一台完整的计算机包括硬件和软件两部分，另外还有一部分固化的软件成为固件(Frimware)，固件兼具软件和硬件的特性，常见的如个人计算机中的BIOS，BIOS（Basic Input/Output System）是个人计算机上的一个基本输入输出系统，它是固化在计算机主板上的一个程序，负责计算机开机自检、硬件初始化、系统引导等一系列基本操作。在计算机启动时，BIOS会先进行初始化自检，然后加载操作系统的引导程序至内存中，启动并运行操作系统。BIOS可以通过修改设置来改变硬件的配置及参数，如CPU、内存、引导设备等。**它的主要作用是管理计算机硬件和软件的交互，是操作系统的启动基础。**硬件和软件结合才能使计算机正常运行并发挥作用。因此，对计算机的理解不能仅仅局限于硬件部分，应该把它看做一个包含软件系统和硬件系统的完整系统。

1、计算机硬件系统

计算机硬件系统是构成计算机系统的电子线路和电子元件等物理设备的总称。硬件是构成计算机的物质基础，是计算机系统的核心。

20世纪40年代中期，美国科学家冯诺依曼（Von Neumann）大胆地提出了采用二进制作为数字计算机数值基础的理论。如果看过新出的电视剧三体的话，相信十分清楚，电视剧三体游戏里面的冯诺依曼就是向秦始皇提出了这种理论，并用秦始皇的百万大军进行演示。相比十进制，二进制的运算规则更加简单，“0”和“1”两个状态更加容易用物理状态实现，适合采用布尔代数的方法实现运算电路。除此之外，冯诺依曼还提出了存储程序和程序控制的思想。存储程序就是将解题的步骤编制成程序，然后将程序和运行程序所需要的数据以二进制的形式存放到存储器中，方便执行。而程序控制则是指计算机中的控制器逐条取出存储器中的指令并按照顺序执行，控制各个功能部件进行相应的操作，完成数据的加工处理。存储程序和程序控制是冯诺依曼结构计算机的主要设计思想，人们把冯诺依曼的这些理论成为冯诺依曼体系结构。

按照冯诺依曼的设计思想，计算机的硬件系统主要包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件。运算器和控制器又合称为中央处理器（Central Processing Unit, CPU）； CPU和存储器通常称为主机（Host）；输入设备和输出设备统称为输入输出设备（I/O设备），因为它们位于主机的外部，所以有时也称为外部设备。下图所示为冯诺依曼体系结构。

1.1 存储器

存储器的主要功能是存放程序和数据。程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。不管是程序还是数据，在存储器中都是用二进制形式表示的，它们被统称为信息。为实现自动计算，这些信息必须预先放在主存储器中才能被CPU读取。

目前，计算机的主存储器都是半导体存储器。存储器由许多个存储单元组成，信息按单元存放。存储单元按某种顺序编号，每个存储单元都对应一个编号，称为单元地址。存储单元地址与存储在其中的信息一一对应。每个存储单元的单元地址只有一个且固定不变，而存储在其中的信息则可改变。下图所示为一个存储器的组成框图。

向存储单元存入或者从存储单元中取出信息，都称为访问存储器。访问存储器的时候，先由地址译码器将送来的单元地址进行译码，找到相应的存储单元；然后由读/写控制电路确定访问存储器的方式，即取出（读）或者存入（写）；再按照规定的方式完成取出或者存入操作。

与存储器有关的部件还有地址总线与数据总线。它们分别为访问存储器传递地址信息和数据信息，地址总线是单向的，数据总线是双向的。

补充知识：存储器和寄存器

存储器和寄存器都是计算机中的存储设备，但它们的作用和使用方式略有不同。

存储器通常指的是主存储器，也称为随机存取存储器（RAM），它用于临时存储计算机运行中需要的数据和程序。存储器通常被划分成若干个地址单元，每个地址单元可以存放一个字节的数据，程序和数据都是按照地址存储的。存储器的容量是计算机性能的一个重要指标，常见的存储器容量单位包括字节（B）、千字节（KB）、兆字节（MB）、千兆字节（GB）等。

寄存器是一种高速的存储设备，它位于CPU内部，用于暂存指令和数据。寄存器的容量比较小，但速度非常快。寄存器的作用主要是在CPU与主存储器之间进行数据传输和运算操作，以提高计算机的运行速度和效率。不同的CPU型号具有不同数量和类型的寄存器。常见的寄存器类型包括累加器（ACC）、指令指针（IP）、标志寄存器（FLAGS）等。

总的来说，存储器和寄存器都是计算机中的存储设备，但它们的作用和特点不同，其中存储器用于存储数据和程序，而寄存器用于暂存数据和指令，以提高计算机运行效率。

1.2 运算器

运算器是一种用于信息加工处理的部件，它对数据进行算术运算和逻辑运算。它和控制器组成CPU，是CPU的组成部分之一。

运算器通常由算术逻辑单元（ALU）和一系列寄存器组成。下图所示为一个最简单的运算器示意图。

ALU是具体完成算术与逻辑运算的部件；寄存器用于存放运算操作数；累加器除存放运算操作数外，在连续运算中，还用于存放中间结果和最终结果，累加器也因此而得名。寄存器与累加器中的原始数据既可以从存储器中获得，也可以来自其它寄存器；累加器的最后结果既可以存放到存储器中，也可以送入其他寄存器。

