电脑系统构成原理,简述电脑的系统组成

2024-05-17 20:23:10

电脑系统构成原理,简述电脑的系统组成

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。微型计算机系统的组成如图2-1所示。硬件（Hardware）是指计算机的各种看得见、摸得着的电子设备，是计算机系统的物质基础。而软件（Software）是指程序和数据系统，它介于用户和硬件系统之间，虽然人们看不见、摸不着，但却能够感到它的存在。硬件是软件建立和依托的基础，软件是计算机系统的灵魂。

图2-1 微型计算机系统的组成

一、计算机硬件系统

计算机硬件系统是由运算器、控制器、内部存储器、输入设备和输出设备5个基本功能部件以及接口、辅助设备等组成。

1.中央处理器（CPU）

CPU（Central Processing Unit）意为中央处理单元，又称中央处理器，由控制器（控制单元），运算器（逻辑单元）和寄存器（存储单元）三大部分组成。微型计算机通常把三者集成在一块大规模集成电路芯片上，又称为微处理器。从内部结构分析，CPU又可分为整数运算单元，浮点运算单元，mmX单元，L1 Cache单元和寄存器等。运算器的功能是执行算术运算和逻辑运算；控制器的功能是控制计算机各功能部件协调工作，主要是控制输入和输出设备与存储器之间的数据传输和处理。寄存器用于临时存储参加运算的各种数据信息，包括数据信息、地址信息和控制信息等。

CPU从雏形出现发展到今天，由于制造技术越来越先进，使它的结构越来越复杂，主频越来越高，集成度越来越强。PentiumⅡ集成了750万个晶体管，有二级高速缓存，主频达450MHz。P4集成的晶体管数则高达2000万个，主频则达到2GHz以上。CPU是计算机的核心设备，就微机而言，CPU的性能可大致反映出用它配置的机器的性能。

2.存储器

存储器分为内存储器和外存储器两类。

（1）内存储器内存储器简称内存或主存，计算机只有把要执行的程序和数据存入内存中才能执行。内存一般由半导体存储器构成。半导体存储器可分为三大类：随机存储器RAM、只读存储器ROM和特殊存储器。

RAM既可读、又可写，断电后存储的内容立即消失。RAM又可分为动态（DRAM）和静态（SRAM）两大类。一般的台式计算机采用DRAM作为内存储器，但它的读写速度较慢。SRAM的读写速度比DRAM快得多，但其体积大，价格也较高。

ROM只能从中读取原有数据信息，原来存储的内容是由生产厂家一次性写入的，用户不能再写入新内容，断电后存储的内容不会消失，如计算机中的BIOS。ROM可分为可编程（Programmable）ROM、可擦除可编程（Erasable Programmable）ROM、电擦除可编程（Electrically Erasable Programmable）ROM。如，EPROM存储的内容可以通过紫外光照射来擦除，这使它的内容可以反复更改。

Cache即高速缓存，是一种特殊内存，集成在CPU的内部或主板上，用于暂时保存CPU运行过程中的数据信息。由于缓存指令和数据与CPU同频工作，可减少CPU与内存之间的数据交换次数，提高CPU的运算效率。

（2）外存储器外存储器又叫辅助存储器，简称外存或辅存，如软盘、硬盘、光盘、U盘等都属于外存。外存一般可作为输入/输出设备。

①软盘存储器（Floppy Diskette）和软盘驱动器（Floppy Diskette Driver，记为FDD）。软盘是表面涂有磁性材料可存储数据信息的软塑料圆盘片，放在一个塑料保护套中以便于保存、携带。软盘驱动器简称软驱，是用来驱动软盘转动并同时对软盘进行读写的设备，实际是输入输出设备，读写数据的速度比硬盘要慢得多。

软盘按盘片直径划分为5.25英寸和3.5英寸两种规格，目前5.25英寸盘已被淘汰。软盘的容量有3种：720MB、1.44MB和2.88MB，最常用的是容量为1.44MB的双面高密度软盘。

