù)性程序（支撐軟件）和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。
⑴ 操作系統(tǒng)OS（Operating System） 
 
操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件的核心。為了使計算機系統(tǒng)的所有資源（包括硬件和軟件）協(xié)調(diào)一致、有條不紊地工作，就必須用一個軟件來進行統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度，這種軟件稱為操作系統(tǒng)。它的功能就是管理計算機系統(tǒng)的全部硬件資源、軟件資源及數(shù)據(jù)資源，從圖1-10可以看出，操作系統(tǒng)是最基本的系統(tǒng)軟件，其他的所有軟件都是建立在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的。操作系統(tǒng)是用戶與計算機硬件之間的接口，沒有操作系統(tǒng)作為中介，用戶對計算機的操作和使用將變得非常難且低效。操作系統(tǒng)能夠合理地組織計算機整個工作流程，最大限度地提高資源利用率。操作系統(tǒng)在為用戶提供一個方便、友善、使用靈活的服務(wù)界面的同時，也提供了其他軟件開發(fā)，運行的平臺。它具備五個方面的功能，即CPU管理，作業(yè)管理，存儲器管理，設(shè)備管理及文件管理。操作系統(tǒng)是每一臺計算機必不可少的軟件，現(xiàn)在具有一定規(guī)模的現(xiàn)代計算機甚至具備幾個不同的操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了計算機系統(tǒng)工作的優(yōu)劣。微型計算機常用的操作系統(tǒng)有DOS（Disk Operating System）、Unix、Xenix、Linux、Windows98/2000、NetWare、WindowsNT、WindowsXP等。
⑵ 語言處理程序
在介紹語言處理程序之前，很有必要先介紹一下計算機程序設(shè)計語言的發(fā)展。
軟件是指計算機系統(tǒng)中的各種程序，而程序是用計算機語言來描述的指令序列。計算機語言是人與計算機交流的一種工具，這種交流被稱為計算機程序設(shè)計。程序設(shè)計語言按其發(fā)展演變過程可分為三種：機器語言、匯編語言和高級語言，前二者統(tǒng)稱為低級語言。
機器語言（Machine Language）是直接由機器指令（二進制）構(gòu)成的，因此由它編寫的計算機程序不需要翻譯就可直接被計算機系統(tǒng)識別并運行。這種由二進制代碼指令編寫的程序最大的優(yōu)點是執(zhí)行速度快、效率高，同時也存在著嚴重的缺點：機器語言很難掌握，編程繁瑣、可讀性差、易出錯，并且依賴于具體的機器，通用性差。
匯編語言（Assemble Language）采用一定的助記符號表示機器語言中的指令和數(shù)據(jù)，是符號化了的機器語言，也稱作“符號語言”。匯編語言程序指令的操作碼和操作數(shù)全都用符號表示，大大方便了記憶，但用助記符號表示的匯編語言，它與機器語言歸根到底是一一對應(yīng)的關(guān)系，都依賴于具體的計算機，因此都是低級語言。同樣具備機器語言的缺點，如：缺乏通用性、繁瑣、易出錯等），只是程度上不同罷了。用這種語言編寫的程序（匯編程序）不能在計算機上直接運行，必須首先被一種稱之為匯編程序的系統(tǒng)程序“翻譯”成機器語言程序，才能由計算機執(zhí)行。任何一種計算機都配有只適用于自己的匯編程序（Assembler）。
高級語言又稱為算法語言，它與機器無關(guān)，是近似于人類自然語言或數(shù)學公式的計算機語言。高級語言克服了低級語言的諸多缺點，它易學易用、可讀性好、表達能力強（語句用較為接近自然語言的英文字來表示）、通用性好（用高級語言編寫的程序能使用在不同的計算機系統(tǒng)上）。但是，對于高級語言編寫的程序仍不能被計算機直接識別和執(zhí)行，它也必須經(jīng)過某種轉(zhuǎn)換才能執(zhí)行。
高級語言種類很多，功能很強，常用的高級語言有：其中面向過程的有Basic、用于科學計算的Fortran、支持結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的Pascal、用于商務(wù)處理的COBOL和支持現(xiàn)代軟件開發(fā)的C語言 ；現(xiàn)在又出現(xiàn)了面向?qū)ο蟮腣B（Visual Basic）、VC++(Visual C++)、Delphi、Java等語言使得計算機語言解決實際問題的能力得到了很大的提高。
Ø Ø Fortran 語言在1954年提出，1956年實現(xiàn)的。適用于科學和工程計算，它已經(jīng)具有相當完善的工程設(shè)計計算程序庫和工程應(yīng)用軟件。
Ø Ø Pascal 語言是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言，適用于教學、科學計算、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)軟件開發(fā)等，目前逐漸被C語言所取代。
Ø Ø C語言是美國Bell實驗室開發(fā)成功的，是一種具有很高靈活性的高級語言。它語言程序簡潔，功能強，適用于系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)處理等，成為目前使用得最多的程序設(shè)計語言之一。
