1.3 计算机系统的组成

一个完整的计算机系统应当包括两大部分，即硬件系统和软件系统，如图1-2所示。硬件系统是计算机系统的机器部分，它是计算机工作的物质基础；软件系统则是为了运行、管理和维护计算机而编制的各种程序的总和。硬件系统和软件系统相互依赖，不可分割，共同组成了完整的计算机系统。

1.3.1 计算机的硬件系统

现代的计算机都是以冯·诺依曼（John Von Neumann）所设计的体系结构为基础的，而冯·诺依曼体系结构规定计算机主要是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成的。下面对计算机硬件的几个基本部分做简单介绍。

1. 运算器和控制器

运算器用于完成数据的算术运算和逻辑运算，控制器则用于发布系统的命令，它们两个组合在一起，作用就相当于人的大脑，指挥计算机中所有的器件协同工作。运算器和控制器合称为中央处理单元，英文名为Central Processing Unit，简称CPU。CPU的外形如图1-3所示。

2. 存储器

存储器是用来存放数据和程序的器件，是计算机存放数据的仓库。存储器分为内部存储器（简称内存）和外部存储器（简称外存）两大类。

现在的内存几乎是半导体存储器，其容量较小，但速度快，用于存放临时数据。现在市场上的个人计算机配置的内存主流容量是4GB、8GB等，一些高端机器甚至达到16GB。图1-4所示即为内存。

外存指内存以外的存储器，其容量较大，主要是指传统硬盘，市场上的主流传统硬盘容量有500GB、640GB、800GB、1TB等。另外光盘、U盘、移动硬盘等都是常见的外存。图1-5所示为传统的硬磁盘存储器，即硬盘。外存的存储容量比内存大，存取速度比内存慢，用于存放计算机暂时不用的数据和程序。CPU不能直接读写外存，要通过内存对外存进行读写。

除硬盘外，早期常用的外存还有软盘。随着存储技术的发展又出现了U盘、移动硬盘、光盘等外存，而软盘由于其自身的缺陷已逐渐被淘汰。关于外存的详细内容，请参见本书第5章。

3. 输入设备

输入设备是将控制信号、图像、声音等其他信号传递到计算机的设备。常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、麦克风和数码相机等。

4. 输出设备

输出设备是将计算机处理后的数据以人们可视或可听的方式展现出来的设备。常见的输出设备有显示器、打印机和音箱等。

1.3.2 计算机的软件系统

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。软件系统按其功能可分为系统软件和应用软件两大类。

只有硬件而没有安装软件的计算机被称为“裸机”。“裸机”是不能正常工作的，还需要操作系统等系统软件和应用软件的支持，计算机才能发挥其作用。

系统软件的主要作用是对计算机的软硬件资源进行管理，并提供各种服务。其中操作系统是最常见和最基本的系统软件，它是整个软件系统的核心，用于控制和协调计算机硬件的工作，并为其他软件提供平台。常见的操作系统有Windows 7、Windows 10、UNIX等。

应用软件是为了完成某项工作而开发的一组程序，它能够帮助用户完成特定的任务，如Office系列软件中的Word软件、各种计算机辅助软件、数据处理软件等。

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，对文件进行排序和检索，将程序语言翻译成机器语言等。系统软件是用户与计算机之间的桥梁，它为应用软件和用户提供了控制、访问硬件的手段。系统软件由操作系统、语言处理系统、服务程序、数据库系统等部分构成。

1）操作系统

操作系统（Operating System, OS）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，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。

日常生活中所说的操作系统，指的是微型计算机（俗称个人电脑）的操作系统。它随着微机硬件技术的发展而发展。全球著名的软件公司Microsoft公司开发的磁盘操作系统DOS是一个单用户单任务系统，而操作系统Windows则是单用户多任务系统。经过二十几年的发展，Windows操作系统已从Windows 3.1发展到目前的Windows 7、Windows 10等，是当前微机中广泛使用的操作系统之一。图1-6所示为目前使用最普遍的Windows 10操作系统的界面。

2）语言处理系统（翻译程序）

机器语言是采用二进制的低级语言，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，就必须配备语言处理系统，即语言翻译程序（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。它们是系统软件的重要组成部分。

3）服务程序（工具软件）

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，像计算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（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、删除、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、排序和合并等操作，以得到所需的信息。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。

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来看，应用软件可分为通用软件和专用软件两类。

1）通用软件

通用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、电子邮件收发等是企事业单位和日常生活中常见的问题，WPS Office办公软件、Microsoft Office办公软件都是针对上述问题而开发的。图1-7所示为目前常用的文本编辑软件Microsoft Word 2010的使用界面。

此外，如针对财务会计业务的财务软件，机械设计制图的绘图软件AutoCAD，图像处理软件Photoshop等都是用于解决某一类问题的通用软件。

2）专用软件

与通用软件相比，专用软件则是为了解决用户某一个特殊问题而专门设计的，因此这类软件相对来说价格比较昂贵。如某个图书馆需要一个管理软件，对其全部借书者进行统一管理。这对于一般用户来说太特殊，所以只能在对这个图书馆的需求进行详细分析后，专门组织人员开发。这样开发出来的软件，只能适用于这个图书馆，对其他客户来说可能是不适合的，因此称为专用软件。

1.3.3 计算机系统的层次结构

构成计算机系统的硬件系统和软件系统是按一定的层次关系组织起来的。根据计算机系统的组成和功能，可以把计算机系统分为硬件层、操作系统层、实用程序层（或称为支撑软件层）和应用程序层4个层次，如图1-8所示。每一层表示一组功能和一个界面，表现为一种单向服务的关系，即上一层的软件必须以事先约定的方式使用下一层软件或硬件提供的服务。

（1）硬件层：包括所有硬件资源，如中央处理器、存储器、输入／输出设备等。

（2）操作系统层：主要实现对资源的管理，如处理器（CPU）管理功能、存储器管理功能、设备管理功能和文件管理功能。也就是说，操作系统层主要完成资源的调度和分配、信息的存取和保护、并发活动的协调和控制等工作。操作系统是其他软件的运行基础。

（3）实用程序层：是计算机系统软件的基本组成部分，通常包括各种语言的编译程序、文本编辑程序、调试程序、连接程序、系统维护程序、文本加密程序、终端通信程序以及图文处理软件、数据库管理系统等。其功能是为应用层软件及最终用户处理自己的程序或数据提供服务。

（4）应用程序层：处于计算机系统的最外层，用来解决用户不同的应用问题。应用程序开发者借助程序设计语言来表达应用问题，开发各种应用软件。普通用户则通过应用软件与计算机交互来解决实际问题。应用软件包括用户在操作系统和实用软件支持下自己开发的专用软件，以及软件厂家为行业用户开发的专用应用程序包——通用软件（例如财务软件、Office套件）等。应用程序层是最终用户使用的界面。