②硬盘存储器。硬盘（Hard Diskette，记为HD）和硬盘驱动器（Hard Diskette Driver，记为HDD），是微机的重要外部存储设备，可以存储大批量信息。它是一种密封式的装置，即将磁头、盘片和驱动部件以及读写电路制成一个密封的整体，简称硬盘。硬盘具有容量大、读写速度快、稳定性强、使用寿命长等优点。

硬盘有5.25英寸、3.5英寸和2.5英寸等几种规格。现在微机中所用的硬盘容量一般都在40G以上。目前，移动硬盘也较流行。

③光盘存储器（Compact Disk）。多媒体信息被数字化后形成了五种类型的数据：文本（Text）、图形（Graphics）、图像（Images）、声音（Audio）、视频（Video），保存这些数据需要大量的存储空间，软盘和硬盘很难胜任。光盘不仅可以实现高密度数据存贮而且具有携带方便、存贮容量大、保存时间长、工作稳定性好、价格低廉等优点。如一张普通的12cm的CD-ROM光盘容量可达700MB，保存时间可长达100年，DVD光盘要比CD-ROM光盘的存储量还要大得多。因此，光盘是目前最常用也是最理想的外部存贮设备之一。

光盘存储器的类型有CD-ROM（只读）、CD-R（可录入）、CD-RW（可擦写）、DVD-ROM（DVD只读）等。

光盘必须通过光盘驱动器来读出信息，数据的传输率是衡量光盘驱动器的一个重要技术指标，目前，光盘驱动器的数据传输率已超过50倍速（倍速的基准传输率为150KB/S），数据传输率高达7500KB/S。光盘也是多媒体计算机的必备外设。

④U盘（Only Disk）。U盘是基于USB接口的新一代移动存储器，它融合了通用串行总线（USB）、快闪内存（Flash Memory）等高新技术，可存储16MB～2000MB数据信息。U盘无需驱动器，能即插即用，存储方便快捷，存储容量大，体积小，便于携带，并具有抗震性、防潮、防磁、耐高低温等特性。受到了广大计算机用户的青睐。目前不少微型机不再配置软驱，除了靠光盘、移动硬盘以及网络与外界交换数据外，使用U盘也是一个不错的选择。

3.输入设备

输入设备是外界向计算机传入信息的装置。目前计算机中常用的输入设备有键盘和鼠标。除此之外，还有语音输入、手写输入、条形码输入、触摸屏和扫描仪、摄像头、数码相机、数码摄像机等设备。

4.输出设备

输出设备是计算机向外界传出信息的装置。目前计算机中常用的输出设备有显示器、打印机、绘图机等。

随着多媒体技术和网络技术的发展，数码相机、数码摄像机等新的输入、输出设备也得到越来越广泛的应用。

5.其他辅助设备

计算机中除了显示卡外，还有声卡、调制解调器、网卡等必要的接口设备。它们的主要功能是负责不同数据信息形式的转换和信息流量缓冲。

二、计算机软件系统

软件是支持计算机运行的各种程序，以及开发、使用和维护这些程序的各种技术资料的总称。没有软件的计算机系统称为“裸机”。软件是计算机硬件与用户之间的桥梁。软件按其功能分为系统软件与应用软件两大类。

1.系统软件

系统软件包括操作系统和辅助系统软件，主要功能是简化计算机操作，充分发挥硬件性能，支持应用软件的运行并提供服务，具备通用性，基础性等基本特征。

（1）操作系统操作系统可以看成硬件的第一级扩充，是软件中最基础的部分，用于支持其他软件的开发和运行。操作系统由一系列具有控制和管理功能的模块组成，实现对计算机全部软、硬件资源的控制和管理，使计算机能够自动、协调、高效地工作。任何用户都是通过操作系统使用计算机的。

