電腦的基本組成及工作原理

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電腦的基本組成及工作原理

1.3.1 電腦系統的組成

電腦系統是由硬體系統和軟體系統兩大部分組成，這一節將分別介紹電腦硬體系統和軟體系統。

電腦硬體是構成電腦系統各功能組件的集合。是由電子、機械和光電元件組成的各種電腦組件和裝置的總稱，是電腦完成各項工作的物質基礎。電腦硬體是看得見、摸得著的，實實在在存在的物理實體。

電腦軟體是指與電腦系統操作有關的各種程式以及任何與之相關的文檔和資料的集合。其中程式是用程式設計語言描述的適合電腦執行的語句指令序列。

沒有安裝任何軟體的電腦通常稱為“裸機”，裸機是無法工作的。如果電腦硬體脫離了電腦軟體，那麼它就成為了一台無用的機器。如果電腦軟體脫離了電腦的硬體就失去了它啟動並執行物質基礎；所以說二者相互依存，缺一不可，共同構成一個完整的電腦系統。

電腦系統的基本組成1-6 所示。

圖1-6 電腦系統的基本組成

1.3.2 電腦硬體系統的基本組成及工作原理

現代電腦是一個自動化的資訊處理裝置，它之所以能實現自動化資訊處理，是由於採用了“儲存程式”工作原理。這一原理是1946年由馮 · 諾依曼和他的同事們在一篇題為《關於電子電腦邏輯設計的初步討論》的論文中提出並論證的。這一原理確立了現代電腦的基本組成和工作方式。

⑴ 電腦硬體由五個基本部分組成：運算器、控制器、儲存空間、輸入裝置和輸出裝置。

⑵ 電腦內部採用二進位來表示程式和資料。

⑶ 採用“儲存程式”的方式，將程式和資料放入同一個儲存空間中（記憶體儲器），電腦能夠自動高速地從儲存空間中取出指令加以執行。

可以說電腦硬體的五大組件中每一個組件都有相對獨立的功能，分別完成各自不同的工作。1-7所示，五大組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未經處理資料，在控制器輸入命令的控制下，通過輸入裝置送入電腦的儲存空間儲存。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。控制器對指令進行解碼，並根據指令的操作要求向儲存空間和運算器發出儲存、取數命令和運算命令，經過運算器計算並把結果存放在儲存空間內。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）

運算器也稱為算數邏輯單位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。在電腦中，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）是電腦的指揮系統，控制器一般由指令寄存器、指令解碼器、時序電路和控制電路組成。它的準系統是從記憶體取指令和執行指令。指令是指示電腦如何工作的一步操作，由作業碼（操作方法）及運算元（操作對象）兩部分組成。控制器通過地址訪問儲存空間、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組件來完成指令要求的工作。上述工作周而復始，保證了電腦能自動連續地工作。

通常將運算器和控制器統稱為中央處理器，即CPU（Central Processing Unit）,它是整個電腦的核心組件，是電腦的“大腦”。它控制了電腦的運算、處理、輸入和輸出等工作。

整合電路技術是製造微型機、小型機、大型主機和巨型機的CPU的基本技術。它的發展使電腦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：晶片上的晶體管數量每隔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年第一代整合電路僅僅包含兩個晶體管，而1997年，奔騰II處理器則包含了750萬個晶體管，2000年的Pentium 4 已達到了0.13微米技術，整合了4200萬個晶體管 。CPU整合的晶體管數量越大，就意味著更強的晶片計算能力。

３．儲存空間（Memory）

儲存空間是電腦的記憶裝置，它的主要功能是存放程式和資料。程式是電腦操作的依據，資料是電腦操作的對象。

⑴ 資訊儲存單位

程式和資料在電腦中以二進位的形式存放於儲存空間中。儲存容量的大小以位元組為單位來度量。經常使用KB（KB）、MB（MB）、GB（千MB）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）：是電腦儲存資料的最小單位。機器字中一個單獨的符號“0”或“1”被稱為一個二進位位，它可存放一位位元。

位元組（Byte，簡稱B）：位元組是電腦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）：電腦處理資料時，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的寄存器和匯流排的資料寬度。現代電腦的字長有8位、16位、32位、64位。

⑵ 儲存空間的分類

根據儲存空間與CPU聯絡的密切程度可分為記憶體儲器（主儲存空間）和外儲存空間（輔助儲存空間）兩大類。記憶體在電腦主機內，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啟動並執行程式和待處理的資料。為了擴大記憶體儲器的容量，引入了外儲存空間，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。CPU與內、外存之間的關係1-8所示。

