2.3计算机系统

        在计算机诞生的七十多年间，世界因为计算机而发生了巨大的变化，我们的生活也被计算机深深的影响着。计算机是由硬件系统和软件系统两部分组成的，就像是人类的躯体和灵魂。硬件系统是组成计算机系统的物理设备的总称，软件系统包括系统软件、应用软件等。

2.3.1计算机硬件系统

        自第一台计算机ENIAC诞生以来，计算机的外形、性能等便不断更新，从笨重硕大到小巧易携带，从简单运算到模拟人类的逻辑思维。尽管计算机的发展变化迅速，但计算机硬件系统的基本结构仍属于冯·诺依曼体系计算机，主要由运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备5部分构成。

1．运算器

        运算器又称算术逻辑单元，主要由累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。运算器可以进行加、减、乘、除等算术运算和与、或、非等逻辑运算，处理的数据来自存储器，处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。

2．控制器

        人类大脑中的神经中枢，指挥和控制各器官有条不紊的协调工作。控制器作为计算机的指挥中心,就如同人类的神经中枢，它发出各种控制信号，协调和指挥整个计算机硬件系统的工作。控制器的具体工作过程：首先控制器从存储器中读取并分析一条指令，然后依据指令指挥各部分完成相应的操作，此条指令执行完毕后，接着读取下一条指令，不断重复上述步骤。

        我们通常把运算器和控制器制作在一块芯片上，称为中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU），如图2-3所示，它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU内部可分为控制单元、逻辑单元和存储单元。它的工作流程是，获取第一条指令，控制器对该条指令进行分析，按照分析结果执行这条指令，比如执行逻辑运算或算术运算，最后把执行结果写入存储器中。不断重复上述步骤，直到接收到结束指令。

        CPU的工作流程大致可以分为获取指令、分析指令、执行指令和存储结果等。前两步是由控制器完成的，后两步则由运算器完成，控制器获取并分析第一条指令时，运算器处于休息状态，当运算器接手工作之后，控制器则处于休息状态，为提高CPU的处理性能，借鉴工业生产广泛采用的流水线模式，即当运算器开始处理第一条指令时，控制器不休息，直接处理第二条指令；当把第二条指令交给运算器时，控制器处理第三条指令，以此类推，形成了流水线，最大限度的利用了CPU资源。

图2-3 CPU

3．存储器

        存储器是计算机中存储各种信息的记忆装置。它可以实现“读”、“写”操作，即存储器可以从输入设备或其它地方读取数据但不破坏或改变原数据，也可以覆盖之前保存的数据，记录新数据。按照存储器的作用和分工不同，可以将其分为内存储器和外存储器两大类。

（1）内存储器

        内存储器简称内存，由许多存储单元构成，每个存储单元可以存放若干位二进制数据，为方便区分，我们按照一定的顺序对各个存储单元进行编号，这个编号称为地址码，简称地址。计算机存取数据时，必须知道存储单元的地址，之后才能对该地址对应的存储单元进行存取操作，这与我们找人类似，要知道目标人物的位置，才能找到他。计算机运算之前，输入设备把数据送入内存，运算时，内存会保存运算的中间结果和最终结果，以便和其他部件及时进行数据交换。因此，内存能够进行快速的存取操作是计算机拥有快速运算能力的关键。

        从内存储器的使用功能来看，可以分为随机存取存储器和只读存储器。

        ①随机存取存储器（Random Access Memory，简称RAM），又称读写存储器；可以读出数据，也可以写入数据。由于随机存取存储器利用电路的状态表示信息，所以断电后，其内存储的内容会立即消失，即具有易失性。目前，计算机大多采用DRAM（Dynamic RAM，动态随机存储器）作为主存。DRAM的特点是集成度高，成本低，以电荷的形式将数据保存在电容器当中，通过周期性刷新电容器来保持数据。内存条就是利用动态随机存储器制作而成的，如图2-4所示，我们通常说的电脑内存就是指内存条的总容量，常见的内存条容量有2GB、4GB、8GB等。计算机工作时，CPU会频繁地与内存储器进行数据交换，若CPU从RAM中读取数据信息，就暂时进入了等待状态，运行速度大大降低，计算机的性能也会受到影响。因此为节省CPU资源，在CPU与主存之间设置了高速缓存。它采用SRAM（Static RAM）技术，速度与CPU相当，可以实现CPU在零等待状态下快速存取数据；它的工作原理是保存CPU最常用的数据，当CPU需要时可直接在缓存中提取，若缓存中没有CPU需要的数据，那么CPU访问主存获取数据。