（2）辅助系统软件辅助系统软件又称为工具软件。包括语言处理系统、数据库管理系统、调试与诊断服务程序等。

①语言处理程序。语言处理系统在层次上介于操作系统与应用软件之间，其功能是把用高级语言编写的应用程序编译（或解释）成计算机能直接执行的等价的机器语言程序。计算机程序设计语言一般分为三类，由低到高分别是：机器语言、汇编语言和高级语言。

a.机器语言。机器语言是面向机器，直接用二进制代码指令表达的计算机编程语言。用这种语言编制的程序可以被机器直接理解和执行，代码精炼、运行速度快。但指令代码难以记忆、程序不易修改，难于交流，一般编程人员很难掌握。由于计算机只能识别二进制代码表示的机器语言程序，所以任何高级语言源程序最后都必须编译成二进制代码程序才能在计算机上运行。

b.汇编语言。汇编语言（Assembly Language）是对机器语言的符号化，用英文助记符来表示机器语言中各对应的二进制操作指令，因此仍然是面向机器的。用汇编语言编写的源程序还是不能被机器直接执行，必须经过叫做汇编程序的系统软件翻译成机器语言目标程序，再经过地址链接生成机器语言程序才能执行，这个翻译过程称为汇编。与机器语言相比，汇编语言在编写、修改、阅读等方面都有较大的改进，但掌握起来仍比较困难。

c.高级语言。为了方便编写程序，人们就约定了一些类似人类自然语言的符号语言，称为高级程序设计语言，用它编写的程序称为“高级语言源程序”。高级语言源程序不能为计算机直接理解和执行，必须翻译转换为机器能直接执行的二进制代码的程序。翻译有两种方式：一是编译，即将整段的源程序一次翻译成等价的机器语言目标程序，然后链接运行；二是解释，它不产生完整的目标程序，而是对程序语句边翻译边执行。

常用的高级程序设计语言有：

BASIC语言：易学易用，适于初学。

FORTRAN语言：是最早出现的高级程序设计语言之一，主要适用于数值计算。

PASCAL语言：是一种紧凑式的结构化语言，适于数值计算和教学使用。

COBOL语言：是一种适于开发商业应用程序的高级语言。

C语言：是一种数据类型丰富、语句精练、灵活、效率高、表达能力强、可移植性好的高级语言，适于编写系统软件。

JAVA语言：是一种跨平台分布式程序设计语言，适于网络应用程序的开发。

②数据库管理系统。数据库管理系统是管理和操纵数据库的软件。它具有两个方面的作用：一是维护数据库中的数据，以保证数据库中的数据的完整性、正确性和安全性；二是为用户服务，使用户能方便地建立、更新和使用数据库。目前广泛使用的数据库管理系统有FoxPro、INFOXMAX、SQL.Server、SyBASE等。

③诊断程序。诊断服务程序是专门用于计算机硬件性能测试，对机器实施监控、调试，对系统故障诊断维护，以及软件开发和维护工作的一些工具软件，也称为支撑软件。常用的诊断程序有QAPLUS、WINBENCH、MSD等。

2.应用软件

应用软件是处于软件系统的最外层，直接面向用户，为用户服务的软件，是为解决各类应用问题而编写的程序。应用软件主要包括以下几种类型：

（1）特定用户程序（Specialized Program）为特定用户解决某一具体问题而设计的程序，一般规模都比较小。

（2）应用软件包（Software Package）为实现某种大型功能，面向同类应用的大量用户精心设计的结构严密的独立系统，例如：财务管理软件、统计软件、汉字处理软件等。

（3）套装软件（Group Software）这类软件的各内部程序可在运行中相互切换、共享数据，从而达到操作连贯、功能互补的作用。例如微软的Office套装办公软件，WPS套装办公软件，它们都包含了Word（文字处理）、Excel（表格处理）、Access（数据库）、Power Point（图形演示）、Msmail（电子邮件）。