Ø Ø Visual Basic是在Basic語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言的，它既保留了Basic語言簡單易學的特點，同時又具有很強的可視化界面設(shè)計功能，能夠迅速地開發(fā)Windows應(yīng)用程序，是重要的多媒體編程工具語言。
Ø Ø C++是一種面向?qū)ο蟮恼Z言。面向?qū)ο蟮募夹g(shù)在系統(tǒng)程序設(shè)計、數(shù)據(jù)庫及多媒體應(yīng)用等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。專家們預測，面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想將會主導今后程序設(shè)計語言的發(fā)展。
Ø Ø Java是一種新型的跨平臺分布式和程序設(shè)計語言。Java以它簡單、安全、可移植、面向?qū)ο�、多線程處理和具有動態(tài)等特性引起世界范圍的廣泛關(guān)注。Java語言是基于C++的，其最大的特色在于“一次編寫，處處運行”。Java已逐漸成為網(wǎng)絡(luò)化軟件的核心語言。
語言處理程序的功能是將除機器語言以外，利用其他計算機語言編寫的程序，轉(zhuǎn)換成機器所能直接識別并執(zhí)行的機器語言程序的程序�？梢苑譃槿�種類型，即匯編程序、編譯程序和解釋程序。通常將匯編語言及各種高級語言編寫的計算機程序稱為源程序（Source Program），而把由源程序經(jīng)過翻譯（匯編或者編譯）而生成的機器指令程序稱為目標程序 (Object Program)。語言處理程序中的匯編程序與編譯程序具有一個共同的特點，即必須生成的目標程序，然后通過執(zhí)行目標程序得到最終結(jié)果。而解釋程序是對源程序進行解釋（逐句翻譯），翻譯一句執(zhí)行一句，邊解釋邊執(zhí)行，從而得到最終結(jié)果。解釋程序不產(chǎn)生將被執(zhí)行的目標程序，而是借助解釋程序直接執(zhí)行源程序本身。 
 
應(yīng)該注意的是，除機器語言外，每一種計算機語言都應(yīng)具備一種與之對應(yīng)的語言處理程序。
⑶ 服務(wù)性程序（支撐軟件）是指為了幫助用戶使用與維護計算機，提供服務(wù)性手段，支持其他軟件開發(fā)而編制的一類程序。此類程序內(nèi)容廣泛，主要有以下幾種：
Ø Ø 工具軟件：工具軟件主要是幫助用戶使用計算機和開發(fā)軟件的軟件工具，如美國Central Point Software公司推出的PC tools。
Ø Ø 編輯程序：編輯程序能夠為用戶提供一個良好的書寫環(huán)境。如EDLIN、EDIT、寫字板等。
Ø Ø 調(diào)試程序：調(diào)試程序用來檢查計算機程序有哪些錯誤，以及錯誤位置，以便于修正，如DEBUG。
Ø Ø 診斷程序：診斷程序主要用于對計算機系統(tǒng)硬件的檢測和維護。能對CPU、內(nèi)存、軟硬驅(qū)動器、顯示器、鍵盤及I/O接口的性能和故障進行檢測。
⑷ 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)庫技術(shù)是計算機技術(shù)中發(fā)展最快、用途廣泛一個分支，可以說，在今后的各項計算機應(yīng)用開發(fā)中都離不開數(shù)據(jù)庫技術(shù)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是對計算機中所存放的大量數(shù)據(jù)進行組織、管理、查詢有效提供一定處理功能的大型系統(tǒng)軟件。主要分為兩類，一類是基于微型計算機的小型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，如FoxBase和Foxpro；另一類是大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。
2. 2.應(yīng)用軟件
應(yīng)用軟件是指在計算機各個應(yīng)用領(lǐng)域中，為解決各類實際問題而編制的程序，它用來幫助人們完成在特定領(lǐng)域中的各種工作。應(yīng)用軟件主要包括：為解決各類實際問題而編制的程序，它用來幫肋人們完成在特定領(lǐng)域中的各種工作。應(yīng)用軟件主要包括：
⑴ 文字處理程序：文字處理程序用來進行文字錄入、編輯、排版、打印輸出的程序，如Microsoft Word、Wps2000等。
⑵ 表格處理軟件：電子表格處理程序用來對電子表格進行計算機、加工、打印輸出的程序，如Lotus、Excel等。
⑶ 輔助設(shè)計軟件：軟件開發(fā)程序是為用戶進行各種應(yīng)用程序的設(shè)計而提供的程序或軟件包。常用的有AutoCAD、Photoshop、3D Studio MAX等。另外，上述的各種語言及語言處理程序也為用戶提供了應(yīng)用程序設(shè)計的工具，也可視為軟件開發(fā)程序。
⑷ 實時控制軟件：在現(xiàn)代化工廠里，計算機普遍用于生產(chǎn)過程的自動控制，稱為“實時控制”。例如，在化工廠中，用計算機控制配料、溫度、閥門的開閉；在煉鋼車間，用計算機控制加料、爐溫、冶煉時間等；在發(fā)電廠，用計算機控制發(fā)電機組等。這類控制對計算機的可靠性要求很高，否則會生產(chǎn)出不合格產(chǎn)品，或造成重大事故。目前，PC機上較流行的軟件有FIX、InTouch、Lookout等。
⑸ 用戶應(yīng)用程序；用戶應(yīng)用程序是指用戶根據(jù)某一具體任務(wù)，使用上述各種語言、軟件開發(fā)程序而設(shè)計的程序。如人事檔案管理程序、計算機輔助教學軟件、各種游戲程序等。