現代電腦系統中廣泛應用半導體儲存空間，從使用功能角度看，半導體儲存空間可以分成兩大類：斷電後資料會丟失的易失性（Volatile）儲存空間和斷電後資料不會丟失的非易失性（Non-volatile）儲存空間。微電腦中的RAM屬於可隨機讀寫的易失性儲存空間，而ROM屬於非易失性（Non-volatile）儲存空間

⑶ 儲存空間工作原理

為了更好地存放程式和資料，儲存空間通常被分為許多等長的儲存單元，每個單元可以存放一個適當單位的資訊。全部儲存單元按一定順序編號，這個編號被稱為儲存單元的地址，簡稱地址。儲存單元與地址的關係是一一對應的。應注意儲存單元的地址和它裡面存放的內容完全是兩回事。

對儲存空間的操作通常稱為訪問儲存空間，訪問儲存空間的方法有兩種，一種是選定地址後向儲存單元存入資料，被稱為“寫”；另一種是從選定的儲存單元中取出資料，被稱為“讀”。可見，不論是讀還是寫，都必須先給出儲存單元的地址。來自地址匯流排的儲存空間地址由地址解碼器解碼（轉換）後，找到相應的儲存單元，由讀／寫控制電路根據相應的讀、寫命令來確定對儲存空間的訪問方式，完成讀寫操作。資料匯流排則用於傳送寫入記憶體或從記憶體取出的資訊。主儲存空間的結構框圖1-8所示。

4. 輸入裝置

輸入裝置是從電腦外部向電腦內部傳送資訊的裝置。其功能是將資料、程式及其他資訊，從人們熟悉的形式轉換為電腦能夠識別和處理的形式輸入到電腦內部。

常用的輸入裝置有鍵盤、滑鼠、光筆、掃描器、數字化儀、條碼閱讀器等。

5. 輸出裝置

輸出裝置是將電腦的處理結果傳送到電腦外部供電腦使用者使用的裝置。其功能是將電腦內部二進位形式的資料資訊轉換成人們所需要的或其他裝置能接受和識別的資訊形式。常用的輸出裝置有顯示器、印表機、繪圖器等。

通常我們將輸入裝置和輸出裝置統稱為I/O裝置（Input/Output）。它們都屬於電腦的外部裝置。

1.3.3 電腦軟體系統

一個完整的電腦系統是由硬體和軟體兩部分組成的。硬體是組成電腦的物理實體。但僅有硬體電腦還不能工作，要使電腦解決各種問題，必須有軟體的支援，軟體是介於使用者和硬體系統之間的介面。

“軟體”一詞 20世紀60年代初傳入我國。國際標準組織（ISO）將軟體定義程式為：電子電腦程式及運用資料處理系統所必需的手續、規則和檔案的總稱。對此定義，一種公認的解釋是：軟體由程式和文檔兩部分組成。程式由電腦最基本的指令組成，是電腦可以識別和執行的操作步驟；文檔是指用自然語言或者形式化語言所編寫的用來描述程式的內容、組成、功能規格、開發情況、測試結構和使用方法的文字資料和圖表。程式是具有目的性和可執行性的，文檔則是對程式的解釋和說明。

程式是軟體的主體。軟體按其功能劃分，可分為系統軟體和應用軟體兩大類型。

1. 1.系統軟體（System Software）

系統軟體一般是指控制和協調電腦及外部裝置,支援應用軟體開發和啟動並執行系統，是無需使用者幹預的各種程式的集合，主要功能是調度，監控和維護電腦系統；負責管理電腦系統中各種獨立的硬體，使得它們可以協調工作。系統軟體使得電腦使用者和其他軟體將電腦當作一個整體而不需要顧及到底層每個硬體是如何工作的。

