1.3 計算機系統的組成與工作原理
1.3.1 馮·諾依曼計算機體系結構
設計思想有三點：
⑴ 採用二進位制數制。
⑵ 程式和資料都存放在儲存器中，將程式指令作為資料進行處理。
⑶ 為實現儲存程式的工作原理，計算機的硬體應由控制器、運算器、儲存器、輸入裝置和輸出裝置五個部分組成
1.3.2 計算機硬體系統
乙個計算機系統效能的高低在很大程度上取決於硬體的效能配置。根據馮·諾依曼提出的計算機設計思想，計算機的硬體結構主要由五部分構成。
1．控制器
控制器（control unit，cu）是計算機系統的神經中樞和指揮中心，用於控制、指揮計算機系統的各個部分協調工作。其基本功能是從記憶體中取出指令，對指令進行分析，然後根據該指令的功能向有關部件發出控制命令，以完成該指令所規定的任務。
控制器主要由程式計數器、指令暫存器、指令解碼器、操作控制電路和時序控制電路等組成，它們的主要功能是：
⑴ 程式計數器（programe counter，pc）：用來對程式中的指令進行計數，使控制器能夠按照一定的順序依次讀取指令。
⑵ 指令暫存器（injunction register，ir）：儲存從記憶體中讀取出來的指令。
⑶ 指令解碼器（injunction encoder，ie）：用於識別、分析指令的功能，確定指令的操作要求。
⑷ 操作控制電路：根據指令解碼，產生各種控制操作命令。
⑸ 時序控制電路：生成脈衝時序訊號，以協調、控制計算機各部件的工作。
2．運算器
運算器（arithmetic and logic unit，alu）又稱算術邏輯單元，是對資訊進行加工處理的部件，主要由算術邏輯運算器、累加器、暫存器等組成。運算器的功能是在控制器的控制下，對取自記憶體或者暫存器的二進位制資料進行各種加工處理，包括加、減、乘、除等算術運算和與、或、非、比較等邏輯運算後，再將運算結果暫存在暫存器或送到記憶體中儲存。控制器和運算器組成**處理單元 cpu（central processing unit）。
3．儲存器
儲存器（memory）是具有記憶能力的電子裝置或機電裝置。使用時，可以從儲存器中取出資料並且不影響原有資料，這種操作稱為讀出操作；也可以將資料儲存到儲存器中而替換原有內容，此種操作稱為寫入操作。根據作用和功能的不同，儲存器通常分為記憶體儲器和外儲存器兩大類。
(1) 記憶體儲器
記憶體儲器又稱主儲存器（main memory），其主要功能是存放 cpu 要執行的程式、要處理的原始資料、處理後的中間結果和最終結果。記憶體儲器的特點是工作速度快、容量較小、**較高。根據資訊儲存和工作特點的不同，記憶體儲器又分為三類：
① 唯讀儲存器（read only memory，rom）
rom 中的資料在製作時或者安裝前已經寫入並固定在裡面，只能讀出，一般不能改變（寫入），斷電也不會丟失。通常用於存放不需要經常改變的程式或資料。
② 隨機訪問儲存器（random access memory，ram）
ram 中的資料可以根據需要隨意地寫入或讀出，但只要一斷電，其中儲存的所有資料就會丟失，主要用於存放要執行的程式和需要加工處理的資料。馮·諾依曼體系結構計算機的重要設計思想之一就是程式和資料都必須存放到記憶體儲器中才能被 cpu 執行和加工處理。
③ 高速緩衝儲存器（cache）
cache 是介於 cpu 和記憶體之間的一種可以高速訪問資訊的儲存器晶元，是 cpu 和記憶體之間交換資訊的橋梁，用於解決 cpu 和記憶體之間工作速度的衝突問題，以提高整個系統的工作效率。
cpu 和記憶體儲器構成計算機的主機。
(2) 外儲存器
外儲存器又稱輔助儲存器（auxiliary memory），是記憶體儲器的補充和後援，主要用於存放計算機當前不處理的程式和大量的資料。儲存在外儲存器中的程式和資料只在需要時，才會調入到記憶體中。外儲存器不與計算機系統的其它部件直接交換資料，只和記憶體交換資料，並且不是按單個資料進行訪問，而是成批地進行資料交換。外儲存器容量大，儲存的程式和資料在斷電後也不會丟失，彌補了記憶體儲器 ram 的容量小，斷電會丟失資料的缺陷。常用的外儲存器主要有軟／硬磁碟、光碟、磁帶、快閃儲存器盤等。外儲存器的特點是容量很大，資訊可長期儲存，但資料的讀／寫速度較慢。
