1.4 计算机体系结构

1．工作描述

一个完整的计算机系统主要由两大部分组成：硬件系统和软件系统，如图1.2所示。硬件系统和软件系统相互依存，缺一不可。硬件是软件赖以工作的物质基础，没有硬件，软件也就不存在了；软件是硬件的灵魂，没有软件的计算机是“裸机”，它不能做任何的工作；计算机软件随着硬件技术的迅速发展而发展，而软件的不断发展与完善又促进硬件的不断更新。

硬件系统通常指机器的物理系统，是看得见、摸得着的物理器件，它包括计算机主机及其外围设备。

软件系统通常又称为程序系统，它包括程序本身和运行程序时所需要的数据或相关的文档资料。

本节将从组成计算机系统的两大部分开始，详细描述硬件系统和软件系统及它们之间的关系。

2．工作目标

掌握组成计算机系统的两大部分，熟悉完整的计算机体系结构。

3．工作分解

4．工作实施

任务一：掌握计算机的硬件系统

计算机的硬件系统，是指构成计算机的所有物理设备的总和，是各类软件运行的环境，是应用软件运行的物质基础。多媒体计算机的硬件系统，除了需要较高配置的通用计算机主机硬件以外，还需要音频、视频处理设备，光盘驱动器，各种媒体输入/输出设备等。

从计算机组成原理上来看，计算机硬件系统包括5大主要组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，其中运算器、控制器、内部存储器3部分合称为计算机的主机。但是在日常生活中，我们常将主机箱内的所有部件总称为计算机的主机。多媒体计算机主机可以是大、中型机，也可以是微型机，然而目前更普遍的是多媒体个人计算机，即MPC（Multimedia Personal Computer）。

（1）运算器

运算器也称为算术/逻辑单元ALU（Arithmetic/Logic Unit），是执行算术运算和逻辑运算的功能部件。

（2）控制器

控制器是计算机的指挥中心，它的主要功能是按照人们预先确定的操作步骤，控制计算机各部件协调一致地自动工作。

运算器和控制器合在一起称为中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），如图1.3所示。CPU是计算机的核心，主要完成科学计算和数据处理的功能，相当于人的“大脑”。

目前全球生产CPU的厂家主要有：Inter公司和AMD公司。Intel领导着CPU的世界潮流，从286、386、486、Pentium、Pentium II、Pentium III到现在主流的Pentium 4，它始终推动着微处理器的更新换代。Intel公司的CPU不仅性能出色，而且在稳定性、功耗方面都十分理想，在CPU市场大约占据了80%的份额。

AMD公司是唯一能与Intel公司竞争的CPU生产厂家，AMD公司的产品现在已经形成了以Athlon XP及Duron为核心的一系列产品。AMD公司认为，由于在CPU核心架构方面的优势，同主频的AMD处理器具有更好的整体性能。但AMD处理器的发热量往往比较大，选用的时候在系统散热方面应多加注意，在兼容性方面可能也需要多打些补丁。AMD公司产品的特点是性能较高且价格便宜。

（3）存储器

存储器是计算机用来存储信息的重要功能部件，包括内部存储器和外部存储器两种。

① 内部存储器。

内部存储器简称为内存或主存，用来存放正在运行的程序和当前使用的数据，它的种类很多，我们主要介绍随机存取存储器RAM（Random Access Memory）。随机存取存储器是计算机系统必不可少的基本部件。CPU需要的数据信息要从内存读出来，CPU运行的结果也要暂时存储到内存中，CPU与各种外部设备联系，也要通过内存才能进行，内存在计算机中担任的任务就是“记忆”。它的主要优点是速度快，缺点是不适合长久保留信息。现在常规个人计算机的内存容量大小为：128MB、256MB、512MB、1GB。内存条的外观结构如图1.4所示。

随机存储器中的数据可以由用户进行修改。关闭计算机电源，随机存储器中存储的数据将全部消失，其功效类似于在黑板上写字，可写可擦。我们平常所说的内存容量就是随机存储器的容量。

在计算机的内存容量单位中，1个二进制的位是bit，8个二进制位称为一个字节B（Byte）。字节是计量内存容量的基本单位，其他的单位还有KB，MB，GB，TB，它们的转换公式如下：

1B=8bit

1KB=1024B

1MB=1024KB=1024×1024B

1GB=1024MB=1024×1024KB

1TB=1024GB=1024×1024MB

内存的容量直接影响计算机的性能，PC系列机的内存容量由早期的640KB发展到1MB、4MB、8MB、16MB、32MB、64MB、128MB和256MB，有的甚至超过1GB。

