计算机基础知识——微机系统
计算机基础知识——微机系统
计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成，这两者相辅相成，缺一不可。硬件是计算机的"躯体"，软件是计算机的"灵魂"。本文将详细介绍计算机硬件系统和软件系统的构成及其功能。
一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。这两大部分相辅相成，缺一不可，如果没有硬件，软件就无法存储和运行也就失去了存在的意义。如果没有软件，硬件就是没有灵魂的"裸机"，不会做任何工作。硬件是计算机的"躯体"，软件是计算机的"灵魂"。
一、计算机硬件系统
计算机的硬件（Hardware）是指组成计算机的看得见、摸得着的实际物理设备。包括计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种部件和设备。这些部件和设备按照计算机系统结构要求构成一个有机整体，称为计算机硬件系统。硬件系统是计算机实现各种功能的物理基础。计算机进行信息交换处理和存储等操作都是在软件的控制下，通过硬件实现的。没有硬件，软件就失去了发挥其作用的舞台。计算机硬件系统分为主机和外部设备两大部分，计算机的硬件系统通常由五大件组成，运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
1.主机
从功能上讲，主机主要包括中央处理器和内存储器。中央处理器是微机的大脑，由运算器和控制器组成。他一方面负责各种信息的处理工作，另一方面也负责指挥整个系统的运行。因此中央处理器性能的好坏从根本上决定微机系统的性能。
运算器。运算器是完成各种算术运算和逻辑运算的装置。它主要由算术逻辑单元（Arithmetic-Logic Unit，ALU）和一组寄存器组成。ALU 是运算器的核心，它在控制信号的作用下可以进行加、减、乘、除等算术运算和各种逻辑运算。寄存器用来存储ALU 运算中所需的操作数及其运算结果。
控制器。控制器是计算机指挥和控制其他各部分工作的中心。其工作过程类似于人的大脑指挥和控制人的各器官，可以控制计算机的各部件，能有条不紊地协调工作。控制器是计算机的指挥中心，负责决定执行程序的顺序，给出执行指令时机器各部件需要的操作控制命令，由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、持续产生器和操作控制器组成。它是发布命令的"决策机构"。即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。
控制器的主要功能如下：
①从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。
②对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号。以便启动规定的动作。
③指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流通流动的方向。
控制器根据事先给定的命令发出控制信息，使整个电脑指令执行过程一步一步的进行。是计算机的神经中枢。控制器和运算器合称为中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），他是计算机的核心部件。
存储器在计算机中起着存储各种信息的作用，存储器将输入设备接收到的信息，以二进制的数据形式存到存储器中，存储器有两种，分为内存储器和外存储器两个部分。每个部分各有自己的特点，内存储器是直接与CPU 相联系的存储器，一切要执行的程序和数据一般都要先装入内存储器。内存储器由大规模半导体集成电路芯片组成。其特点是存取速度快，但是容量有限，所存储的信息在断电以后会自动消失，不能长期保存数据。
内存储器。微型计算机的内存储器是由半导体器件构成的。它可以与CPU 直接进行数据交换，简称为内存或主存。从使用功能上可分为两种：随机存储器（Random Access Memory，RAM），又称读写存储器和只读存储器（Read Only Memory，ROM）。
①随机存储器（Random Access Memory，RAM）。RAM 有以下特点：可以读出，也可以写入。读出时并不损坏原来存储的内容，只有写入时才修改原来所存储的内容。断电后存储内容立即消失，即具有易失性。
RAM 可分为动态（Dynamic RAM）和静态（Static RAM）两大类。DRAM 用电容来存储信息。由于电容存在漏电现象，所以每隔一个固定的时间芯片必须对存储信息刷新一次，这是动态的含义；SRAM 用触发器的状态来存储信息，只要电源正常供电。触发器就能稳定的存储信息，二者相比DRAM 具有集成度高、功耗低、价格廉等特点，所以目前微机的内存一般采用DRAM。微机的常用内存以内存条的形式插在主板上。
②只读存储器（Read Only Memory，ROM）。ROM 的特点是只能读出原有的内容，不能由用户在写入新内容。原来存储的内容是采用掩膜技术由厂家一次性写入的。并永久保存下来，它一般用来存放专用的固定的程序和数据。如监控程序、基本输入/输出系统模块BIOS 等，不会因断电而丢失。除了ROM 外还有可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程的只读存储器（EPROM）、可用电擦除的可编程的只读存储器（EEPROM）等。
