计算机概论九讲

计算机概论论文

[摘要]：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。文章从计

算机的组成入手，先介绍计算机的工作原理，基本硬件系统的主要组成部分和功能，依次介绍了中央处理器、存储系统和输入输出系统，通过了解这些结构后，我们知道，中央处理器CPU对整个计算机系统运行极为重要，而我们是通过输入/输出系统与计算机进行人机交互的。在介绍完硬件后，进而介绍计算机的软件系统，先是操作系统，它是最重要、最基本的软件，和计算机硬件系统两者是相辅相成，缺一不可的，通过操作系统能将硬件系统转化为有用的工具。有了操作系统，软件就能发挥它的功能了，软件是计算机的灵魂，硬件只是运行软件的平台,对软件的概念、开发和编写作了阐述。了解完软件的功能，最后我们介绍编写程序软件的语言，也是可以编写软件的程序语言，从机器语言发展到高级语言，使用越来越方便，容易接受，与此同时计算机软件的功能也越来越强大。

关键字：高级语言、CPU、汇编语言

1计算机的基本组成

计算机硬件系统是计算机系统中电子类。机械类和光电类器件组成的各种计算机部件和设备的总称，是看得见摸得着的一些实实在在的物体，是组成计算机的物理实体，是计算机完成各项工作的物质基础。计算机的性能，如计算速度，存储容量，计算精度，可靠性等，在很大程度上都取决于硬件的配置，而且，不同类型的计算机，其硬件组成是不一样的。计算机的软件系统是在计算机硬件设备上运行的各种程序，相关的文档和数据的总称，计算机硬件系统和计算机软件系统共同构成一个完整的系统。

1.1计算机的结构

计算机，顾名思义就是用来计算，计算机工作运行的过程就是就是计算机执行程序的过程。事先将设定好的程序代码存储于计算机存储器中，然后计算机按照设定的程序一步步执行，即计算机运行的简单描述。

现代计算机虽然在结构上有多种区别，但就其本质而言，多数都是基于冯·诺依曼提出的计算机体系结构理念。其基本结构，由计算机硬件有运算器、控制器、存储器。输入和输出设备5个基本功能部件组成，在计算中采用二进制，程序和数据都是采用二进制计算存储。在存储程序方面，均是以二进制的形式按照一定的顺序预先放到计算机的存储器中，计算机运行程序时，依次从存储器中逐条取出指令，执行一系列基本的操作，完成该指令规定的复杂运算。

1.2计算机的工作原理

计算机的基本原理是存储程序和程序控制。预先要把指挥计算机如何进行操作的指令序列和原始数据通过输入设备输送到计算机内存储器中。每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地址去等步骤。

计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令

的要求，从存储其中取出数据，进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制的智慧下完成规定操作。依此进行下去，直到停止指令。

程序与指令一样存储，按程序编排的顺序，一步一步的取出指令，自动的完成指令规定的操作只计算机最基本的工作原理。

1.3中央处理器

中央处理器（英文Central Processing Unit，CPU）是一台计算机的运算核心和控制核心。CPU、内部存储器和输入/输出设备是电子计算机三大核心部件。其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。CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。差不多所有的CPU的运作原理可分为四个阶段：提取（Fetch）、解码（Decode）、执行（Execute）和写回（Writeback）。 CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，并执行指令。所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。

CPU具有指令控制、操作控制、时序控制和数据处理四项功能。而评价CPU 性能的指标有很多，如主频、字长、外频、倍频、缓存大小、前段总线频率、指令集等等。

1.4存储系统

计算机的主存储器不能同时满足存取速度快、存储容量大和成本低的要求，在计算机中必须有速度由慢到快、容量由大到小的多级层次存储器，以最优的控制调度算法和合理的成本，构成具有性能可接受的存储系统。存储系统的性能在计算机中的地位日趋重要，主要原因是：①冯诺伊曼体系结构是建筑在存储程序概念的基础上，访存操作约占中央处理器（CPU）时间的70%左右。②存储管理与组织的好坏影响到整机效率。③现代的信息处理，如图像处理、数据库、知识库、语音识别、多媒体等对存储系统的要求很高。

1.5输入/输出系统

计算机输入输出系统(通称I/O系统)担负着计算机与外界交换信息的任务，早在冯.诺依曼时代就被作为计算机体系结构的一个重要组成部分。然而，许多年以来，I/O系统没有得到足够的重视，它只是被作为"外围"设备看待。计算机体系结构设计者们重视的是用户程序运行的CPU时间，而I/O系统在程序执行所花的时间无论是多是少，都作为一种额外的开销而被忽略了。

在计算机技术突飞猛进的今天，I/O系统的重要性正与日俱增，除了存储系统(Storage System)的重要性已经为人所知之外，随着计算机网络化和网络并行计算技术的发展，网络I/O的性能提高也正成为一个引人注目的研究焦点，在第十章将介绍这方面的研究，此外，一直为人们所忽视，并被看作"低速设备"的数据表示系统(data presentation)，也由于多媒体技术的兴起，而有了新的研究课题。

常用的输入/输出设备的信息交换方式有程序查询方式、程序中断方式、直接内存访问方式、通道方式和外围处理机方式。而常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、书写输入板、触摸屏、游戏杆、摄像头、数码相机和视频采集卡。对应的常用输出设备有显示器、打印机、绘图仪、投影仪等。

2操作系统

计算机系统由硬件系统和软件系统组成，软件必须依托和运行在硬件平台上，两者相辅相成，缺一不可。硬件是计算机的物理基础，软件是硬件和用户之间的接口，我们是通过软件使用计算机的，其中最重要的软件就是操作系统。

2.1什么是操作系统

操作系统（Operating System，简称OS）是一管理电脑硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石。操作系统是一个庞大的管理控制程序，大致包括5个方面的管理功能：进程与处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。以现代观点而言，标准个人电脑OS应提供以下功能：进程管理、记忆空间管理、文件系统、网络通讯、安全机制、使用者界面、驱动程序。目前微机上常见的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows、Netware 等。操作系统是控制其他程序运行，管理系统资源并为用户提供操作界面的系统软件的集合。操作系统身负诸如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源；控制程序运行；改善人机界面；为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。所有的操作系统具有并发性、共享性、虚拟性和不确定性四个基本特征。

2.2操作系统的组成部分

操作系统理论研究者有时把操作系统分成四大部分：

驱动程序：最底层的、直接控制和监视各类硬件的部分，它们的职责是隐藏硬件的具体细节，并向其他部分提供一个抽象的、通用的接口。

内核：操作系统之最内核部分，通常运行在最高特权级，负责提供基础性、结构性的功能。

接口库：是一系列特殊的程序库，它们职责在于把系统所提供的基本服务包装成应用程序所能够使用的编程接口（API），是最靠近应用程序的部分。例如，GNU C运行期库就属于此类，它把各种操作系统的内部编程接口包装成ANSI C 和POSIX编程接口的形式。

外围：所谓外围，是指操作系统中除以上三类以外的所有其他部分，通常是用于提供特定高级服务的部件。例如，在微内核结构中，大部分系统服务，以及UNIX/Linux中各种守护进程都通常被划归此列。

当然，上诉所提出的四部结构观也绝非放之四海皆准。例如，在早期的微软视窗操作系统中，各部分耦合程度很深，难以区分彼此。而在使用外核结构的操作系统中，则根本没有驱动程序的概念。

操作系统中四大部分的不同布局，也就形成了几种整体结构的分野。常见的结构包括：简单结构、层结构、微内核结构、垂直结构、和虚拟机结构。