1.2 计算机系统的组成

计算机系统由硬件和软件组成。打开微型计算机的电源后系统自动开始启动，系统软件对计算机硬件进行引导，并由它负责启动计算机，对计算机进行管理和控制。系统启动成功后，为用户提供一个比较友好的操作界面。这时，用户就可以利用计算机的输入、输出设备来对计算机进行相关操作了。

知识点

● 计算机的硬件组成

● 计算机的软件系统

● 计算机外部设备

1.2.1 计算机的硬件组成

完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的。硬件是指计算机的电子部件、机械部件、各种连接线路及外部设备等，是看得见、摸得着的物理装置，如主机、显示器、键盘及打印机等。

知识要点

1．微型计算机的主机结构

计算机的硬件是指计算机的电子部件，如主机、显示器、键盘及打印机等。显示器、键盘和打印机属于外部设备，比较容易直观地看个清楚。但是，主机就相对复杂些。

松开主机箱后面的螺钉，拿开机箱盖，就可以看到如图1-4所示的主机内部结构示意图。

可以看出，机箱内的所有部件都是通过主板连接在一起的。主板上还提供许多扩展插槽，用来插入其他板卡。电源负责将市电转变成直流电后向主板、光驱、硬盘、CPU风扇及软盘驱动器等提供电能。CPU在CPU风扇下面，各种支架及主板后面的背板主要起支撑作用，用来固定机箱内的主要部件。主机内部结构图如图1-5所示。

2．主机主要部件

微型计算机主机的主要部件有：主板、硬盘、中央处理器、光盘驱动器、显示卡、内存条、电源和网卡等。下面对其中几个主要部件进行介绍。

（1）主板

主板又称为系统板或母板，是微型计算机主机中的核心部件。

主板是固定在主机箱箱体上的一块电路板，主板上装有大量的有源电子元件。其中主要组件有：CMOS、基本输入输出系统（basic input and output system, BIOS）、高速缓冲存储器（Cache）、内存插槽、CPU插槽、键盘接口、软盘驱动器接口、硬盘驱动器接口、总线扩展插槽（提供ISA、PCI等扩展槽）、串行接口（COM1、COM2）、并行接口（打印机接口LPT1）。因此，主板是计算机各种部件相互连接的纽带和桥梁。

计算机的质量与主板的设计和工艺有极大的关系。所以，从计算机诞生开始，各厂家和用户都十分重视主板的体系结构和工艺水平。了解主板的特性及使用情况，对购机、装机、用机都是极有价值的。如图1-6所示的是一款集成了显示卡、声卡和网卡功能的主板。可以看出，主板上集成了各种电子元器件、接口及扩展槽等。

芯片组提供了主板上的核心逻辑，主板所使用芯片组的类型直接影响主板甚至整机的性能。所以芯片是选购主板时需要考虑的一项重要因素。主板上的扩展插槽是计算机总线结构的物理表现，是主机通过总线与外部设备连接的重要通道。扩展槽的设置反映了微机的系统扩展能力。微机的主板结构充分显示了微型计算机的总线结构模式，如图1-7所示。

主板上的CUP插座和CPU的引脚封装结构一定要配套，否则无法使用。板上的其他芯片、芯片组及电子元器件起到了控制作用、驱动作用、图形加速及数据缓冲作用。现在，有许多主板上已集成了声音处理功能、显示卡和网卡的功能，使主板的功能不断增强。

（2）CPU

CPU的英文全称是Central Processing Unit，翻译成中文就是中央处理器。它是计算机的核心部件，计算机的运转是在它的指挥控制下实现的，所有的算术和逻辑运算都是由它完成的，因此，CPU是决定计算机速度、处理能力、档次的关键部件。它对计算机的性能起到直接的影响，是说明计算机档次高低的重要标志。CPU是一块超大规模的集成电路，如图1-8所示的是各种CPU芯片的外形图。