4．輸入裝置
5．輸出裝置
1.3.3 計算機軟體系統
計算機的硬體系統（裸機）只有與軟體系統密切配合，才能夠正常工作和使用。計算機軟體指的是操作、執行、管理、維護計算機所需的各種應用程式及其相關的資料和技術文件資料。其作用是為方便使用者使用計算機，充分而有效地發揮計算機的功能。
計算機軟體系統內容豐富，通常將軟體分為兩大類：系統軟體和應用軟體。
1．系統軟體
系統軟體（system software）指的是管理、監控、維護計算機的軟、硬體資源，使計算機系統能夠高效率工作的一組程式及文件資料。它由計算機軟體生產廠商研製提供，主要包括作業系統、各種語言處理系統、資料庫管理系統、服務性程式等。
(1) 作業系統
作業系統（operating system，os）是管理、控制計算機系統的所有軟、硬體資源，提供使用者與計算機交流資訊的介面，方便使用者操作、使用計算機系統的各種資源和功能，以最大限度地發揮計算機的作用和效能的一組龐大的管理控制程式。
對於功能比較完善的作業系統，通常包括四個方面的管理功能：處理器管理、儲存管理、裝置管理和檔案管理。
(2) 語言處理系統（程式語言）
語言處理系統（通常稱為程式語言）就是人與計算機交流資訊的語言工具，提供了讓使用者按自己的需要編制程式的功能。計算機語言通常分為三大類：
① 機器語言
機器語言（machine language）是計算機系統能夠識別，能直接接收並執行的程式語言。機器語言中的每一條語句就是一條由若干位二進位制數構成的指令**或資料**。機器語言的二進位制指令**（稱為計算機指令系統）隨著 cpu 型號的不同而不同（同系列的 cpu 一般向後相容），因此機器語言程式在不同的計算機系統之間不能通用，故將其稱之為面向機器的語言。
用機器語言編寫的程式可讀性極差，非常難於理解、記憶，出現錯誤很難檢查。但機器語言編寫的程式占用記憶體少、執行速度快、效率高。因為計算機只能識別二進位制數，所以用任何其他語言編寫的程式和表示的資料都必須轉換成機器語言才能被計算機接收並執行。
② 組合語言
組合語言（assembly language）也是一種面向機器的程式語言，是一種把機器語言符號化的語言。它採用一些有意義的縮寫字母及符號（稱為助記符）來表示機器語言中的指令和資料。例如，用 add 表示加法，ld(load)表示取資料，mov 表示傳送資料，xxh表示兩位十六進製制的資料等。
組合語言既提高了編寫程式的速度，檢查和修改程式也很方便。一條彙編語句相當於若干條機器指令，所以使用組合語言編寫的程式要比機器語言編寫的程式簡潔得多。因為組合語言的語句和機器指令有對應關係，從而保留了機器語言的優點—執行速度快，所以組合語言目前仍在使用，主要用於實時控制等對響應速度有極高要求的場合。組合語言也是面向機器的語言，不能在不同的計算機系統間通用。用組合語言編寫的程式（源程式）不能被計算機直接識別、接收和執行，需要用匯程式設計序將其翻譯成機器指令（目標程式）才能執行。匯程式設計序是一種語言處理程式，其翻譯的過程稱為彙編過程。
③ 高階語言
用高階語言編寫的程式（源程式）同樣不能被計算機直接識別、接收和執行，需要用翻譯程式將其翻譯成機器指令程式（目標程式）才能執行。根據翻譯方式的不同，可分為兩類：
「編譯」方式和「解釋」方式。
編譯方式是用編譯程式將源程式完整地翻譯成等價的目標程式後，再執行該目標程式。對源程式進行編譯的過程比較長，程式的除錯修改也比較麻煩，但編譯後得到的目標程式執行速度快，執行效率高。
解釋方式是用解釋程式將源程式逐句進行翻譯，翻譯一句執行一句，邊翻譯邊執行，不產生目標程式。解釋執行方式的執行速度慢，效率低，但提供了人—機會話方式，易於除錯修改程式。
(3) 資料庫管理系統
資料庫管理系統（database management system）向使用者提供按照一定的結構組織、管理、加工、處理各類資料的能力，如 dbase、foxbase、foxpor、access、oracle、sql server、db2 等。
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