1.3 计算机工作原理与系统组成
1.3.1 计算机工作原理
一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成的，且是按照存储程序的方式工作的。
指令：指示计算机执行某种操作的指令，由一串二进制数码组成，包括操作码和地址码（操作数）两部分。操作码规定了操作的类型，地址码规定了操作对象存放的地址即操作结果存放的地址。
指令系统：一台计算机所有指令的集合称为计算机指令系统。计算机的系统不同，指令系统也不同。常见的有复杂指令系统（CISC）和精简指令系统（RISC）。
存储程序工作原理：由冯·诺依曼提出，基本思想是存储程序和程序控制，是目前仍在广泛使用的计算机工作原理。存储程序是指事先把计算机的执行步骤序列（程序）及运行所需的数据通过一定的方式输入并存储在存储器中；程序控制是指计算机在运行时能逐一取出程序中的一条条指令，加以分析并执行。按照这个工作原理，在计算机的运行中，实际上有两种信息在流动，一种是数据流，另一种是控制信号。
计算机的工作过程是在控制器的控制下按照取出指令、分析指令、执行指令逐一执行的过程。
1.3.2 计算机的硬件系统
硬件指的是计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种计算机部件和计算机设备。这些部件和设备依据计算机系统结构的要求，构成一个有机整体，称为计算机硬件系统。未配置任何软件的计算机称为裸机，它是计算机完成工作的物质基础。
美籍匈牙利数学家冯·诺依曼1964年提出存储程序原理，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储存，冯·诺依曼和同事们设计出了一个完整的现代计算机雏形，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。冯·诺依曼提出的存储程序工作原理决定了计算机硬件系统的五个基本组成部分。
图 1-7 计算机硬件系统的五个基本组成部分
中央处理器（CPU）
中央处理器是将运算器、控制器、高速内部缓存集成在一起的超大规模集成电路芯片，是计算机中最重要的核心部件。它的工作速度和计算精度等性能对计算机的整体性能有决定性的影响。
运算器
运算器负责对信息进行加工和运算，它的速度决定了计算机的运算速度。参加运算的操作数由控制器指示从存储器或寄存器中取出到运算器。
控制器
控制器是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。
图1-8 Intel公司生产的CPU 图1-9 AMD公司生产的CPU
存储器
存储器是具有记忆功能的设备，由具有两种稳定状态的物理器件（也称为记忆元件）来存储信息。存储器分为两大类，内存储器和外存储器，简称内存和外存，主要特点如表1-5所示。内存储器又称为主存储器，外存储器又称为辅助存储器。计算机中的内存一般是指随机存储器（RAM）。
表1-5 存储器的分类和特点
| 内存储器（CPU可以直接访问的存储器，程序运行所需要的全部数据必须调入内存。相对于外存储器，它的价格较贵，存取数据速度快） | RAM | 随机存储器，断电后其中的数据全部丢失。微机中的内存一般指RAM。 |
| ROM | 只读存储器，其中的数据是一次性写入的，只能读取不能改写，断电后也不丢失。如BIOS等。 |
| Cache | 高速缓冲存储器，为了协调CPU和RAM的速度差异而引入。 |
| 外存储器（主机的外部设备，用于数据的长期存储，不能和CPU直接交换数据） | CPU不能直接访问外存，其数据必须调入内存后才能被CPU处理；断电后，数据也不丢失；存储数据速度比内存储器慢，但容量比内存储器大很多，用于数据的永久保存。包括磁盘（硬盘、软盘）、光盘（CD-ROM、DVD等）、U盘和SD卡、MMC卡等。 |
各类存储器读写速度比较：CPU > Cache > RAM > 硬盘 > 光盘 > 软盘。
输入设备
将原始数据、程序等用户能够识别的信息通过输入接口输入并变换为计算机能识别的和处理的二进制代码。常用的输入设备有鼠标、键盘、扫描仪、数字化仪、数码相机、条码阅读器和A/D转换器等。
输出设备
它的功能是将计算机处理的数据、计算结果等内部二进制代码信息，转换成用户能识别和处理的信息形式（如字符、图形、声音等）。常见的输出设备有显示器、打印机、印象、绘图仪等。
输入设备和输出设备又称为外部设备。
从数据输入、输出的角度来说，磁盘驱动器和磁带机既是输入设备，又是输出设备。
1.3.3 计算机的软件系统
软件是指计算机运行所需的程序、数据和有关文档的总和。计算机软件系统分为系统软件和应用软件两大类。
系统软件
系统软件是计算机系统中最靠近硬件的部分，主要包括操作系统、语言处理程序、数据库管理系统、系统支撑和服务程序。
操作系统（OS）
用户和计算机硬件系统之间的接口，是直接运行在裸机上的最基本的系统软件，是系统软件的核心，主要用来控制和管理计算机的所有软、硬件资源。
语言处理程序
用各种程序设计语言编写的源程序，要翻译成机器语言才能运行，负责翻译的程序称为语言处理程序，包括汇编程序、编译和解释程序。
数据库关系系统（DBMS）
Foxbase+、Access、Oracle、DB2、Sybase、SQL server等都是常用的关系型数据库管理系统。
系统支撑和服务程序
又称工具软件，如系统诊断程序、调试程序、排错程序、编辑程序、查杀病毒程序等。
应用软件
为解决各类应用问题而编写的软件称为应用软件，如学籍管理系统、医院管理系统、财务管理系统、Microsoft Office、WPS、Adobe PhotoShop等。
图1-10 计算机系统的体系结构
