计算机基础教程（二）
1.3 计算机系统的组成与工作原理
1.3.1 冯·诺依曼计算机体系结构
设计思想有三点：
⑴ 采用二进制数制。
⑵ 程序和数据都存放在存储器中，将程序指令作为数据进行处理。
⑶ 为实现存储程序的工作原理，计算机的硬件应由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五个部分组成
1.3.2 计算机硬件系统
一个计算机系统性能的高低在很大程度上取决于硬件的性能配置。根据冯·诺依曼提出的计算机设计思想，计算机的硬件结构主要由五部分构成。
1．控制器
控制器（Control Unit，CU）是计算机系统的神经中枢和指挥中心，用于控制、指挥计算机系统的各个部分协调工作。其基本功能是从内存中取出指令，对指令进行分析，然后根据该指令的功能向有关部件发出控制命令，以完成该指令所规定的任务。
控制器主要由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、操作控制电路和时序控制电路等组成，它们的主要功能是：
⑴ 程序计数器（Programe Counter，PC）：用来对程序中的指令进行计数，使控制器能够按照一定的顺序依次读取指令。
⑵ 指令寄存器（Injunction Register，IR）：保存从内存中读取出来的指令。
⑶ 指令译码器（Injunction Encoder，IE）：用于识别、分析指令的功能，确定指令的操作要求。
⑷ 操作控制电路：根据指令译码，产生各种控制操作命令。
⑸ 时序控制电路：生成脉冲时序信号，以协调、控制计算机各部件的工作。
2．运算器
运算器（Arithmetic and Logic Unit，ALU）又称算术逻辑单元，是对信息进行加工处理的部件，主要由算术逻辑运算器、累加器、寄存器等组成。运算器的功能是在控制器的控制下，对取自内存或者寄存器的二进制数据进行各种加工处理，包括加、减、乘、除等算术运算和与、或、非、比较等逻辑运算后，再将运算结果暂存在寄存器或送到内存中保存。控制器和运算器组成中央处理单元 CPU（Central Processing Unit）。
3．存储器
存储器（Memory）是具有记忆能力的电子装置或机电设备。使用时，可以从存储器中取出数据并且不影响原有数据，这种操作称为读出操作；也可以将数据保存到存储器中而替换原有内容，此种操作称为写入操作。根据作用和功能的不同，存储器通常分为内存储器和外存储器两大类。
(1) 内存储器
内存储器又称主存储器（Main Memory），其主要功能是存放 CPU 要执行的程序、要处理的原始数据、处理后的中间结果和最终结果。内存储器的特点是工作速度快、容量较小、价格较高。根据信息保存和工作特点的不同，内存储器又分为三类：
① 只读存储器（Read Only Memory，ROM）
ROM 中的数据在制作时或者安装前已经写入并固定在里面，只能读出，一般不能改变（写入），断电也不会丢失。通常用于存放不需要经常改变的程序或数据。
② 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）
RAM 中的数据可以根据需要随意地写入或读出，但只要一断电，其中保存的所有数据就会丢失，主要用于存放要执行的程序和需要加工处理的数据。冯·诺依曼体系结构计算机的重要设计思想之一就是程序和数据都必须存放到内存储器中才能被 CPU 执行和加工处理。
③ 高速缓冲存储器（Cache）
Cache 是介于 CPU 和内存之间的一种可以高速存取信息的存储器芯片，是 CPU 和内存之间交换信息的桥梁，用于解决 CPU 和内存之间工作速度的冲突问题，以提高整个系统的工作效率。
CPU 和内存储器构成计算机的主机。
(2) 外存储器
外存储器又称辅助存储器（Auxiliary Memory），是内存储器的补充和后援，主要用于存放计算机当前不处理的程序和大量的数据。保存在外存储器中的程序和数据只在需要时，才会调入到内存中。外存储器不与计算机系统的其它部件直接交换数据，只和内存交换数据，并且不是按单个数据进行存取，而是成批地进行数据交换。外存储器容量大，保存的程序和数据在断电后也不会丢失，弥补了内存储器 RAM 的容量小，断电会丢失数据的缺陷。常用的外存储器主要有软／硬磁盘、光盘、磁带、闪存盘等。外存储器的特点是容量很大，信息可长期保存，但数据的读／写速度较慢。
