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第1章 计算机系统概述 §1.1 计算机系统的组成 一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成，如图1.1所示。硬件系统 是构成计算机系统的各种物理设备的总称。硬件是机器的实体，软件是它的灵魂。计算 机的功能不仅仅取决于硬件，更大程度上是由安装的软件系统所决定。硬件与软件密切 相关，相互依存。在计算机系统中，硬件与软件的功能分担，在硬件基础上逐层地扩充 软件是形成强大的计算机系统的有效途径。 §1.1 计算机硬件系统的基本组成 从硬件体系结构上看,它们的基本结构都基于冯·诺依曼存储程序原理的设计思想，即 由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。 微型计算机（简称为微机）的各部件之间是用总线相连接的，系统总线成为计算机内 部传输各种信息的通道。 1.1.1 运算器、控制器和中央处理器 1．运算器 运算器也称为算术逻辑单元。它的功能就是在控制器的控制下，对取自内存或内部寄 存器的数据进行算术运算或逻辑运算。离开了运算器，计算机的各种运算都不能实现。 2．控制器 控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。控制器对计算机 系统的其他各部分进行协调与控制，并对输入输出设备的运行进行监控，使计算机有条 不紊地自动地执行程序。没有控制器，计算机各组成部件将是分散独立的，不能成为一 个功能完善的计算机系统。 3．中央处理器CPU（Central Processing Unit） 在决定计算机的总体性能方面，没有任何其他的单一部件比CPU更重要了，CPU由控制 器和运算器组成。 关于CPU，我们应了解以下几点： 必须按照CPU的特殊要求编写软件，因此，为某个处理器编写的程序可能在不同型号 的处理器上不兼容； 某些CPU比其他CPU处理数据的速度快得多，这是由于它们的数据总线宽度和系统时 钟的速度不同影响了计算机的性能； CPU地址总线的宽度决定了其可能使用内存的最大数目。 下面就以上内容说明有关术语。 兼容性 由于各种处理器都有特定的指令集，为某种计算机设计的程序在另一种计算机上可能 无法运行。可在给定计算机上运行的程序即与该计算机的处理器兼容。 数据总线 决定CPU速度的一个重要因素是数据总线宽度，它是用位（8，16，32或64）来衡量的 。当人们说"这是16位计算机"或"那是32位计算机"时，他们指的就是总线宽度。总线的 位数决定了计算机可同时处理的位数，这一数目也就是计算机中"字"的长度。16位计算 机中"字"长16位，而32位计算机中"字"长32位。 数据总线将CPU与内存相连，并提供计算机外部设备的通道。 地址总线 内存由许多存储单元组成，每一个单元可以存放若干位数据代码，该代码可以是指令 ，也可以是数据。为区分不同的存储单元，所有存储单元均按一定顺序编号，该编号称 为地址编码，简称地址。 控制总线 控制总线是传送计算机系统中控制信号的一组线，用于发布控制命令和实现对设备的 控制和监视功能。 系统时钟频率 总线不是影响计算机速度的唯一因素。计算机系统内有一个时钟发生器定时地发出脉 冲，管理CPU的处理功能。每秒系统时钟产生脉冲的次数叫时钟频率，也称主频，单位为 赫兹（Hz）。100万周称为1兆赫兹（MHz）。时钟频率越高，就意味着处理速度越快。当 然，时钟频率只是影响计算机性能的一个重要因素，它本身不足以充当微处理器性能的 衡量尺度。即使时频率度相同，32位芯片处理数据的速度也会比16位芯片快得多。CPU的 控制总线速度、地址总线速度、数据总线速度、CPU是否有浮点处理器等因素也对计算机 的性能有影响。 指令周期 指令周期是指计算机执行一条指令所用的时间，一个完整的指令周期包括：取指令、 解释指令、执行指令几个操作步骤。 