计算机系统的组成

计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。硬件系统是计算机系统的基础，负责执行各种操作和处理数据；软件系统则是计算机系统的灵魂，指导硬件完成各种任务。两者相辅相成，共同构成了完整的计算机系统。

一、硬件系统

计算机的硬件系统由五大功能部件组成，分别是运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。这些部件协同工作，使计算机能够完成各种复杂的任务。

（一）运算器

运算器，也称为算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU），是计算机对数据进行加工处理或运算的核心部件。它负责执行各种算术运算（如加、减、乘、除）和逻辑运算（如与、或、非等）。运算器中还包含一些用来暂时存放数据的寄存器和累加器等。运算器的技术性能高低直接影响着计算机的运算速度和整机性能。

（二）控制器

控制器是计算机的指挥中心，负责控制和协调整个计算机各部件协调一致地自动工作。它的主要功能是从存储器中取指令、分析指令、执行指令，使计算机能够实现程序的自动执行操作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。在现代微型计算机中，运算器和控制器通常集成在一个大规模或超大规模芯片上，称为中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），又称为微处理芯片，是计算机的核心部件。

CPU性能指标

  • 主频：CPU的主频是指CPU能够适应的时钟频率，或者说是CPU的标准工作频率，它等于CPU在一秒钟内能够完成的工作周期数，以赫兹（Hz）为单位。主频越高，CPU执行指令的速度越快，计算机的运算能力越强。
  • 字长：CPU的字长是指CPU在一次操作中能处理的二进制最大数据单位，它体现了一条指令所能处理数据的能力，是衡量计算机性能的一个重要因素。CPU的字长已由早期的8位、16位、32位，发展到目前的64位。

（三）存储器

存储器是计算机的记忆装置，用来存储数据和程序，是计算机的“仓库”。存储器的容量越大，存取速度越快，其性能就越好。存储器的工作速度是制约计算机整体运算速度的主要因素之一。为了解决CPU与存储器之间的速度不匹配的矛盾，计算机的存储器系统采用两级存储方式：内存储器和外存储器。

1. 内存储器

内存储器，又称内存或主存储器，用来存放正在执行的程序和数据，可与CPU直接交换信息。其特点是容量相对较小，但存取速度快。内存储器采用半导体存储技术存储信息。由于CPU的主频越来越高，而内存的读写速率达不到CPU的要求，所以在内存和CPU之间引入了高速缓冲存储器（Cache），用于暂存CPU和内存之间交换的数据。CPU首先访问Cache中的信息，Cache可以利用CPU忙于运算的时候和RAM交换信息，这样避免了时间上的浪费，起到了缓冲作用，充分利用CPU资源，提高运算速度，是计算机中读写速率最快的存储设备。

2. 外存储器

外存储器，简称外存或辅存，通常以磁介质和光介质的形式来保存数据，不受断电限制，可以长期保存数据。其特点是容量大、价格低，但存取速度相对较慢。存储容量也以字节为基本单位。常见的外存储器有硬盘、光盘、U盘等。

固态硬盘（SSD）

固态硬盘的存储介质分为两种：基于闪存的固态硬盘和基于DRAM的固态硬盘。

  • 基于闪存的固态硬盘：采用FLASH芯片作为存储介质，即通常所说的SSD。它的外观可以被制作成多种模样，如笔记本硬盘、微硬盘、存储卡、U盘等样式。这种SSD固态硬盘最大的优点是便携性强，可以移动，而且数据保护不受电源控制，能适应于各种环境，但使用年限相对较短，适合于个人用户使用。
  • 基于DRAM的固态硬盘：采用DRAM作为存储介质，目前应用范围较窄。它是一种高性能的存储器，而且使用寿命很长，但是需要独立电源来保护数据安全。

固态硬盘的特点包括低功耗、无噪声、抗振动、低热量等。缺点有数据损坏后难以修复、成本高、写入次数限制等。

（四）输入设备

输入设备是将外部信息输入到计算机中的设备。常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等。它们使用户能够将数据、命令、图像、声音等信息输入到计算机中，供计算机进行处理。

