计算机系统概论

目录

[1. 计算机的分类](#1. 计算机的分类)

[2. 计算机的发展简史](#2. 计算机的发展简史)

[3. 计算机的硬件](#3. 计算机的硬件)

[1. 处理器（CPU）](#1. 处理器（CPU）)

[2. 内存（Memory）](#2. 内存（Memory）)

[3. 存储设备](#3. 存储设备)

[4. 输入输出设备](#4. 输入输出设备)

[4. 计算机的软件](#4. 计算机的软件)

[1. 软件的分类](#1. 软件的分类)

[1.1 系统软件](#1.1 系统软件)

[1.2 应用软件](#1.2 应用软件)

[2. 软件的特点](#2. 软件的特点)

[3. 软件开发](#3. 软件开发)

[4. 软件的版权保护](#4. 软件的版权保护)

[5. 计算机系统的层次结构](#5. 计算机系统的层次结构)

[1. 硬件层](#1. 硬件层)

[2. 固件层](#2. 固件层)

[3. 操作系统层](#3. 操作系统层)

[4. 应用软件层](#4. 应用软件层)

[5. 用户层](#5. 用户层)

计算机系统层次结构的优点

计算机系统层次结构的发展趋势

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1. 计算机的分类

计算机可以根据不同标准进行分类。常见的分类方法包括：

• 根据用途分类：可以分为超级计算机、主计算机（主机）、微型计算机（微机）和智能计算机等。超级计算机用于高速计算和数据处理，主计算机用于大型机构或企业的业务处理，微型计算机包括个人计算机和移动设备，智能计算机则包括人工智能系统和机器人等。

• 根据处理能力分类：可以分为数字计算机和模拟计算机。数字计算机能够处理离散的数据，例如整数和浮点数，而模拟计算机能够处理连续的数据，例如电压和电流。

• 根据规模分类：可以分为大型计算机（ mainframe）、小型计算机（ mini-computer）和微型计算机。大型计算机具有强大的处理能力和存储容量，主要用于大型机构或企业，小型计算机的处理能力和存储容量较小，而微型计算机是最常见的个人计算机类型。

2. 计算机的发展简史

计算机的发展历史可以追溯到古代的计算工具，例如算盘和算尺。但现代意义上的计算机诞生于20世纪40年代。以下是一段简短的计算机发展历史：

1940年代：第一台电子数字计算机"阿塔纳索夫-贝瑞计算机"（ABC计算机）诞生。

1950年代：第一台商业上成功的计算机IBM 701发布，晶体管的发明使计算机的体积和功耗大幅减少。

1960年代：集成电路的出现使计算机的性能和功能得到进一步提升，第一台超级计算机CDC 6600诞生。

1970年代：个人计算机时代来临，Apple II和IBM PC的推出使计算机走进普通家庭。

1980年代：图形用户界面（GUI）的出现使计算机变得更加易于使用，互联网开始发展。

1990年代：万维网（World Wide Web）的出现使互联网成为全球性的信息共享平台，移动计算和无线网络开始兴起。

2000年代至今：云计算、大数据、人工智能等技术蓬勃发展，计算机系统变得更加强大、便捷和智能。

3. 计算机的硬件

1. 处理器（CPU）

处理器（Central Processing Unit，简称 CPU）是计算机的核心，也被称为计算机的大脑。它负责执行计算机的计算和逻辑操作，是计算机最重要的组成部分。处理器的性能通常用主频和指令集来衡量。主频是指处理器每秒钟所能执行的指令数，单位为千赫兹（MHz）或吉赫兹（GHz）。指令集是指处理器所能理解和执行的指令集合。

2. 内存（Memory）

内存（Random Access Memory，简称 RAM）是用于临时存储数据和程序的电子器件。它使处理器能够快速访问数据，从而提高计算机的运行速度。内存的容量通常用字节（Byte）或吉字节（GB）来衡量。

3. 存储设备

存储设备用于长期存储数据和程序。常见的存储设备包括硬盘（Hard Disk Drive，简称 HDD）、固态硬盘（Solid State Drive，简称 SSD）和光盘（Optical Disc）等。

• 硬盘：使用磁性介质来存储数据，具有较大的存储容量和较低的价格，但读写速度较慢。
• 固态硬盘：使用闪存芯片来存储数据，具有较快的读写速度和更低的功耗，但价格较高。
• 光盘：使用光学介质来存储数据，具有可读写的特性，可以用来备份数据或传输文件。

4. 输入输出设备

输入输出设备是用于与用户进行交互的设备。常见的输入输出设备包括键盘、鼠标、触摸屏、显示器、打印机和扬声器等。

• 键盘：用于输入文字和字符。
• 鼠标：用于控制光标的位置和选择对象。
• 触摸屏：用户可以直接用手触摸屏幕进行操作。
• 显示器：用于显示计算机的输出信息。
• 打印机：用于将计算机的输出信息打印到纸上。
• 扬声器：用于播放声音。

4. 计算机的软件

计算机软件是指一组指令或程序，用于控制计算机硬件的工作。软件是计算机系统的重要组成部分，为计算机提供了各种功能。

1. 软件的分类

根据功能和用途，计算机软件可以分为以下两大类：

1.1 系统软件

系统软件是为计算机系统本身服务的软件，负责管理计算机硬件资源，并为应用软件提供运行环境。常见的系统软件包括：

• 操作系统：是计算机系统最核心的软件，负责管理计算机硬件资源，并为上层应用软件提供运行环境。
• 设备驱动程序：用于在操作系统和硬件设备之间建立通信桥梁，使操作系统能够控制和管理硬件设备。
• 公用程序：是用于执行特定任务的工具软件，例如文件管理软件、压缩解压软件、杀毒软件等。