常見的系統軟體主要指作業系統，當然也包括語言處理常式（彙編和編譯器等）、服務性程式（支撐軟體）和資料庫管理系統等。

⑴ 作業系統OS（Operating System）

作業系統是系統軟體的核心。為了使電腦系統的所有資源（包括硬體和軟體）協調一致、有條不紊地工作，就必須用一個軟體來進行統一管理和統一調度，這種軟體稱為作業系統。它的功能就是管理電腦系統的全部硬體資源、軟體資源及資料資源，從圖1-10可以看出，作業系統是最基本的系統軟體，其他的所有軟體都是建立在作業系統的基礎之上的。作業系統是使用者與電腦硬體之間的介面，沒有作業系統作為中介，使用者對電腦的操作和使用將變得非常難且低效。作業系統能夠合理地組織電腦整個工作流程，最大限度地提高資源使用率。作業系統在為使用者提供一個方便、友善、使用靈活的服務介面的同時，也提供了其他軟體開發，啟動並執行平台。它具備五個方面的功能，即CPU管理，作業管理，儲存空間管理，裝置管理及檔案管理。作業系統是每一台電腦必不可少的軟體，現在具有一定規模的現代電腦甚至具備幾個不同的作業系統。作業系統的效能在很大程度上決定了電腦系統工作的優劣。微電腦常用的作業系統有DOS（Disk Operating System）、Unix、Xenix、Linux、Windows98/2000、NetWare、WindowsNT、WindowsXP等。

⑵ 語言處理常式

在介紹語言處理常式之前，很有必要先介紹一下電腦程式設計語言的發展。

軟體是指電腦系統中的各種程式，而程式是用電腦語言來描述的指令序列。電腦語言是人與電腦交流的一種工具，這種交流被稱為電腦程式設計。程式設計語言按其發展演變過程可分為三種：機器語言、組合語言和進階語言，前二者統稱為低級語言。

機器語言（Machine Language）是直接由機器指令（二進位）構成的，因此由它編寫的電腦程式不需要翻譯就可直接被電腦系統識別並運行。這種由二進位代碼指令編寫的程式最大的優點是執行速度快、效率高，同時也存在著嚴重的缺點：機器語言很難掌握，編程繁瑣、可讀性差、易出錯，並且依賴於具體的機器，通用性差。

組合語言（Assemble Language）採用一定的助記符號表示機器語言中的指令和資料，是符號化了的機器語言，也稱作“符號語言”。組合語言程式指令的作業碼和運算元全都用符號表示，大大方便了記憶，但用助記符號表示的組合語言，它與機器語言歸根到底是一一對應的關係，都依賴於具體的電腦，因此都是低級語言。同樣具備機器語言的缺點，如：缺乏通用性、繁瑣、易出錯等），只是程度上不同罷了。用這種語言編寫的程式（組譯工具）不能在電腦上直接運行，必須首先被一種稱之為組譯工具的系統程式“翻譯”成機器語言程式，才能由電腦執行。任何一種電腦都配有只適用於自己的組譯工具（Assembler）。

進階語言又稱為演算法語言，它與機器無關，是近似於人類自然語言或數學公式的電腦語言。進階語言克服了低級語言的諸多缺點，它易學易用、可讀性好、表達能力強（語句用較為接近自然語言的英文字來表示）、通用性好（用進階語言編寫的程式能使用在不同的電腦系統上）。但是，對於進階語言編寫的程式仍不能被電腦直接識別和執行，它也必須經過某種轉換才能執行。

進階語言種類很多，功能很強，常用的進階語言有：其中面向過程的有Basic、用於科學計算的Fortran、支援結構化程式設計的Pascal、用於商務處理的COBOL和支援現代軟體開發的C語言 ；現在又出現了物件導向的VB（Visual Basic）、VC++(Visual C++)、Delphi、Java等語言使得電腦語言解決實際問題的能力得到了很大的提高。

Ø Ø Fortran 語言在1954年提出，1956年實現的。適用於科學和工程計算，它已經具有相當完善的工程設計計算程式庫和工程應用軟體。

Ø Ø Pascal 語言是結構化程式設計語言，適用於教學、科學計算、資料處理和系統軟體開發等，目前逐漸被C語言所取代。

Ø Ø C語言是美國Bell實驗室開發成功的，是一種具有很高靈活性的進階語言。它語言程式簡潔，功能強，適用於系統軟體、資料計算、資料處理等，成為目前使用得最多的程式設計語言之一。

Ø Ø Visual Basic是在Basic語言的基礎上發展起來的物件導向的程式設計語言的，它既保留了Basic語言簡單易學的特點，同時又具有很強的可視化介面設計功能，能夠迅速地開發Windows應用程式，是重要的多媒體編程工具語言。

Ø Ø C++是一種物件導向的語言。物件導向的技術在系統程式設計、資料庫及多媒體應用等諸多領域得到廣泛應用。專家們預測，物件導向的程式設計思想將會主導今後程式設計語言的發展。