图2-4 内存条

        ②只读存储器（Read Only Memory，简称为ROM）利用内部电路的结构表示信息，因此，信息不会因断电而丢失，但它只能读出原有的信息内容，不能再写入新的内容，一般用来存放固定的程序和数据，这些程序和数据一般由计算机制造厂一次性写入并进行固化处理，如计算机基本的输入/输出系统（Basic Input Output System，简称BIOS）就固化在ROM中，如图2-5所示，不会因断电而丢失，系统启动时可被加载到CPU中。BIOS中保存着重要的输入/输出程序、系统自启动程序、系统自举程序以及系统信息的设置等。可擦除可编程ROM（Erasable Programmable ROM，简称EPROM）芯片可以重复写入，解决了ROM芯片只能写入一次的弊端，但EPROM芯片在写入资料后，为防止紫外线照射而使资料受损，必须用不透光的胶布封住。电可擦除可编程ROM（Electrically Erasable Programmable ROM，简称EEPROM）解决了EPROM的不便，可以满足厂家便捷地升级BIOS。

图2-5 BIOS芯片

（2）外存储器

        在计算机系统中，除了上面介绍的内存储器，还有与之对应的外存储器，简称外存。由于它是主存储器的后备，因此也称为辅助存储器。一般情况下，外存储器用来存储一些近期不会使用的数据或文件，因此，对它的存取速度没有过高的要求。外存储器的种类很多，但几乎都采用磁介质或光介质来存储数据，比如硬盘，软盘，磁带，CD等，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息，且价格较内存相比非常低廉。此处简单介绍3种外存储器。

        ①硬盘是由一个或多个磁性圆盘组成的，如图2-6所示，圆盘的两面分别称为0面和1面，各面都会有一个读写磁头，且每个面上都会有磁道，这些磁道呈同心圆状，规格不同，磁道数也不同，一般把磁道划分成对应圆心角相同的弧段，称为扇面，各面上磁道号相同的磁道合称为一个柱面。硬盘工作时，磁头在圆盘上做径向移动，找到相应的磁道。磁头是硬盘中最为昂贵的部件，为避免圆盘与磁头相互磨损，所以在圆盘高速旋转时，磁头是悬浮的并不接触盘面。传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头，而硬盘的读取与写入是两种不同的操作，这种磁头兼顾了读写两者需求的同时也造成了设计上的遗憾。还有一种采用磁阻磁头技术 (Magneto－Resistive Head，简称MR)制作而成的磁阻磁头，不同于传统的磁头，它采用分离式的磁头结构，写入磁头依旧采用传统的电磁感应，而读取磁头采用MR技术进行制作，这样使硬盘的读写性能得以优化。随着科技的发展，存储介质也发生了变化，根据存储使用的介质不同，硬盘可分为固态硬盘、机械硬盘和混合硬盘三类，固态硬盘采用闪存颗粒来存储信息，机械硬盘采用磁性碟片来存储信息，混合硬盘则是把磁性碟片和闪存颗粒集成在一起的一种硬盘。

图2-6 硬盘

        ②光盘是利用激光来完成读取或写入操作的设备，如图2-7所示，根据是否可以写入，光盘可以分为两类，一种是不可擦写光盘，只能写入一次，写入的信息不能擦掉，如CD-ROM、DVD-ROM等；另一种是可擦写光盘，可以多次写入，重复使用，如CD-RW、DVD-RAM等。常见的光盘读取技术有恒定线速度读取方式（Constant Linear Velocity，简称CLV），它保持数据传输率不变，而随时改变旋转光盘的速度；恒定角速度读取方式（Constant Angular Velocity，简称CAV），采用这种方式，光盘上的内沿数据比外沿数据传输速度要低；区域恒定角速度读取方式（Partial CAV，简称PCAV），是融合了CLV和CAV的一种新技术，读取外沿数据时使用CLV技术，读取内沿数据时使用CAV技术，从而提高整体数据传输的速度。