1.2 应用软件

应用软件是为用户提供特定功能或服务的软件，例如：

• 办公软件：例如 Microsoft Word、Excel、PowerPoint 等，用于文字处理、电子表格制作、演示文稿制作等。
• 图形设计软件：例如 Adobe Photoshop、Illustrator 等，用于图像编辑、矢量图形设计等。
• 视频编辑软件：例如 Adobe Premiere Pro、Final Cut Pro 等，用于视频编辑、剪辑等。
• 游戏软件：例如 Dota 2、Counter-Strike: Global Offensive 等，用于娱乐消遣。
• 科学计算软件：例如 MATLAB、Mathematica 等，用于科学计算、仿真等。

2. 软件的特点

软件具有以下特点：

• 无形性：软件是无形的，只能通过计算机执行才能发挥作用。
• 可复制性：软件可以很容易地进行复制和传播。
• 可修改性：软件可以根据需要进行修改和更新。
• 抽象性：软件具有抽象性，需要通过编程语言来实现。
• 易变性：软件技术发展迅速，软件需要不断更新换代。

3. 软件开发

软件开发是指将软件需求转化为可执行的软件产品的过程。软件开发通常包括以下几个阶段：

• 需求分析：确定用户需求和软件功能。
• 设计：设计软件的架构、模块和接口。
• 编码：使用编程语言编写软件代码。
• 测试：测试软件的正确性和性能。
• 部署：将软件发布给用户使用。
• 维护：修复软件缺陷并提供更新。

软件开发是一项复杂的任务，需要具备较强的计算机理论基础和编程能力。

4. 软件的版权保护

软件版权是指软件作者对软件所享有的权利。软件版权保护软件作者的合法权益，促进软件产业的发展。

常见的软件版权保护方式包括：

• 著作权：将软件视为作品，受著作权法的保护。
• 专利权：将软件中的发明创造视为专利，受专利法的保护。
• 商业秘密：将软件的源代码或其他技术信息视为商业秘密，受反不正当竞争法的保护。

5. 计算机系统的层次结构

计算机系统通常具有层次结构，由低到高可分为以下几个层次：

1. 硬件层

硬件层是计算机系统的基础，由计算机的物理组件组成，包括：

• 处理器（CPU）：负责执行计算和逻辑操作。
• 内存（Memory）：用于临时存储数据和程序。
• 存储设备：用于长期存储数据和程序。
• 输入输出设备：用于与用户进行交互。

硬件层为上层软件提供运行的基础。

2. 固件层

固件层位于硬件层之上，是介于硬件和操作系统之间的软件层。它主要负责：

• 初始化硬件：在计算机启动时，固件会对处理器、内存、存储设备等硬件进行初始化，使其能够正常工作。
• 提供基本输入输出功能：固件提供基本的输入输出功能，例如键盘、鼠标、显示器等设备的驱动程序。
• 支持操作系统启动：固件负责将控制权交接给操作系统。

固件通常存储在只读存储器（ROM）中，具有启动速度快、运行稳定等特点。

3. 操作系统层

操作系统层位于固件层之上，是计算机系统中最核心的软件层。它主要负责：

• 管理计算机硬件资源：操作系统负责分配和管理处理器、内存、存储设备等硬件资源，为上层应用软件提供运行环境。
• 提供进程管理：操作系统负责创建、调度和管理进程，确保各个进程能够高效地运行。
• 提供内存管理：操作系统负责分配和管理内存空间，防止内存碎片化。
• 提供文件管理：操作系统负责管理文件和目录，为用户提供文件存取功能。
• 提供设备管理：操作系统负责管理各种设备，为用户提供设备存取功能。
• 提供网络管理：操作系统提供网络通信功能，使计算机能够与其他计算机进行通信。

操作系统是计算机系统最重要的软件，为上层应用软件提供了基础平台。

4. 应用软件层

应用软件层位于操作系统层之上，由各种应用软件组成。应用软件是为用户提供特定功能的程序，例如：

• 办公软件：例如 Microsoft Word、Excel、PowerPoint 等。
• 图形设计软件：例如 Adobe Photoshop、Illustrator 等。
• 视频编辑软件：例如 Adobe Premiere Pro、Final Cut Pro 等。
• 游戏软件：例如 Dota 2、Counter-Strike: Global Offensive 等。
• 科学计算软件：例如 MATLAB、Mathematica 等。

应用软件是计算机系统最常用的软件，为用户提供了丰富的功能。

5. 用户层

用户层位于计算机系统的最顶层，由计算机的用户组成。用户通过输入设备和输出设备与计算机系统交互，例如：

• 使用键盘输入文字和指令。
• 使用鼠标控制光标和选择对象。
• 使用触摸屏进行操作。
• 查看显示器上的信息。
• 使用打印机打印文档。
• 使用扬声器播放声音。

用户是计算机系统的最终使用者，也是计算机系统价值的体现。

计算机系统层次结构的优点

计算机系统层次结构具有以下优点：

• 模块化：每个层次都具有特定的功能，可以独立设计和维护，提高了开发效率和维护效率。
• 可扩展性：可以根据需要在现有层次结构的基础上添加新的层次，提高了系统的扩展性。
• 兼容性：不同层次之间的接口是标准化的，可以保证不同层次之间的兼容性。
• 安全性：可以将操作系统和其他应用软件隔离，提高了系统的安全性。

计算机系统层次结构的发展趋势

随着计算机技术的发展，计算机系统层次结构也在不断发展。未来，计算机系统层次结构可能会呈现以下趋势：

• 面向服务：将硬件、软件和服务统一封装成服务，提供给用户使用。
• 虚拟化：使用虚拟化技术将硬件和软件资源进行虚拟化，提高资源的利用率。
• 云计算：将计算机系统部署在云端，用户可以通过互联网访问计算资源。