③高速缓冲存储器。高速缓冲存储器（Cache）是位于CPU 与内存之间的规模较小但速度很快的存储器。由于它在高速的CPU 和低速的内存之间起到缓冲作用，可以解决CPU 和内存之间速度不匹配的问题，故称之为缓存。也称为高速缓冲存储器，一般用SRAM 存储芯片实现，计算机系统按照一定的方式，将CPU 频繁访问的内存数据存入Cache，当CPU 要读取这些数据时，则直接从Cache 中读取，加快了CPU 访问这些数据的速度。进而提高了系统整体运行速度。
在两级缓存系统中，Cache 分为一级缓存（L1 Cache）和二级缓存（L2 Cache）。一级缓存集成在CPU 内部，又称为片内缓存；二级缓存一般焊接在主板上，又称为片外缓存。CPU 缓存的过程是：首先访问片内缓存，若未找到需要的数据则访问片外缓存，若仍未找到则需访问内存。
2.外部设备
微机中除了主机以外的所有设备都属于外部设备。外部设备的作用是辅助主机的工作，为主机提供足够大的外部存储空间，提供与主机进行信息交换的各种手段，外部设备作为微机系统的重要组成部分。是必不可少的，微机系统中最常见的外部设备如下：
（1）外存储器。外存储器由于不能和CPU 进行直接的数据交换，只能与内存交换信息，故称为外存储器，简称外存或辅存。外存储器在微机系统中通常是作为后备存储器使用，用于扩充内存储器的容量和存储当前暂时不用的信息。外存储器的特点是容量大，信息可以长期保存，信息的交换十分容易，但其速度相对较慢。外存通常是磁性介质或光盘，像硬盘、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。由于是机械部件带动速度与CPU 相比就显得慢得多。
①硬盘。将读写磁头、电动机驱动部件和若干涂有磁性材料的铝合金圆盘密封在一起构成硬盘。硬盘是计算机最重要的外存储器，具有比软盘大得多的容量和快得多的速度，而且可靠性高，使用寿命长。计算机操作系统、大量的应用软件和数据都存放在硬盘上。硬盘容量有320GB、500GB、 750GB、1TB、2TB、3TB等。市场上能买到的硬盘最大容量为4 TB。
②光盘。光盘存储器是利用光学方式进行信息存储的设备，由光盘和光盘驱动器组成。光盘不像磁盘利用表面磁化状态的不同，而是利用表面有无划痕来表示信息。有凹痕的记录"0"，无凹痕的记录"1"。写入数据时用高能激光照射盘片灼烧形成凹痕。读取数据时用低能激光照射盘片，在无凹痕处准确反射至光敏二极管，而有凹痕处因散射而被吸收，二极管接收到反射光时记"1"，否则记"0"。光盘通常分为只读型光盘CD—ROM、一次写入型光盘CD—R 和可重写型光盘CD—RW 等。
③移动存储器。移动存储器无需驱动器和额外电源。只需从其采用的标准USB 接口总线取电，可热插拔，读/写速度快，存储容量大，另外还具有价格便宜、体积小巧、外形美观、易于携带等特点。目前人们最常用的是移动闪存盘（U 盘）和移动硬盘。
移动闪存又称U盘，它具有RAM 存取数据。速度快和ROM 保存数据不易丢失的双重优点，体积小、容量大、性价比高、使用方便。它已经取代人们使用多年的软盘而成为微型计算机的一种常见移动存储设备。移动硬盘是通过相关部件将IDE 转换成USB 接口。或fire ware接口（或Firewire 接口）连接到微型计算机上，从而完成读写数据的操作。
拓展：随着CPU 速度的不断提高和软件规模的不断扩大，人们希望存储器能同时满足速度快，容量大，价格低的要求。但实际上这一点很难办到，解决这一问题的最好办法是设计一个快慢搭配具有层次结构的存储系统。CPU中的寄存器位有最快的存取速度，但数量极为有限。CPU 内的Cache（高速缓冲存储器）、主板上的Cache（由SRAM组成）、主存储器（由DRAM组成）、辅助存储器（半导体盘、磁盘）和大容量辅助存储器（光盘、磁带）。位于最后的是存储设备，其容量最大，每位存储容量的价格最低。速度可能也是较慢最慢的。
（2）输入设备。输入设备是将数据、程序、文字、符号、图像、声音等信息输送到计算机中。常用的输入设备有键盘、鼠标、触摸屏、数字转换器等。
①键盘（Keyboard）。键盘是最常用也是最主要的输入设备，通过键盘可以将英文字母、数字、标点符号等输入到计算机中，从而向计算机发出命令、输入数据等。
②鼠标（Mouse）。鼠标因形似老鼠而得名，"鼠标"的标准称呼应该是"鼠标器"。全称为"橡胶球传动之光栅轮带发光二极管及光敏三极管之晶元脉冲信号转换器"或"红外线反射之光斑照射粒子带发光半导体及光电感应器之光源脉冲信号传感器"。鼠标是可以方便进行光标定位的设备。它用来控制显示器所显示的指针光标（Pointer）。它从出现到现在已经有40年的历史。鼠标的使用是为使计算机的操作更加简便，来代替键盘的一些繁琐的指令。
③触摸屏（Touch Screen）。触摸屏是一种覆盖了一层塑料的特殊显示屏，在塑料层后是互相交叉不可见的红外线光束。用户通过手指触摸显示屏来选择菜单项。触摸屏的特点是容易使用。