图2-7 光盘

        ③U盘全称为USB闪存盘，如图2-8所示，是一种无需驱动器和外接电源的移动存储设备。通用串行总线（Universal Serial Bus，简称USB）是连接计算机系统与外部设备的一种标准，也是一种输入输出接口的技术规范，目前被广泛地应用于计算机和移动设备等信息通讯产品。USB 3.1是由英特尔等公司发起的最新的USB规范，数据传输速度可达10Gbps，与USB 3.0技术相比，USB3.1技术使用了更高效的数据编码系统，并提供一倍以上的有效数据吞吐率。U盘通过USB接口可与计算机连接，具有即插即用和热插拔功能，即带电插拔，允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出或插入U盘，从而提高系统的扩展性和灵活性。U盘体型小巧便于携带，仅大拇指般大小且重量极轻，但是存储容量并不小且性能可靠，常见的U盘容量有8G、16G、32G、64G等。

图2-8 U盘

4．输入输出设备

        输入输出设备是计算机系统与外界进行信息交换的装置，是非常关键的外部设备也是我们与计算机交互经常接触的设备，此处简单介绍几种输入输出设备。

（1）输入设备

        输入设备是外界向计算机输入数据和信息的设备，是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一，常用的输入设备有键盘、鼠标、触摸屏等。

        ①键盘是我们常见的输入设备之一，由数字键、字母键、符号键、功能键和控制键等组成，如图2-9所示。每个按键都有它的惟一代码，当按下某个按键时，键盘接口会将该键的代码告诉计算机，因此通过这些按键可以向计算机发出命令、输入数据或进行其他操作。如果输入字符的速度过快，主机来不及处理，那么会将输入的代码暂存在缓冲区，等待主机处理。

图2-9 键盘

        ②鼠标是美国科学家道格拉斯·恩格尔巴特发明的，因形似老鼠而取名为鼠标，是一种比较常见的计算机输入设备，主要通过按键和滚轮装置对屏幕上的元素进行操作，如图2-10所示。鼠标的出现使得计算机的操作更加便捷，用户不用再输入繁琐的指令，而只需轻轻一点便可实现相关操作。

图2-10 键盘

5．总线

        总线能为多个部件的通信服务，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口可以与总线连接，这简化了系统结构，使得各部件之间复杂的关系变成了各部件面向总线的单一关系。按照传送的信息种类不同，计算机总线可以分为数据总线、地址总线和控制总线。数据总线用于传送数据信息，它可以在CPU和存储器或输入输出接口等部件之间双向传输数据，常见的数据总线为ISA、EISA、VESA、PCI等；地址总线是专门用来传送地址的，它的位宽决定了CPU可直接寻址的内存空间大小。与数据总线不同，地址总线是单向的，只能从CPU传向外部存储器或输入输出端口；控制总线用来传送控制信号，信号的传送方向由具体的控制信号决定，可以由CPU传向其他部件，也可由其他部件传向CPU。

        总线常用的性能指标有总线的带宽、总线的位宽和总线的工作频率。总线的带宽是指单位时间内可以传输的数据量，即每秒传送多少字节的最大稳态数据传输率；总线的位宽是指总线上可同时传输的二进制数据位数；总线的工作频率是指单位时间内总线上传输了多少次数据，它以MHz为单位。总线的带宽、位宽、工作频率关系密切，我们可以把总线比作高速公路，那么总线的带宽、位宽和工作频率就是高速公路的车流量、车道数和车辆行驶速度，当车道数越多、车辆行驶速度越快，那么单位时间内的车流量就越大，同样，总线的位宽越宽、工作频率越高，总线的带宽就越大。

2.3.2计算机软件系统

        计算机的软件系统是指计算机运行的各种程序、数据等，它拥有友好的界面并且可以满足用户的各种需求。计算机软件系统通常被分为系统软件和应用软件两大类。

1．系统软件

        系统软件一般是在购买计算机时携带的，也可以另行安装，它是担负控制计算机运行、协调计算机与外部设备工作、支持应用软件开发等的一类软件。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序、数据库管理系统和常用服务程序等。

