計算機系統是由硬體系統和軟體系統組成;硬體系統是構成計算機系統各功能部件的集合,包括了中央處理器、記憶體儲器、外記憶體和輸入輸出裝置,而軟體系統指與計算機系統操作有關的各種程式以及任何與之相關的檔案和資料的集合,包括了系統軟體和應用軟體。
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計算機系統是由硬體系統和軟體系統兩大部分組成。
計算機硬體是構成計算機系統各功能部件的集合。是由電子、機械和光電元件組成的各種計算機部件和裝置的總稱,是計算機完成各項工作的物質基礎。計算機硬體是看得見、摸得著的,實實在在存在的物理實體。
計算機軟體是指與計算機系統操作有關的各種程式以及任何與之相關的檔案和資料的集合。其中程式是用程式設計語言描述的適合計算機執行的語句指令序列。
沒有安裝任何軟體的計算機通常稱為「裸機」,裸機是無法運作的。如果計算機硬體脫離了計算機軟體,那麼它就成為了一臺無用的機器。如果計算機軟體脫離了計算機的硬體就失去了它執行的物質基礎;所以說二者相互依存,缺一不可,共同構成一個完整的計算機系統。
計算機系統的基本組成如圖
計算機硬體系統的基本組成及工作原理
⑴ 計算機硬體由五個基本部分組成:運算器、控制器、記憶體、輸入裝置和輸出裝置。
⑵ 計算機內部採用二進位制來表示程式和資料。
⑶ 採用「儲存程式」的方式,將程式和資料放入同一個記憶體中(記憶體儲器),計算機能夠自動高速地從記憶體中取出指令加以執行。
可以說計算機硬體的五大部件中每一個部件都有相對獨立的功能,分別完成各自不同的工作。如圖1-7所示,五大部件實際上是在控制器的控制下協調統一地工作。首先,把表示計算步驟的程式和計算中需要的原始資料,在控制器輸入命令的控制下,通過輸入裝置送入計算機的記憶體儲存。其次當計算開始時,在取指令作用下把程式指令逐條送入控制器。控制器對指令進行譯碼,並根據指令的操作要求向記憶體和運算器發出儲存、取數命令和運算命令,經過運算器計算並把結果存放在記憶體內。在控制器的取數和輸出命令作用下,通過輸出裝置輸出計算結果。
1.運算器(ALU)
運算器也稱為算術邏輯單元ALU(Arithmetic Logic Unit)。它的功能是完成算術運算和邏輯運算。算術運算是指加、減、乘、除及它們的複合運算。而邏輯運算是指「與」、「或」、「非」等邏輯比較和邏輯判斷等操作。在計算機中,任何複雜運算都轉化為基本的算術與邏輯運算,然後在運算器中完成。
2.控制器(CU)
控制器CU(Controller Unit)是計算機的指揮系統,控制器一般由指令暫存器、指令譯碼器、時序電路和控制電路組成。它的基本功能是從記憶體取指令和執行指令。指令是指示計算機如何工作的一步操作,由操作碼(操作方法)及運算元(操作物件)兩部分組成。控制器通過地址存取記憶體、逐條取出選中單元指令,分析指令,並根據指令產生的控制訊號作用於其它各部件來完成指令要求的工作。上述工作周而復始,保證了計算機能自動連續地工作。
通常將運算器和控制器統稱為中央處理器,即CPU(Central Processing Unit),它是整個計算機的核心部件,是計算機的「大腦」。它控制了計算機的運算、處理、輸入和輸出等工作。
積體電路技術是製造微型機、小型機、大型電腦和巨型機的CPU的基本技術。它的發展使計算機的速度和能力有了極大的改進。在1965年,晶片巨人英特爾公司的創始人戈登 · 摩爾,給出了著名的摩爾定律:晶片上的電晶體數量每隔18~24個月就會翻一番。讓所有人感到驚奇的是,這個定律非常精確的預測了晶片的30年發展。1958年第一代積體電路僅僅包含兩個電晶體,而1997年,奔騰II處理器則包含了750萬個電晶體,2000年的Pentium 4 已達到了0.13微米技術,整合了4200萬個電晶體 。CPU整合的電晶體數量越大,就意味著更強的晶片計算能力。
3.記憶體(Memory)
記憶體是計算機的記憶裝置,它的主要功能是存放程式和資料。程式是計算機操作的依據,資料是計算機操作的物件。
⑴ 資訊儲存單位
程式和資料在計算機中以二進位制的形式存放於記憶體中。儲存容量的大小以位元組為單位來度量。經常使用KB(千位元組)、MB(兆位元組)、GB(千兆位元組)和TB來表示。它們之間的關係是:1KB=1024B=210B,1MB=1024KB=220B,1GB=1024MB=230B,1TB=1024G=240B,在某些計算中為了計算簡便經常把210(1024)預設為是1000。
位(bit):是計算機儲存資料的最小單位。機器字中一個單獨的符號「0」或「1」被稱為一個二進位制位,它可存放一位二進位制數。
位元組(Byte,簡稱B):位元組是計算機儲存容量的度量單位,也是資料處理的基本單位,8個二進位制位構成一個位元組。一個位元組的儲存空間稱為一個儲存單元。
字(Word):計算機處理資料時,一次存取、加工和傳遞的資料長度稱為字。一個字通常由若干個位元組組成。
字長(Word Long):中央處理器可以同時處理的資料的長度為字長。字長決定CPU的暫存器和匯流排的資料寬度。現代計算機的字長有8位元、16位元、32位元、64位元。
⑵ 記憶體的分類
根據記憶體與CPU聯絡的密切程度可分為記憶體儲器(主記憶體儲器)和外記憶體(輔助記憶體)兩大類。記憶體在計算機主機內,它直接與運算器、控制器交換資訊,容量雖小,但存取速度快,一般只存放那些正在執行的程式和待處理的資料。為了擴大記憶體儲器的容量,引入了外記憶體,外存作為記憶體儲器的延伸和後援,間接和CPU聯絡,用來存放一些系統必須使用,但又不急於使用的程式和資料,程式必須調入記憶體方可執行。外存存取速度慢,但儲存容量大,可以長時間地儲存大量資訊。
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