（五）输出设备

输出设备是将计算机处理后的信息输出到外部的设备。常见的输出设备有显示器、打印机、扬声器等。它们使用户能够看到、听到或以其他形式感知计算机处理后的结果。

二、软件系统

软件是指计算机运行所需要的程序、数据及有关文档资料的总称。软件系统是指各种软件的集合，是计算机系统的重要组成部分。根据功能不同，软件系统可以分为系统软件和应用软件两大类。

（一）系统软件

系统软件是用于管理、监控、维护和操作计算机的软件。它为应用软件的运行提供支持和服务，是计算机系统正常运行的基础。系统软件一般包括以下几类：

1. 操作系统

操作系统是管理和控制计算机软件、硬件和数据资源的一组程序。它负责协调计算机系统的各部分之间、系统与用户之间，以及用户与用户之间的关系，并提供用户与计算机之间的接口，为用户提供服务。从资源管理角度讲，操作系统有五大功能：处理器管理、存储管理、设备管理、文件管理和作业管理。

操作系统的种类很多，常见的有Windows、Linux、macOS等。

2. 语言处理程序

语言处理程序是将程序设计语言翻译成计算机能识别并正常运行的软件。它一般由汇编程序、编译程序、解释程序和相应的操作程序等组成，为用户设计的编程服务软件，其作用是将高级语言源程序或汇编语言源程序翻译成计算机能识别的目标程序。

3. 数据库管理系统

数据库管理系统是在数据库系统中为数据库的建立、使用和维护而配置的软件。它由数据库及方便多用户访问的计算机软、硬件资源等组成。数据库技术是计算机应用中应用最广的一个分支。常用的桌面数据库管理系统有Visual FoxPro和Access，大型网络数据库有SQL Server、Oracle等。

4. 服务程序

服务程序提供一些常用的服务功能，为用户使用计算机和开发程序提供方便。如各类诊断程序、调试程序和编辑程序等。

（二）应用软件

应用软件是应用于特定领域中的某种具体软件。它根据用户的需求而设计，用于解决各种实际问题。常见的应用软件有：

  • 各种信息管理软件，如企业资源规划（ERP）系统、客户关系管理（CRM）系统等。
  • 办公自动化软件，如Microsoft Office、WPS Office等。
  • 各种文字处理软件，如Word、WPS Writer等。
  • 各种辅助设计软件，如AutoCAD、SolidWorks等。
  • 辅助教学软件，如多媒体课件制作软件、在线教育平台等。
  • 以及各种软件包，如图像处理软件Photoshop、音频处理软件Audacity等。

（三）程序设计语言

程序设计语言是计算机程序设计中用来表达算法和数据结构的工具。它通常是一个能完整、准确和规则地表达人们的意图，并用以指挥或控制计算机工作的“符号系统”。计算机程序设计语言通常分为以下几类：

1. 机器语言

机器语言是用二进制代码表示的计算机能直接识别和执行的一种机器指令的集合。它的特点包括灵活、直接执行和速度快等。缺点是机器指令辨认、记忆、书写都很困难，编出的程序不直观，易出错，可移植性差。

2. 汇编语言

汇编语言是一种与计算机机器语言很接近的符号语言，采用有意义的符号来代替二进制的计算机指令，以方便人们编写程序。例如，用add表示加，用sub表示减法。汇编语言依赖于特定计算机的指令集，与计算机硬件有关，程序的可移植性差，是一种低级语言。汇编语言源程序通过汇编程序翻译成机器语言程序（目标程序）方可在计算机中运行。

3. 高级语言

高级语言是一种比较接近自然语言和数学表达式的一种计算机程序设计语言。用高级语言编写的程序一般称为“源程序”，它不能直接被计算机识别和执行，只有将用高级语言编写的源程序翻译成机器指令，才能被计算机执行。通常有两种方式：编译和解释。编译是将整个源程序翻译成机器语言程序，然后执行；解释是逐条翻译并立即执行源程序中的语句。

高级语言具有易于理解和编写、可移植性好等优点，常见的高级语言有C、C++、Java、Python等。