Ø Ø Java是一種新型的跨平台分布式和程式設計語言。Java以它簡單、安全、可移植、物件導向、多執行緒和具有動態等特性引起世界範圍的廣泛關注。Java語言是基於C++的，其最大的特色在於“一次編寫，處處運行”。Java已逐漸成為網路化軟體的核心語言。

語言處理常式的功能是將除機器語言以外，利用其他電腦語言編寫的程式，轉換成機器所能直接識別並執行的機器語言程式的程式。可以分為三種類型，即組譯工具、編譯器和解釋程式。通常將組合語言及各種進階語言編寫的電腦程式稱為來源程式（Source Program），而把由來源程式經過翻譯（彙編或者編譯）而產生的機器指令程式稱為目標程式 (Object Program)。語言處理常式中的組譯工具與編譯器具有一個共同的特點，即必鬚生成的目標程式，然後通過執行目標程式得到最終結果。而解釋程式是對來源程式進行解釋（逐句翻譯），翻譯一句執行一句，邊解釋邊執行，從而得到最終結果。解釋程式不產生將被執行的目標程式，而是藉助解釋程式直接執行來源程式本身。

應該注意的是，除機器語言外，每一種電腦語言都應具備一種與之對應的語言處理常式。

⑶ 服務性程式（支撐軟體）是指為了協助使用者使用與維護電腦，提供服務性手段，支援其他軟體開發而編製的一類程式。此類程式內容廣泛，主要有以下幾種：

Ø Ø 工具軟體：工具軟體主要是協助使用者使用電腦和開發軟體的軟體工具，如美國Central Point Software公司推出的PC tools。

Ø Ø 編輯程式：編輯程式能夠為使用者提供一個良好的書寫環境。如EDLIN、EDIT、寫字板等。

Ø Ø 偵錯工具：偵錯工具用來檢查電腦程式有哪些錯誤，以及錯誤位置，以便於修正，如DEBUG。

Ø Ø 診斷程式：診斷程式主要用於對電腦系統硬體的檢測和維護。能對CPU、記憶體、軟硬磁碟機、顯示器、鍵盤及I/O介面的效能和故障進行檢測。

⑷ 資料庫管理系統。

資料庫技術是電腦技術中發展最快、用途廣泛一個分支，可以說，在今後的各項電腦應用開發中都離不開資料庫技術。資料庫管理系統是對電腦中所存放的大量資料進行組織、管理、查詢有效提供一定處理功能的大型系統軟體。主要分為兩類，一類是基於微電腦的小型資料庫管理系統，如FoxBase和Foxpro；另一類是大型資料庫管理系統。

2. 2.應用軟體

應用軟體是指在電腦各個應用領域中，為解決各類實際問題而編製的程式，它用來協助人們完成在特定領域中的各種工作。應用軟體主要包括：為解決各類實際問題而編製的程式，它用來幫肋人們完成在特定領域中的各種工作。應用軟體主要包括：

⑴ 文文書處理程式：文文書處理程式用來進行文字錄入、編輯、排版、列印輸出的程式，如Microsoft Word、Wps2000等。

⑵ 表格處理軟體：試算表處理常式用來對試算表進行電腦、加工、列印輸出的程式，如Lotus、Excel等。

⑶ 輔助設計軟體：軟體開發程式是為使用者進行各種應用程式的設計而提供的程式或軟體包。常用的有AutoCAD、Photoshop、3D Studio MAX等。另外，上述的各種語言及語言處理常式也為使用者提供了應用程式設計的工具，也可視為軟體開發程式。

⑷ 即時控制軟體：在現代化工廠裡，電腦普遍用於生產過程的自動控制，稱為“即時控制”。例如，在化工廠中，用電腦控制配料、溫度、閥門的開閉；在鍊鋼車間，用電腦控制加料、爐溫、冶煉時間等；在發電廠，用電腦控制發電機組等。這類控制對電腦的可靠性要求很高，否則會生產出不合格產品，或造成重大事故。目前，PC機上較流行的軟體有FIX、InTouch、Lookout等。

⑸ 使用者應用程式；使用者應用程式是指使用者根據某一具體任務，使用上述各種語言、軟體開發程式而設計的程式。如人事檔案管理程式、電腦輔助教學軟體、各種遊戲程式等。

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