（1）操作系统

        操作系统（operating system，简称OS）是管理计算机软硬件的计算机程序，它是裸机上最基本的系统软件，计算机上所有软件的运行都需要操作系统的支持。计算机能够有条不紊的完成各种指令、操作，与操作系统协调、管理计算机软硬件密切相关。操作系统的分类没有单一的标准，按照其工作方式可以分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等；按照其运行的环境，可以分为桌面操作系统，嵌入式操作系统等。常见的计算机操作系统有WINDOWS、UNIX、OS/2等。操作系统大致包括处理机管理、内存管理、设备管理和文件管理等4项功能，处理器管理主要负责处理器的调度、分派和回收等工作，处理器的资源有限，当计算机并发执行多个程序时，处理器就要调度这些程序有序的使用处理器资源；内存管理主要负责内存的分配和回收等工作；设备管理主要负责分配、读写外围设备等工作，各种外围设备之间存在较大的差异，设备管理则尽可能的为用户或程序提供一致的设备控制方式；文件管理是对系统中的文件进行存储、保护、访问等操作。

（2）语言处理程序

        计算机只能直接识别和执行机器语言，因此需要为计算机配备语言翻译程序。语言处理程序一般包括汇编程序、编译程序、解释程序等。汇编程序的输入和输出分别是用汇编语言书写的源程序和用机器语言表示的目标程序，汇编语言是一种面向机器的语言，且汇编出的程序占用内存较少；编译程序也称为编译器，可以把高级程序设计语言书写的源程序翻译成等价的机器语言格式的目标程序；解释程序在语义分析等方面与编译程序基本相同，但运行程序时，它直接执行源程序，不产生目标程序。

（3）数据库管理系统

        数据库管理系统（Data Base Management System，简称DBMS）是一种管理和操纵数据库的大型软件，具有建立、使用和维护数据库的功能，它可以同时满足多个应用程序或用户的需求，如用不同的方法建立，修改和询问数据库等。依据数据模型的不同，数据库管理系统可以分为层次型、网状型和关系型三种类型。常用的数据库管理系统有SQL Server、Oracle、Access、DB2等。

（4）常用服务程序

        常用服务程序是指方便用户对计算机管理和使用的工具性程序，常用的服务程序有：卸载程序、测试诊断程序、编辑程序、文件压缩程序等。

2．应用软件

        应用软件是为满足不同领域的用户、解决不同问题而提供的软件，它涉及的领域、内容比较广泛。常用的应用软件有：字处理软件、电子表格软件、计算机辅助设计软件、图形图像处理软件、网站制作软件和网络通信软件。字处理软件用来编辑各类文本，如Word、WPS等；电子表格软件具有统计表格、绘制图表等功能，如Excel、Multiplan等；计算机辅助设计软件用于建立图形、输出图形、对图形进行各种处理等，如AutoCAD、3DSMAX等；图形图像处理软件被广泛应用于广告制作、平面设计、影视后期制作等领域，如Photoshop、美图秀秀等；网站制作软件用于制作Web页面的工具软件，如FrontPage、Dreamweaver等;网络通信软件用于用户间的交流沟通、传输文件等，如微信、QQ、FoxMail等。

2.3.3计算机系统的发展趋势

        随着科技的快速发展，计算机的性能越来越优越，应用领域也越来越广泛，更新升级的速度更是迅猛，目前，计算机正朝着巨型化、微型化、网络化、智能化的方向发展。

1．巨型化

        巨型化是指速度迅猛、存储量更大和功能超强的巨型计算机。主要应用于天文、气象、地质、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域。巨型计算机对国家安全，经济和社会发展具有十分重要的意义，它的技术水平是衡量一个国家科技发展水平以及综合国力的重要标志。

2．微型化

        微型化是计算机发展的重要方向，近十年来，微型计算机的发展可谓是日新月异。微型化是指利用微电子技术和超大规模集成电路技术进一步提高集成度，把计算机的体积进一步缩小，质量进一步提升，价格进一步降低。各种笔记本电脑的面世，可以看作是计算机微型化的一个标志。

3．网络化

        从单机走向网络可以说是计算机发展的必然结果，网络化就是把相互独立的计算机用通信线路连接在一起，进一步扩大计算机的使用范围，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源等全面共享，使得计算机的宝贵资源可以被充分利用，同时为用户提供灵活、智能、可靠、方便的服务。

4．智能化

        智能化是指计算机可以模拟人的感觉和思维过程，具有解决问题和逻辑推理的能力，人类可以用文字、声音、图像等与计算机进行自然对话。智能化的研究包括物形分析、自然语言的生成和理解、博弈、自动程序设计、专家系统、学习系统等，可以更多的代替人类进行脑力活动。智能化使计算机突破了 “计算”的原始含意，改变了人们的生活、学习、工作的方式，未来计算机的智能化程度一定会不断提高。