CPU内部包含着几十万、几百万甚至几千万只晶体管。它的主要功能是执行程序指令、完成各种运算和系统控制。

按功能来分，通常又将CPU分为运算器、控制器和寄存器组等，有些还包含了高速缓冲存储器。寄存器组是CPU的重要部件，包括通用寄存器组和专用寄存器组。通用寄存器组用于CPU内部的高速数据暂存；专用寄存器组是为CPU能进行某种特殊操作而设置的寄存器，如指令地址的程序计数器等。

（3）内存储器

存储器分为内存储器和外存储器，通常简称为内存和外存。内存是计算机的主要工作存储器，一般计算机在工作时，所执行的指令及处理的数据，均从内存取出。内存的速度快，但容量有限，主要用来存放计算机正在使用的程序和数据。外存具有存储容量大、存取速度比内存低的特点，所以它用于存放备用的程序和数据等。外存中存放的程序或数据必须调入内存后，才能被计算机执行和处理。常用的外存有磁盘机、磁带机、光盘机等。

内存是计算机用于直接存取程序和数据的地方，因此计算机在执行程序前必须将这些程序装入内存中。从存储器取出信息称为读出；将信息存入存储器称为写入。存储器读出信息后，原内容保持不变；向存储器写入信息，则原内容被新内容所代替。由于内存是由半导体器件构成的，没有机械装置，所以内存的速度远远高于外存。内存又分如下两种。

● 只读存储器ROM（read only memory）。只能读而不能写入信息，它一般用来存储固定的系统软件和字库等内容，只能被调用，而不能被重写或修改，也不会因断电而消失。

● 随机存取存储器RAM（random access memory）。可以进行任意的读或写操作，它主要用来存放操作系统、各种应用软件、输入数据、输出数据、中间计算结果以及与外存交换的信息等。由于RAM由半导体器件组成，一旦断电，信息就会丢失，所以不能永久保留。

内存容量是反映计算机性能的一个很重要的指标，目前常用的有64MB、128MB、256MB等，有的可达4GB。

主存储器存取速度比中央处理器操作速度慢得多，使中央处理器的高速处理能力不能充分发挥，整个计算机系统的工作效率也因此受到影响，采用高速缓冲存储器是常用的解决方法之一。高速缓冲存储器的容量一般只有主存储器的几百分之一，但它的存取速度能与中央处理器相匹配。

在计算机内采用高速缓冲存储器技术已相当普遍。有的计算机还采用多个高速缓冲存储器，如系统高速缓冲存储器、指令高速缓冲存储器和地址变换高速缓冲存储器等，以提高系统性能。随着主存储器容量的不断增大，高速缓冲存储器的容量也越来越大。目前，PC系统的发展趋势之一是CPU主频越做越高，系统架构越做越先进，然而主存DRAM的结构和存取时间改进速度较慢。因此，缓冲存储器技术更加重要，而且在PC系统中缓冲存储器越做越大。现在人们已经把缓冲存储器作为评价和选购PC系统的一个重要标准了。

3．计算机是怎样工作的

现在看看计算机是怎样工作的，硬件和软件究竟是什么关系。

（1）计算机原理概述

计算机的工作原理与控制电视、VCD机等电子设备差不多，用户给它发一些指令，它就会按用户的意思执行某种动作。不过，这些指令并不是直接发给要控制的硬件，而是先通过计算机的输入设备（如键盘、鼠标）进行指令输入，然后再由CPU来处理这些指令，最后才由输出设备输出所需要的结果。

现在我们用一道简单的算术题来看一下人们完成它的方式和过程。

题目很简单：9+6÷3=？

首先，用笔将这道题目记录在纸上，记在大脑中，再经过脑神经元的思考，结合以前掌握的知识，决定用四则运算法则和九九乘法口诀来处理。先用脑算出6÷3=2这一中间结果，并记录于某个地方（或草稿纸上），然后再用脑算出9+2=11这一最终结果，再记录到纸上，最后告诉人们计算结果。