④数字转换器（Digitizer）。数字转换器是一种用来描绘或拷贝图画或照片等设备。把需要拷贝的内容放置在数字化图形输入板上，然后通过一个连接计算机的特殊输入笔描绘这些内容。随着输入笔在拷贝内容上的移动，计算机记录它在数字化图形输入板上的位置，当描绘完整个需要拷贝的内容后，图像能在显示器上显示或在打印机上打印或者存储在计算机系统上以便日后使用。数字转换器常常用于工程图纸的设计。除此之外的输入设备还有游戏杆、光笔、数码相机、数字摄像机、图像扫描仪、传真机、条形码阅读器、语音输入设备等。
（3）输出设备。输出设备将计算机的运算结果或者中间结果打印或显示出来。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪和传真机等。
①显示器（Display）。显示器也叫监视器，是微机中最重要的输出设备之一。也是人机交互必不可少的设备。常用的有阴极射线管显示器、液晶显示器和等离子显示器。像素和点距是显示器的主要性能之一：屏幕上图像的分辨率或者清晰度取决于能在屏幕上独立显示的点的直径，这种独立显示的点称作像素（Pixel），屏幕上两个像素之间的距离叫点距（Pitch）。目前微机上使用的显示器的点距有0.31mm、0.28mm和0.25mm的规格。一般来讲点距越小，分辨率就越高，显示器的性能也就越好。
②打印机（Printer）。打印机是计算机最基本的输出设备之一，不同于显示器的是，通过打印机可以得到长期保存的书面形式的纸质信息，即"硬拷贝（Hard Copy）"。它将计算机的处理结果打印在纸上。打印机按印字方式可分为击打式和非击打式两类。击打式打印机是利用机械动作，把字体通过色带打印在纸上。根据印出字体的方式，又可分为活字式打印机和点阵式打印机。
③ 绘图仪（Plotter）。绘图仪是能按照人们要求自动绘制图形的设备。它可将计算机的输出信息以图形的形式输出。主要可绘制各种管理图表和统计图、大地测量图、建筑设计图、电路布线图、各种机械图与计算机辅助示意图等。
二、计算机软件系统
计算机软件是由系统软件、支撑软件和应用软件构成的。系统软件是计算机系统中最靠近硬件的软件，其他软件一般都通过系统软件发挥作用。所谓软件是指为方便使用计算机和提高使用效率而组织的程序以及用于开发、使用和维护的有关文档。软件系统可分为系统软件和应用软件两大类。
1.系统软件
系统软件（System software），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。对文件进行排序解锁，将程序语言编译成机器语言等。实际上系统软件可以看作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，他们从另一方面辅助用户使用计算机。
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，如用户键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，以便充分合理的发挥计算机的效率。
②语言处理系统（翻译程序）。人和计算机交流信息使用的语言称为计算机语言或程序设计语言。计算机语言通常分为机器语言、汇编语言和高级语言 3 类。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的程序（以下简称翻译程序）。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，翻译的方法有以下两种。
一种为"解释"。早期的BASIC 源程序都采用这种方式执行。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。
另一种称为"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，但是它形成的可执行文件（.exe 为扩展名）可以反复执行，速度较快。运行程序时只要键入后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的程序分别叫做编译程序和解释程序。如 FORTRAN、COBL、PASCAL 和 C 等高级语言，使用时需要相应的编译程序等高级语言使用时需要相应的解释程序；BASIC 、LISP 等高级语言，使用时需要用相应的解释程序。
③服务程序。服务程序能够提供一些常用的服务性功能，他们为用户开发程序和使用计算机提供了方便，在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。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（Date 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、自动的对数据进行检索、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。可以说今后的计算机应用开发大部分都离不开数据库，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（Application Software）。它可以是一个特定的程序，如图像的浏览器；也可以是一组功能联系紧密、可以互相协助的程序的集合，如微软的office软件；还可以是一个由众多独立程序组成的庞大的软件系统，如数据库管理系统。
从服务对象的角度又可分为通用软件和专用软件两类。