计算机系统组成与操作系统功能简介

2023-11-26 理论教育版权反馈

【摘要】：计算机操作系统操作系统由一系列程序组成，其主要任务是控制中央处理器处理数据的时间分配，驱动并管理各个标准和非标准设备，管理内外存储器，管理磁盘文件，控制和管理计算机操作的全过程。苹果操作系统苹果操作系统即Mac OS X，是广泛应用于苹果系列计算机、平板电脑和手机的操作系统。

计算机系统是由硬件系统和软件系统构成的，其中硬件是计算机的基础，软件是计算机的灵魂，用户需要计算机进行的工作的命令，都是由软件下达的。

1.2.1 计算机的系统组成

1.软件系统和硬件系统

计算机系统的基本组成（图1-4）包括软件和硬件两大部分，计算机软件系统由系统软件和应用软件组成；计算机硬件系统由中央处理器、存储器、输入设备和输出设备四部分组成。

图1-4 计算机系统基本组成

2.计算机的工作原理

计算机是根据用户的命令来工作的，用户的命令一般通过程序来下达，因此，需要掌握指令、程序和软件的概念。

（1）指令：用来指挥硬件动作的基本命令，是包含了操作码和操作数的一串二进制编码。操作码用于表示操作的类型（加、减、乘、除、移位等），操作数用来表示操作对象的内容或地址等。

（2）程序：为解决某个问题的一系列有序的指令集合。计算机会按照程序的指示进行运算或存储结果。

（3）软件：程序及其相应的文档说明。文档包括程序的文字说明和图表等，可以对程序的修改和维护提供支持。

单纯的计算机硬件也称为裸机，需要软件的合作才能发挥计算机的功能。近年来，计算机软件和硬件都在快速发展，正是有了硬件能力的提高，软件才能有相应的版本更新和功能提升。而某些原来由硬件负责的工作，也可由软件来完成了。例如早期播放CD光盘时的解压缩功能，是由硬件的解压缩卡负责的，在CPU上升为“奔腾”（Pentium）以后，就由软件来承担了。所以，软硬件的功能是相辅相成的，有时可以是互补的。

1.2.2 计算机的软件系统

计算机系统中的各种软、硬件在功能上可以相互补充，共同合作，完成各项计算任务。软件系统由程序系统及其有关的说明文档组成，可分为系统软件和应用软件两大类，其分类情况参见图1-5。

图1-5 计算机系统的软件分类

1.系统软件

系统软件是用来控制和管理计算机软、硬件资源，并支持计算机工作和服务的一系列软件。主要有计算机操作系统、语言处理程序和系统维护工具三类。

（1）计算机操作系统

操作系统由一系列程序组成，其主要任务是控制中央处理器处理数据的时间分配，驱动并管理各个标准和非标准设备，管理内外存储器，管理磁盘文件，控制和管理计算机操作的全过程。

操作系统的主要功能：

①提供人、机交互的操作界面；

②作为应用软件运行的基础，各种应用软件都是在操作系统的基础上运行的；

③控制计算机中各种软硬件，使其能够协调工作。

操作系统的分类：

①按用户分类：可分为单用户（如DOS）、多用户（如Unix）、网络（如Windows 2000、Linux）；

②按任务分类：可分为单任务（如DOS）、多任务（如Windows）；

③按界面分类：可分为命令行提示符界面（如DOS，参见图1-6）和窗口图形界面（如Windows）；

图1-6 命令行提示符界面

④按计算机形态分类：可分为大中型计算机版本、台式计算机版本、笔记本式计算机版本、平板电脑版本和智能手机版本。

目前微型计算机中最常用的仍是Windows操作系统，苹果公司的个人计算机和手机上安装的是苹果操作系统，平板电脑和智能手机则大量使用的是安卓操作系统，这些操作系统互不相同，所支持的软件也各不相同。

（2）语言处理程序

语言处理程序可以分为：机器语言、汇编语言、高级语言三类。

①机器语言：使用二进制数编写，优点是能直接为计算机CPU（中央处理单元）所执行，运行速度快；缺点是可读性差（对人来说，含义不明显），而且与CPU的型号挂钩，通用性差。

②汇编语言：用助记符表达机器指令，与机器语言一一对应，必须经过编译和连接，转化为目标程序后才能为CPU所识别。

其特点是运行速度较快，适用于对运行速度有较高要求的实时控制程序，用助记符表示加法操作，遵守一定的语法规则，较直观和容易理解；但需要通过编译，最终变成能为CPU所执行的代码。

举例：让计算机执行“常数3与A寄存器的内容相加，并将结果保存在A中”的汇编语言如下，其中ADD为操作码（助记符），A，#3为操作数。

ADD A，#3(www.chuimin.cn)