通过做这个简单的运算题可以发现，首先通过眼、耳等感觉器官将捕捉的信息送入到大脑中并存储起来，然后对这一信息再进行加工处理，最后再由大脑控制手或者嘴把最终结果以某种方式表达出来。

计算机就是模仿人们完成上述任务的过程进行工作的，这也是“电脑”名称的由来。人们将计算机按功能划分为输入设备、存储器、运算器、控制器和输出设备5个主要部件。自从冯·诺伊曼提出程序存储思想以来，计算机的结构一直采用程序存储思想的结构模式，如图1-10所示，这实际上就是计算机的工作原理图。其中，中央处理器就包括了运算器和控制器。

微型计算机设计的主要特点体现为采用微处理器及总线结构。总线是微型计算机中各硬件之间传递信息的公共通道，是连接各硬件模块的纽带，微型计算机的各组成部件是通过系统总线相互连接而成的。在微型计算机中，总线分为内部总线和外部总线。内部总线指的是CPU内部的寄存器之间和算术逻辑部件与控制部件之间传输数据的通路；外部总线指的是CPU和内存、输入、输出设备之间进行通信的通路。我们通常所说的总线一般指的是外部总线。外部总线又分为3种，分别是数据总线、地址总线和控制总线。

（2）硬件与软件

计算机是由硬件和软件两大部分构成的。硬件是指构成计算机系统的物理实体和物理装置。计算机的硬件一般包括输入/输出设备、存储器、运算器和控制器。软件就是那些为了运行、管理和维护计算机而人工编制的各种程序的集合，它就好比人们解决具体问题的方法和智慧。

计算机的硬件和软件是相辅相成的，它们共同构成完整的计算机系统，缺一不可。没有软件的计算机等于一堆废铜烂铁，无法发挥功效；同样，没有硬件，软件也就如无源之水，无立足之地。只有它们相互配合，计算机才能正常运行。

拓展练习

（1）打开主机机箱，看看主机都有哪些主要部件？

（2）打开计算机电源，让计算机启动，注意它启动的过程，看能记录下哪些东西？

1.2.2 计算机的软件系统

计算机的软件系统是指在计算机上运行的各种程序、数据及相关的文档资料。计算机软件系统通常被分为系统软件和应用软件两大类，如图1-11所示。

知识要点

1．系统软件

系统软件由一组控制计算机系统并管理其资源的程序组成，其主要功能包括：启动计算机，存储、加载和执行应用程序，对文件进行排序、检索，将程序语言翻译成机器语言等。实际上，系统软件可以看成用户与计算机的接口，它为应用软件和用户提供了控制、访问硬件的手段，这些功能主要由操作系统完成。此外，编译系统和各种工具软件也属此类，它们从另一方面辅助用户使用计算机。下面分别介绍它们的功能。

（1）操作系统（Operating System, OS）

操作系统是管理、控制和监督计算机软、硬件资源协调运行的程序系统，由一系列具有不同控制和管理功能的程序组成，它是直接运行在计算机硬件上的、最基本的系统软件，是系统软件的核心。操作系统是计算机发展中的产物，它的主要目的有两个：一是方便用户使用计算机，是用户和计算机的接口。比如用户输入一条简单的命令就能自动完成复杂的功能，这就是操作系统帮助的结果；二是统一管理计算机系统的全部资源，合理组织计算机工作流程，以便充分、合理地发挥计算机的效率。操作系统通常应包括下列5大功能模块。

● 处理器管理：当多个程序同时运行时，解决处理器（CPU）时间的分配问题。

● 作业管理：完成某个独立任务的程序及其所需的数据组成一个作业。作业管理的任务主要是为用户提供一个使用计算机的界面使其方便地运行自己的作业，并对所有进入系统的作业进行调度和控制，尽可能高效地利用整个系统的资源。