1.1.2内存 计算机存储器分为内存储器（简称为内存或主存）和外存储器（简称外存或辅助存储 器）两种。存储器是用来存放数据和程序的记忆装置。 计算机将内存当作"便笺"，保存正被CPU使用的程序和数据。大多数计算机的内存由 RAM、高速缓存和ROM组成。下面我们对这些术语进行解释。 1．RAM（随机存取存储器） RAM是既可从里面读取数据，也可以存入数据的存储器。处理器将正在使用的程序和 数据保存在RAM中。没有RAM，处理器就无法工作。它是用户程序运行的工作间，是仅次 于CPU的宝贵系统资源。RAM的大小直接关系到计算机系统的工作能力。一般来说，内存 越大越好。 随机存储器的速度快，但也有一个缺点：它具有易失性——RAM中存放的所有数据当计 算机断电后都会立即消失。 2．ROM（只读存储器） ROM的特点是用普通计算机只能读出内容，不能写入。其内容一般由制造商在制造时 写入，并且其内容在断电后依然保存，不会因断电而丢失。ROM主要用于存放各种系统软 件（如ROM BIOS、 计算机系统作为当今信息时代的核心，其软硬件知识对于各个行业的人来说都至关重要。作为理解和运用计算机的基石，本文将深入探讨计算机系统的基本构成，硬件系统的核心组成，以及软件系统的基本分类，力图为读者提供一个全面、系统的计算机知识框架。 计算机系统总体可以分为硬件和软件两大部分。硬件是计算机系统的物质基础，它包括了所有看得见摸得着的物理设备，如运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。而软件则是计算机的灵魂，它由一系列指令和数据组成，指导硬件完成特定的操作任务。二者相辅相成，硬件提供执行指令的平台，而软件则定义了执行指令的具体内容和方法。 在硬件系统中，运算器、控制器、存储器、输入和输出设备构成了计算机的基础。运算器，又称算术逻辑单元，是处理数据的核心部分，它在控制器的指挥下完成算术运算和逻辑运算。控制器则是整个系统的协调者，它通过指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路等组成，确保计算机可以按步骤有序地执行指令。中央处理器（CPU）是这两者的集合体，它体现了计算机系统的性能，是计算机的核心。 CPU的兼容性取决于处理器的指令集。不同的CPU具有不同的指令集，这可能导致一些为特定CPU编写的程序无法在其它类型CPU上运行。数据总线宽度是决定CPU性能的重要指标之一，它决定了CPU可以一次性处理的数据位数，常见的有8位、16位、32位和64位。此外，CPU地址总线的宽度决定了CPU能访问内存的最大容量。控制总线用于控制信号的传输，而系统时钟频率则反映了CPU每秒可以执行指令的次数。 内存作为计算机中的重要组成部分，主要分为RAM和ROM。RAM（随机存取存储器）能够进行读写操作，但它具有易失性，即断电后所有数据会消失，这使得它非常适合于存放暂时的运行数据和程序。相对的，ROM（只读存储器）保存的内容在断电后不会丢失，通常用于存储固化的系统信息，比如BIOS。现代计算机技术中还引入了高速缓存（Cache），它位于CPU和内存之间，极大地提高了数据访问的速度。 软件系统则是由一系列程序和相关数据构成，它决定了计算机系统可以执行哪些任务。软件系统主要分为操作系统、系统软件和应用软件。操作系统是管理计算机硬件资源并提供用户接口的软件，如Windows、Linux等。系统软件包含了语言处理程序、数据库管理系统等，为用户提供编程、数据管理等功能。应用软件则是直接面向最终用户的软件，如办公软件、图像处理软件等，它们帮助用户完成特定的任务需求。 计算机软硬件基础知识不仅仅涵盖了硬件和软件的组成，还涉及它们是如何相互协作、共同完成各种复杂计算任务的。深入理解这些基础知识，有助于用户更好地使用计算机，解决日常工作中遇到的技术问题，并且为计算机技术的进一步学习和发展打下坚实的基础。计算机系统的学习是一个不断探索和实践的过程，只有通过不断地学习和应用，才能真正掌握计算机系统的精髓。