③高级语言：高级语言是一种接近人们日常生活用语的程序设计语言，与机器语言没有一一对应的关系，必须经过解释，或者编译和连接，转化为目标程序后才能被CPU执行。

其特点是接近日常生活中的语言表达方法，遵守一定的语法规则，直观、容易理解。常用高级语言有许多，例如：BASIC及其变种、C、FORTRAN、PASCAL、JAVA等。

举例：将数据20存储到A变量中。

A＝20

（3）系统维护工具软件

系统维护工具软件是用于保证计算机正常运转的工具软件，一般包括设备安装程序、设备诊断程序和软件维护程序等。

设备安装程序指各种设备的驱动程序，设备诊断程序指各种监测硬件设备故障的程序，软件维护程序指格式化磁盘、磁盘整理、监测和清除病毒、防火墙软件等。

2.常用操作系统

目前常用的操作系统有Windows操作系统、苹果操作系统和安卓操作系统等， Windows操作系统将在第2章中专门介绍，在此对苹果操作系统和安卓操作系统作一简单介绍。

（1）苹果操作系统

苹果操作系统即Mac OS X，是广泛应用于苹果系列计算机、平板电脑和手机的操作系统。Mac OS X基于著名的UNIX系统，设计简单直观，安全易用。随着苹果公司的众多产品的推出并获得市场成功，苹果操作系统也为更多的用户熟悉。

苹果操作系统与Windows相比，具有如下特点：

①仅仅高度兼容Mac软件，不支持其他软件，所以Windows上的Word、Excel等软件都不能在苹果机上使用；

②与Windows不同，没有快捷菜单，只有Home（返回）键；

③更多地使用了触摸屏技术。

（2）安卓操作系统

安卓（Android）操作系统是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统，主要用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由Google公司和开放手机联盟领导开发。第一部Android智能手机发布于2008年10月。Android逐渐扩展到平板电脑及其他领域上，如电视、数码相机、游戏机等。2011年第一季度，Android在全球的市场份额首次超过塞班系统，跃居全球第一。2012年11月数据显示，Android占据全球智能手机操作系统市场76％的份额，中国市场占有率为90％。2013年9月24日谷歌开发的操作系统Android 5岁生日时，全世界采用这款系统的设备数量已经达到10亿台。

安卓系统的最大特点和优势就是其开放性，安卓开发的平台允许任何移动终端厂商加入到Android联盟中来。显著的开放性可以使其拥有更多的开发者和丰富的硬件，随着应用的日益丰富，又得到了更多的用户。

3.应用软件

应用软件是针对某一具体的应用任务而制作的软件，种类繁多，常用的有：

①文字处理软件：WPS，Word，Write等；

②数据处理软件：Excel，Lotus1-2-3，FoxPro，Access，SPSS等；

③多媒体开发演示软件：PowerPoint，Authorware，ToolBook等；

④计算机辅助软件：CAD（计算机辅助设计），CAI（计算机辅助教学），CAT（计算机辅助测试），CAM（计算机辅助制造）等；

⑤实时处理软件：银行金卡系统，天气预测系统，工业自动化控制系统等。

1.2.3 计算机的硬件系统

1.“冯·诺伊曼”模式

1946年，美籍匈牙利科学家冯·诺伊曼（John von Neumann）等人在一篇名为《电子计算仪器逻辑设计的初步讨论》（Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument）的论文中指出一个通用计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等组成，并采用程序存储和控制的方式进行运算。这种计算机框架模式被称为冯·诺伊曼模式。

至今微型计算机仍然沿袭了冯·诺伊曼模式。由于电子技术的发展，运算器和控制器被集成在一片集成电路中，即中央处理器（又称CPU）。通常将中央处理器和内存储器合在一起称为主机，将外存储器、输入设备和输出设备等称为计算机外部设备，简称外设。

现代的计算机科学研究中，正努力探索新的计算材料和计算技术，如生物计算机、光计算机和量子计算机等，具有与传统计算机不同的系统结构，也被称为“非冯·诺伊曼模式”的计算机。

2.主机和外设

由于微型计算机的体积小，一般也可将微型计算机的机箱称为主机，机箱外的设备简称外设。机箱内的主机板上安装了CPU、显卡、声卡、内存以及硬盘、光盘驱动器等部件。

微型计算机的外设主要有显示器、键盘、鼠标器、打印机和扫描仪等，这些外部设备承担了系统数据的输入输出工作。外设通过各种接口与计算机主板相连，在启用时还需要安装相应的驱动程序。

随着一体式计算机的问世，微型计算机的主机和外设的概念正在被淡化。

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