认识计算机系统：从冯·诺依曼体系结构到硬件与软件

1.计算机的系统结构

美籍匈牙利数学家冯·诺依曼于1946年提出“存储程序”和“程序控制”原理，把程序本身当作数据来对待，程序和该程序处理的数据用同样的方式存储，并确定了存储程序计算机的五大组成部分和基本工作方法，如图1—1—2所示。冯·诺依曼体系结构主要有以下特点：

（1）计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示。

（2）计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成，在控制器的统一控制下，协调一致地完成由程序所描述的工作。

（3）数据和指令存放在存储器中。

冯·诺依曼提出的计算机体系结构，奠定了现代计算机的结构理念。

图1—1—2　“冯·诺依曼体系结构”示意图

2.计算机系统的组成

一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分，没有软件的计算机系统称为裸机。其结构如图1—1—3所示。

图1—1—3　计算机系统的组成

（1）硬件系统

硬件系统是指构成计算机的物理设备，它是计算机软件赖以生存的基础。

①中央处理器

中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是计算机系统的核心，如图1—1—4所示。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。中央处理器包括运算器和控制器两大部分，控制器用来协调和指挥整个计算机系统的操作，运算器主要完成算术运算和逻辑运算。

图1—1—4　CPU

图1—1—5　内存(www.xing528.com)

图1—1—6　硬盘

②存储器

存储器是计算机的记忆部件，存放计算机系统和用户的数据，包括程序。存储器按照功能分可分为内存储器和外存储器。

内存储器也被称为内存或主存，如图1—1—5所示。特点是存取速度快、容量较小，可以直接向运算器和控制器提供数据和指令。内存按工作方式可以分为随机存储器RAM和只读存储器ROM，RAM表示既可以从中读取数据，也可以写入数据，当机器电源关闭时，存于其中的数据就会丢失。

外存储器也称为外存或辅存，特点是存取速度慢、容量较大，存储的信息不能直接读取，必须先调入内存。常见的外存有光盘、硬盘、U盘等，如图1—1—6所示。

③输入：输出设备

输入设备指的是将外界信息（数据、程序、命令及各种信号）送入计算机的设备。计算机常用输入设备为键盘、鼠标、扫描仪等，如图1—1—7所示。

输出设备是指将计算机处理和计算后所得的结果以一种人们便于识别的形式（如字符、数值和图表等）记录、显示或打印出来的设备。常用的设备有显示器、打印机、绘图仪等，如图1—1—8和1—1—9所示。

图1—1—7　扫描仪

图1—1—8　打印机

图1—1—9　绘图仪

（2）软件系统

计算机软件是指在硬件设备上运行的各种程序、数据及有关资料，按用途可分为系统软件和应用软件。

系统软件是管理、监控和维护计算机资源的软件，是用来扩大计算机的功能、提高计算机的工作效率、方便用户使用计算机的软件。系统软件是计算机正常运转不可缺少的，一般由计算机生产厂家或专门的软件开发公司研制，出厂时写入ROM芯片或存入磁盘（供用户选购）。系统软件主要分为操作系统软件（软件的核心）、各种语言处理程序和各种数据库管理系统三类。

应用软件是指为解决计算机各类问题而编写的程序，如文字处理软件、计算机辅助设计软件、辅助教学软件、图形图像处理软件等。