● 存储器管理：为各个程序及其使用的数据分配存储空间，并保证它们互不干扰。

● 设备管理：根据用户提出使用设备的请求进行设备分配，同时还能随时接收设备的请求（称为中断），如要求输入信息。

● 文件管理：主要负责文件的存储、检索、共享和保护，为用户提供文件操作的方便。

操作系统的种类繁多，按其功能和特性分为批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统等；按同时管理用户数的多少分为单用户操作系统和多用户操作系统；另外，还有适合管理计算机网络环境的网络操作系统。目前，微机上常见的操作系统有DOS、OS/2、Linux、UNIX和Windows等。

（2）语言处理系统（翻译程序）

如前所述，机器语言是计算机唯一能直接识别和执行的程序语言。如果要在计算机上运行高级语言程序就必须配备程序语言翻译程序（下简称翻译程序）。翻译程序本身是一组程序，不同的高级语言都有相应的翻译程序。

对于高级语言来说，翻译的方法有如下两种。

第一种称为“解释”。早期的BASIC源程序的执行都采用这种方式。它调用机器配备的BASIC“解释程序”，在运行BASIC源程序时，逐条把BASIC的源程序语句进行解释和执行，它不保留目标程序代码，即不产生可执行文件。这种方式速度较慢，每次运行都要经过“解释”，边解释边执行。

第二种称为“编译”，它调用相应语言的编译程序，把源程序变成目标程序（以．OBJ为扩展名），然后再用连接程序，把目标程序与库文件相连接形成可执行文件。尽管编译的过程复杂一些，但它形成的可执行文件（以．exe为扩展名）可以反复执行，速度较快。运行程序时只要输入可执行程序的文件名，再按【Enter】键即可。

对源程序进行解释和编译任务的程序，分别叫做编译程序和解释程序。如FORTRAN、COBOL、PASCAL和C语言等高级语言，使用时需有相应的编译程序；BASIC、LISP等高级语言，使用时需用相应的解释程序。

（3）服务程序

服务程序能够提供一些常用的服务性功能，它们为用户开发程序和使用计算机提供了方便，像微机上经常使用的诊断程序、调试程序、编辑程序均属此类。

（4）数据库管理系统

在信息社会里，社会和生产活动产生的信息很多，使人工管理难以应付，人们希望借助计算机对信息进行搜集、存储、处理和使用。数据库系统（Data Base System, DBS）就是在这种需求背景下产生和发展的。

数据库是指按照一定联系存储的数据集合，可为多种应用共享。数据库管理系统（Data Base Management System, DBMS）则是能够对数据库进行加工、管理的系统软件。其主要功能是建立、消除、维护数据库及对库中数据进行各种操作。数据库系统主要由数据库（DB）、数据库管理系统（DBMS）以及相应的应用程序组成。数据库系统不但能够存放大量的数据，更重要的是能迅速、自动地对数据进行检索、修改、统计、排序、合并等操作，以得到所需的信息。这一点是传统的文件柜无法做到的。

数据库技术是计算机技术中发展最快、应用最广的一个分支。可以说，在今后的计算机应用开发中大都离不开数据库。因此，了解数据库技术尤其是微机环境下的数据库应用是非常必要的。

2．应用软件

为解决各类实际问题而设计的程序系统称为应用软件。从其服务对象的角度，又可分为通用软件和专用软件两类。

（1）通用软件

这类软件通常是为解决某一类问题而设计的，而这类问题是很多人都要遇到和解决的。例如，文字处理、表格处理、电子演示等。

（2）专用软件

在市场上可以买到通用软件，但有些具有特殊功能和需求的软件是无法买到的。比如，某个用户希望有一个程序能自动控制车床，同时也能将各种事务性工作集成起来统一管理。因为它对于一般用户是太特殊了，所以只能组织人力开发。当然开发出来的这种软件也只能专用于这种情况。

3．计算机系统的组成

一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成的，其中硬件由主机和外部设备组成，软件可分为系统软件和应用软件两大类，如图1-12所示。

在使用和选购计算机时，不仅要注意硬件与软件的合理选购和协调问题，还要注意计算机的信息安全和使用规范，保护知识产权。