4．输入设备
5．输出设备
1.3.3 计算机软件系统
计算机的硬件系统（裸机）只有与软件系统密切配合，才能够正常工作和使用。计算机软件指的是操作、运行、管理、维护计算机所需的各种应用程序及其相关的数据和技术文档资料。其作用是为方便用户使用计算机，充分而有效地发挥计算机的功能。
计算机软件系统内容丰富，通常将软件分为两大类：系统软件和应用软件。
1．系统软件
系统软件（System Software）指的是管理、监控、维护计算机的软、硬件资源，使计算机系统能够高效率工作的一组程序及文档资料。它由计算机软件生产厂商研制提供，主要包括操作系统、各种语言处理系统、数据库管理系统、服务性程序等。
(1) 操作系统
操作系统（Operating System，OS）是管理、控制计算机系统的所有软、硬件资源，提供用户与计算机交流信息的界面，方便用户操作、使用计算机系统的各种资源和功能，以最大限度地发挥计算机的作用和效能的一组庞大的管理控制程序。
对于功能比较完善的操作系统，通常包括四个方面的管理功能：处理器管理、存储管理、设备管理和文件管理。
(2) 语言处理系统（程序设计语言）
语言处理系统（通常称为程序设计语言）就是人与计算机交流信息的语言工具，提供了让用户按自己的需要编制程序的功能。计算机语言通常分为三大类：
① 机器语言
机器语言（Machine Language）是计算机系统能够识别，能直接接收并执行的程序设计语言。机器语言中的每一条语句就是一条由若干位二进制数构成的指令代码或数据代码。机器语言的二进制指令代码（称为计算机指令系统）随着 CPU 型号的不同而不同（同系列的 CPU 一般向后兼容），因此机器语言程序在不同的计算机系统之间不能通用，故将其称之为面向机器的语言。
用机器语言编写的程序可读性极差，非常难于理解、记忆，出现错误很难检查。但机器语言编写的程序占用内存少、执行速度快、效率高。因为计算机只能识别二进制数，所以用任何其他语言编写的程序和表示的数据都必须转换成机器语言才能被计算机接收并执行。
② 汇编语言
汇编语言（Assembly Language）也是一种面向机器的程序设计语言，是一种把机器语言符号化的语言。它采用一些有意义的缩写字母及符号（称为助记符）来表示机器语言中的指令和数据。例如，用 ADD 表示加法，LD(Load)表示取数据，MOV 表示传送数据，XXH表示两位十六进制的数据等。
汇编语言既提高了编写程序的速度，检查和修改程序也很方便。一条汇编语句相当于若干条机器指令，所以使用汇编语言编写的程序要比机器语言编写的程序简洁得多。因为汇编语言的语句和机器指令有对应关系，从而保留了机器语言的优点—执行速度快，所以汇编语言目前仍在使用，主要用于实时控制等对响应速度有极高要求的场合。汇编语言也是面向机器的语言，不能在不同的计算机系统间通用。用汇编语言编写的程序（源程序）不能被计算机直接识别、接收和执行，需要用汇编程序将其翻译成机器指令（目标程序）才能执行。汇编程序是一种语言处理程序，其翻译的过程称为汇编过程。
③ 高级语言
用高级语言编写的程序（源程序）同样不能被计算机直接识别、接收和执行，需要用翻译程序将其翻译成机器指令程序（目标程序）才能执行。根据翻译方式的不同，可分为两类：
“编译”方式和“解释”方式。
编译方式是用编译程序将源程序完整地翻译成等价的目标程序后，再执行该目标程序。对源程序进行编译的过程比较长，程序的调试修改也比较麻烦，但编译后得到的目标程序执行速度快，运行效率高。
解释方式是用解释程序将源程序逐句进行翻译，翻译一句执行一句，边翻译边执行，不产生目标程序。解释执行方式的运行速度慢，效率低，但提供了人—机会话方式，易于调试修改程序。
(3) 数据库管理系统
数据库管理系统（DataBase Management System）向用户提供按照一定的结构组织、管理、加工、处理各类数据的能力，如 Dbase、FoxBase、FoxPor、Access、Oracle、SQL Server、DB2 等。
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