内存的主要生产厂商分布在美国、日本、韩国和中国台湾，主要品牌有Kingston（金士顿）、Kingmax（胜创）、Fujitsu（富士通）、Hitachi（日立）、Toshiba（东芝）、Samsung（三星）、Goldstar （金星）、Hyundai（韩国现代）等。

② 外部存储器。

外部存储器也称为辅助存储器，简称为外存或辅存，用于存放需永久保存或相对来说暂时不用的数据，它通常由电、磁材料做成。主要包括：磁盘和光盘，磁盘包括软盘、硬盘和U盘。

软盘最大的优点是携带方便，缺点是存取速度慢，容量太小，只有1.44MB，所以随着新一代闪速存储器的出现而被淘汰，如图1.5所示。

硬盘与其他存储介质相比，速度快、容量大，成为计算机中最重要的存储设备，如图1.6所示。硬盘是介于内存和软盘之间的产品，速度比较快，存储容量大，操作系统和大量的后备数据都保存在硬盘上，是使用最多的存储器。目前市场上常见的硬盘品牌有：希捷（Seagate）、IBM、迈拓（Maxtor）、三星（Samsung）、日立（Hitachi）、西部数据（WD），容量为80GB、120GB、160GB、200GB、250GB或更大。

光盘和光驱是激光技术在计算机中的应用。光盘具有存储信息量大、携带方便、可以长久保存等优点，应用范围相当广泛，也是多媒体计算机必不可少的存储介质，如图1.7所示。光盘分只读光盘（CD-ROM/DVD-ROM）和可读写光盘（CDR/CDW），分别和相应的光驱配套使用。只读光盘一次完成数据写入，以后只能读取，不能修改；可读写光盘也称为可擦写光盘，可以对光盘的内容进行一次或多次擦、写。

普通CD光盘的容量为650MB～700MB，DVD光盘的容量为4.7GB，保存时间为几十年甚至百年。

光驱品牌较多，目前市场的主流光驱基本都是52X的CD-ROM光驱或16X的DVD- ROM光驱，比较知名的光驱品牌有Acer、Aopen、SONY、Philips、美达、阿帕奇、大白鲨、NEC等数十种。

新一代存储设备U盘，是目前使用最多的外部存储设备，U盘就是闪存盘，是一种采用USB接口的无须物理驱动器的微型高容量移动存储产品，它采用的存储介质为闪存（Flash Memory），如图1.8所示。U盘不需要额外的驱动器，它将驱动器及存储介质合二为一，只要接上电脑上的USB接口就可独立地存储读写数据。U盘体积很小，仅大拇指般大小，重量极轻，约为20克，特别适合随身携带。U盘中无任何机械式装置，抗震性能极强。另外，U盘还具有防潮防磁，耐高低温（-40°C～+70°C）等特性，安全可靠性很好。

（4）输入设备

输入设备是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和程序输入到计算机中，并将它们转变为计算机能够识别的数字信息，存放到内存中的设备。现代计算机能够接收各种各样的数据，既可以是数值型的数据，也可以是各种非数值型数据，它们都可以通过不同类型的输入设备输入到计算机中。

常用的输入设备有键盘（见图1.9）、鼠标（见图1.10）、扫描仪（见图1.11）、手写板（见图1.12）、数字笔等。

（5）输出设备

输出设备是将存放在计算机内存中的信息（包括程序和数据）转换为人们能够接受的形式的设备。常用的输出设备有打印机（见图1.13）、显示器（见图1.14）、数码复印机、绘图仪等。

以上我们介绍了计算机硬件的5大主要组成部分和常用的外部设备。将计算机硬件的5大功能部件用总线连接起来，就构成了一台完整的计算机硬件系统。

任务二：掌握计算机的软件系统

计算机软件系统是计算机系统的灵魂，计算机众多的功能正是由丰富的软件实现的。它泛指能在计算机上运行的各种程序及其相关的文档资料。

软件系统分为系统软件和应用软件。系统软件是计算机系统的核心，它管理系统所有的硬件资源和软件资源，人们只能够使用它，而不能进行修改。应用软件是为了满足人们某方面需要而开发的软件，种类多种多样。