应用软件范围广，种类多。除上述列举的以外，还有用于动画制作的Flash；用于多媒体创作的Authorware、Director和用于网页制作的FrontPage、Dreamweaver等。

计算机软件与硬件之间，计算机系统软件与应用软件之间存在一种层次关系。所谓层次关系是指处在内层的软件要向外层软件提供服务，处在外层的软件必须在内层软件支持下才能运行。

三、计算机的主要技术指标

一台计算机性能的好坏主要涉及机器的体系结构、软硬件配置、指令系统等多种因素，主要有以下几项技术指标：

1.运算速度

运算速度是计算机的主要性能指标之一，决定运算速度的因素很多，包括CPU的主频，存储器的工作频率，总线的工作频率以及主要外部接口电路的性能等，其中最关键的是CPU的主频，简称主频。

主频是CPU内部的时钟频率，也就是CPU进行运算时的工作频率。一般来说，主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，计算机的运算速度也就越快。指令的种类很多，占用时钟周期大不相同，通过概率统计，加法指令的占用时钟周期与机器的平均指令周期很相近，因此，人们也就常把单位时间执行加法指令的条数作为计算机的运算速度。单位有MIPS（每秒百万条指令）、MFLOPS（每秒百万条浮点指令）。

2.主存容量

主存容量是指计算机内存的容量，即内部储存器能够存储信息的字节数。基于冯·诺依曼存储程序的原理，计算机在信息交换的过程中，外部数据、信息只有通过内存才能与CPU进行通信，一切需要运行的程序，只有放入内存才可以执行，一切需要处理的数据，只有放入内存才可以使用。因此，内存容量的大小，很大程度上决定了计算机的性能。目前微机的内存容量一般在128 M～1 G之间。

3.字长

字长是计算机硬件指标的信息单位。字长一般是指在计算机内部作为一个独立数据存在的最大的二进制数位。字长取决于计算机的类型，是由计算机的硬件和功能设计决定的，是不可改变的。一般说来，字长越大，所能表示的二进制数位越长，可以表示的数据范围就越大，计算机的精度就越高。根据字长来定义微机，有8位机、16位机、32位机和64位机等，目前大多为32位机和64位机。

除了上述几项主要技术指标以外，如Cache存储性能，系统总线的传输速率，计算机的可靠性、可维护性，故障诊断能力，容错能力等也是计算机的技术指标。

1、硬件

硬件系统主要由中央处理器、存储器、输入输出控制系统和各种外部设备组成。中央处理器是对信息进行高速运算处理的主要部件，其处理速度可达每秒几亿次以上操作。

存储器用于存储程序、数据和文件，常由快速的内存储器（容量可达数百兆字节，甚至数G字节）和慢速海量外存储器（容量可达数十G或数百G以上）组成。各种输入输出外部设备是人机间的信息转换器，由输入-输出控制系统管理外部设备与主存储器(中央处理器)之间的信息交换。

2、软件

软件分为系统软件、支撑软件和应用软件。系统软件由操作系统、实用程序、编译程序等组成。操作系统实施对各种软硬件资源的管理控制。实用程序是为方便用户所设，如文本编辑等。编译程序的功能是把用户用汇编语言或某种高级语言所编写的程序，翻译成机器可执行的机器语言程序。

支撑软件有接口软件、工具软件、环境数据库等，它能支持用机的环境，提供软件研制工具。支撑软件也可认为是系统软件的一部分。应用软件是用户按其需要自行编写的专用程序，它借助系统软件和支援软件来运行，是软件系统的最外层。

扩展资料：

计算机系统的特点是能进行精确、快速的计算和判断，而且通用性好，使用容易，还能联成网络。

①计算：一切复杂的计算，几乎都可用计算机通过算术运算和逻辑运算来实现。

②判断：计算机有判别不同情况、选择作不同处理的能力，故可用于管理、控制、对抗、决策、推理等领域。

③存储：计算机能存储巨量信息。