计算机基础--计算机组成

一、冯诺依曼体系结构

二、计算机硬件系统

1．控制器

2．运算器

3．存储器

(1) 内存储器

(2) 外存储器

4．输入设备

5．输出设备

三、计算机软件系统

1、系统软件

1）操作系统（Operating System）

2）语言处理程序

3）数据库管理系统

2、应用软件

一、冯诺依曼体系结构

20 世纪40年代，在研制计算机的过程中，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出了一个全
新概念的通用电子计算机设计方案，该方案的重要设计思想主要有三点：

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。

半个多世纪以来，现代数字电子计算机系统在制造材料、运算速度、性能指标、应用领
域等各方面均发生了巨大的变化。计算机的发展已经历了四代，但迄今为止，所有类型的数
字电子计算机的基本结构都仍然属于冯·诺依曼体系结构。一个完整的冯·诺依曼体系结构
的计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成的，两者互相支持，配合工作，缺一不
可。各组成部分如图所示。

二、计算机硬件系统

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（RandomAccess 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

输入设备（Input Device）是向计算机中（内存）输入程序、数据等各种信息的设备。
其功能是将要输入的程序和数据转换成相应的电信号，让计算机能够接受，如键盘、鼠标、
扫描仪等。

5．输出设备

输出设备（Output Device）是将计算机的处理结果从内存中输出，并以用户能够接受的
形式表示出来的设备，如显示器、打印机、绘图仪等。

三、计算机软件系统

计算机软件系统按其功能可分为系统软件和应用软件两大类。

1、系统软件

系统软件是指管理、控制、和维护计算机及其外部设备，提供用户与计算机之间操作界面等方面的软件，它并不专门针对具体的应用问题。

代表性的系统软件有：操作系统、数据库管理系统以及各种程序设计语言的编译系统等，其中最重要的系统软件是操作系统。

1）操作系统（Operating System）

操作系统是最基本的系统软件，是用于管理和控制计算机所有软、硬件资源的一组程序。操作系统直接运行在裸机上，其他的软件（包括系统软件和大量的应用软件）都是建立在操作系统基础上的，并得到它的支持和取得它的服务。

操作系统是计算机硬件与其他软件的接口，也是用户和计算机之间的接口。

功能：处理机管理、存储管理、设备管理、信息管理等。

操作系统的性能很大程度上决定了整个计算机系统的性能。

分类：

按与用户对话的界面不同，可以分为命令行界面操作系统和图形用户界面操作系统；
按能够支持的用户数为标准，可以分为单用户操作系统和多用户操作系统；
按是否能够运行多个任务为标准，分为单任务操作系统和多任务操作系统；
按系统单功能为标准，分为批处理系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统。

2）语言处理程序

计算机在执行程序时，首先要将存储在存储器中的程序指令逐条地取出来，并经过译码后向计算机的各部件发出控制信号，使其执行规定的操作。计算机的控制装置能够识别的指令是用机器语言编写的，而用机器语言编写一个程序并不是一件容易的事。绝大多数用户都是用某种程序设计语言（即高级语言），如BASIC语言、C语言等来编写程序。但是用这些高级语言编写的程序CPU不认识，必须要经过翻译变成机器指令后才能被计算机执行。而负责这种翻译的程序称为编译程序。为了在计算机上执行由某种高级语言编写的程序，就必须配置有该种语言的编译系统。

机器语言：计算机可以识别的二进制语言

程序语言：低级语言：汇编语言

高级语言：解释型语言和编译型语言

3）数据库管理系统

计算机的效率主要是指数据处理的效率。

数据库管理系统的功能：有组织的、动态的存储大量的数据信息；使用户能方便的、高效的使用这些数据信息。

数据库软件体系包括数据库、数据库管理系统和数据库系统三个部分。

数据库（DataBase，DB）是为了满足一定范围里许多用户的需要，在计算机里建立的一组互相关联的数据集合。
数据库管理系统（DataBase Management Systems,DBMS）是指对数据库中进行组织、管理、查询并提供一定处理能力的系统软件。它是数据库系统的核心组成部分，为用户或应用程序提供了访问数据库的方法，数据库的一切操作都是通过DBMS进行的。
数据库系统（DataBase System，DBS）是由数据库、数据库管理系统、应用程序、数据库管理员、用户等苟恒的人——机系统。数据库管理员是专门从事数据库建立、使用和维护的工作人员。
DBMS是位于用户（或应用程序）和操作系统之间的软件。DBMS是在操作系统支持下运行的，借助于操作系统实现对数据的存储和管理，是数据能被各种不同的用户所共享，保证用户得到的数据是完整的、可靠的。它与用户之间的接口称为用户接口，DBMS提供给用户可使用的数据库语言。

4）实用程序

实用程序完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务，如诊断程序、反病毒程序、卸载程序、备份程序、文件解压缩程序等工具类软件。

2、应用软件

应用软件是指专门为解决某个应用领域内的具体问题而编制的软件（或实用程序）。

应用软件一般不能独立的在计算机上运行，必须要有系统软件的支持。应用软件特别是各种专用软件包也经常是由软件厂商提供的。

常见的应用软件有以下几类：

文字处理软件：用于输入、存储、修改、编辑、打印文字资料（文件、稿件等）。常用的有WPS，Word等；
信息软件管理：用于输入、存储、修改、检索各种信息。例如工资管理系统、人事管理系统等。这种软件发展到一定水平后，可以将各个单项软件联接起来，构成一个完整的、高效的管理系统，简称MIS；
计算机辅助设计软件：用于高效的绘制、修改工程图纸，进行常规的设计和计算，帮助用户寻求较优的设计方案。常用的有AutoCAD等；
实时控制软件：用于随时收集生产装置、飞行器等的运行状态信息，并以此为根据按预定的方案实施自动或半自动控制，从而安全、准确的完成任务或实现预定目标。