（1）系统软件

① 操作系统。

操作系统控制和管理计算机硬件、软件资源及数据资源，合理地组织计算机工作流程及方便用户使用的程序集合，它使计算机系统所有资源得到最大限度的发挥，为用户提供方便、有效、友好的服务界面，是系统软件的核心。所有的其他软件（包括某些系统软件与所有的应用软件）都建立在操作系统基础上，并得到它的支持和服务。它一般具有进程和处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理和文件管理等5大管理功能。

常用的个人操作系统有：DOS、Windows、Linux、UNIX、OS/2等。

② 程序设计语言。

程序设计语言是用于编写程序计算机程序的语言，它是人与计算机之间交换信息的工具。程序设计语言是软件系统重要的组成部分，一般可分为机器语言、汇编语言和高级语言3类。它为人们编写各类应用软件提供了极大的方便。

语言的基础是一组符号和一组规则，它包括数据成分、运算成分、控制成分、传输成分等四种基本成分。数据成分用于描述程序涉及的数据；运算成分用于描述程序中所包含的运算；控制成分用于描述程序中所包含的控制；传输成分用于表达程序中数据的传输。

程序设计语言是人和计算机都能理解的语言。它可以分为三类：①机器语言，它是以机器指令表达的语言；②汇编语言，它是用助记符表示的语言；③高级语言，它是接近于人类习惯的语言。由于计算机都有编译程序，可以把高级语言翻译成计算机能够理解的机器语言，所以使用计算机的人只需要学习高级语言就可以了。

高级程序设计语言包括面向过程和面向对象两大类，面向过程的语言代表有BASIC语言、C语言、PASCAL语言等，面向对象的代表语言有Java、Visual Basic、Visual C++、Delphi、PowerBuilder等。

③ 数据库管理系统。

随着计算机应用的发展，数据管理日益重要，数据库管理系统发展迅速，该系统主要解决数据处理的非数值计算问题。目前主要用于档案管理、财务管理、图书资料管理及仓库管理等方面的数据处理。常见的数据库管理软件有Access、FoxPro、Visual FoxPro、MS SQL Server、Oracle等。

（2）应用软件

应用软件是指计算机用户利用计算机及其提供的系统软件，为解决某一专门的应用问题而编制的计算机程序，是在操作系统平台上设计开发的，面向应用领域的软件系统。应用软件是多种多样的。例如，科学计算、工程设计、文字处理、辅助教学、游戏等方面的应用软件。在我们后面介绍的Word 2000、Excel 2000及各种工具软件等都属于应用软件。

计算机使用时，可以在操作系统环境下查看计算机安装的是什么操作系统，主要硬件设备和性能指标有哪些。

① 首先启动Windows XP操作系统，使用系统工具了解硬件的配置。

在Windows XP的桌面下方，执行“开始”→“设置”→“控制面板”命令，弹出“控制面板”窗口，如图1.15所示。

② 在“控制面板”窗口中，选择“性能和维护”中的“系统”选项，弹出“系统属性”的对话框，如图1.16所示。

从系统属性的对话框中可以了解系统软、硬件的具体配置，如常规、计算机名、硬件、高级、系统还原、自动更新、远程等配置情况。图1.16表明该机的操作系统的版本是Microsoft Windows XP Professional版本2002，系统补丁为Service Pack 2。计算机的硬件配置为：CPUAMD Athlon™64 processer 3000+，主频为1.8GHz，内存为512MB等参数。

另外，在Windows的桌面上，将鼠标指针指向“我的电脑”图标，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中，执行“属性”命令，也可弹出如图1.16所示的“系统属性”对话框。

任务三：熟悉硬、软件系统之间的关系

计算机系统包括硬件和软件两部分。软件系统是在硬件系统的基础上为有效地使用计算机而配置的，一台没有安装任何软件的计算机称为祼机，祼机是不能解决任何问题的，仅当装入并且运行一定的软件时，计算机才能发挥它强大的作用，这时的计算机才真正成为计算机系统。

操作系统是直接控制和管理硬件的系统软件，它向下控制硬件系统，向上支持各种软件，所有其他软件都必须在操作系统支持下才能运行，操作系统是用户与计算机的接口。在操作系统之上分别是各种语言处理程序、用户使用的应用程序。计算机系统的软、硬件系统层次关系如图1.17所示。

5．工作总结

在本次工作中，我们描述了计算机系统的两大组成部分及它们之间的关系，重点要掌握的是硬件系统和软件系统的每个组成部分及它们的功能。