一般将运算器一次运算能处理的二进制位数称为机器字长，它是计算机的重要性能指标。常用的计算机字长有8位、16位、32位及64位。寄存器、累加器及存储单元地长度一般与机器字长相等。现代计算机的运算器具有多个寄存器，如8个、16个、32个，多的有上百个，这些寄存器统称为通用寄存器组。设置通用寄存器组可以减少访问存储器的次数，提高运算器的运算速度。

补充知识：主存储器和存储器
主存储器通常指的是计算机中的内存，也称为随机存取存储器（RAM），用于存储正在执行的程序和数据。主存储器通常被划分成若干个地址单元，每个地址单元可以存放一个字节的数据，程序和数据都是按照地址存储的。主存储器的容量是计算机性能的一个重要指标，常见的存储器容量单位包括字节（B）、千字节（KB）、兆字节（MB）、千兆字节（GB）等。

存储器是一个更加广泛的概念，它指的是任何一种能够存储数据和程序的设备，包括硬盘、固态硬盘、光盘、USB闪存盘等等。与主存储器不同，存储器通常拥有更大的容量，但访问速度比主存储器慢得多。

总之，主存储器是计算机中的一种内存，用于存储正在执行的程序和数据，而存储器是一个更加广泛的概念，指的是任何一种能够存储数据和程序的设备。

1.3 控制器

计算机中的控制器（Controller）是CPU的一个组成部分，它控制和协调各种操作，使得计算机能够顺利地执行用户程序。控制器包含了指令寄存器、程序计数器等重要的寄存器，以及逻辑电路和时序电路等组成部分。

控制器的作用是将指令从主存储器中取出，解码指令，发出相应的控制信号，控制和协调CPU内部各个部件的操作，如运算器、寄存器组等，在程序执行过程中不断地将指令取出、解析和执行，完成计算机的工作。

控制器的工作原理是通过时钟信号来驱动逻辑电路和时序电路，以协调各种操作的执行时间，保持计算机的稳定和可靠性。在指令执行过程中，控制器通过从主存储器中逐步读取指令并解码，发出相关的控制信号并配合其他部件完成指令的执行。控制器的性能和能力将直接影响到计算机的工作效率和速度。

总的来说，控制器是CPU中重要的组成部分，它负责控制和协调CPU内部各个部件的操作，完成指令的执行，保持计算机的稳定和可靠性。

控制器是整个计算机的指挥中心，它可以使计算机各个部件协调工作，同时它和运算器的组合也被称为CPU，是CPU的组成部分之一，控制器工作的实质就是解释程序，它每次从存储器中读取一条指令，经过分析译码产生一串操作命令，再发给各功能部件控制各部件动作，使整个机器连续地、有条不紊地运行，以实现指令和程序的功能。

计算机中有两股信息在流动：一股是控制流信息，即操作命令，它分散流向各个功能部件；另一股是数据流信息，它受控制流信息的控制，从一个部件流向另一个部件，在流动的过程中被相应的部件加工处理。

• 其中，控制流主要是指CPU产生的指令流，它由控制器发出控制信号，根据用户程序的需求来控制不同功能部件的操作。控制流信息也包括一些处理器间的协调信息，如处理器对外部设备的中断请求等。
• 数据流信息则是指在控制流的控制下，不同功能部件之间的数据传输和处理信息,而控制流信息的发源地是控制器。例如，CPU内部的寄存器、运算器和缓存等部件通过数据总线和地址总线等装置，完成信息传输和交互，以实现数据的处理和存储。同时，数据流也涵盖了用户程序中的数据操作和传输，如I/O数据传输、存储器数据读写等。

总的来说，控制流和数据流是计算机中的两股主要信息流，它们相互交织、相互作用、相互制约，共同构成了一种高效、稳定、可靠的计算机运行机制。

1.4 输入设备

输入设备是指用于将用户输入的数据或命令输入到计算机中的各种设备，以便计算机进行相应的处理。输入的信息有数字、字母、符号、文字、图形、图像、声音等多种形式，但是送入计算机中的只有一种形式，即二进制数据。常见的输入设备包括：

1. 键盘：通过键盘输入字母、数字和符号等数据。

2. 鼠标：通过鼠标点击和移动等操作输入控制命令。

3. 触摸屏：通过手指或触控笔触摸屏幕来输入指令和数据。

4. 扫描仪：用于将纸质文档、图像等转化为数字形式输入计算机。

5. 摄像头：用于拍摄图像或录制视频输入计算机。

6. 语音识别设备：通过说话将语音转化为文本或指令输入计算机。

7. 智能卡：用于读取或写入存储在智能卡中的数据。

以上这些输入设备都可以向计算机中输入不同的数据或命令，以便计算机进行相应的处理，它们广泛应用于各种领域，如办公、娱乐、教育、安全等。在此还有一种输入设备位模/数(A/D)转换器，A/D转换器（Analog to Digital Converter）是一种将模拟信号(模拟量)转换为数字信号(数字量)的电子设备。它将模拟信号的幅度、频率等参数转换成数字信号，以便计算机等数字系统进行处理和存储。模拟信号一般指用连续物理量表示的数据，如电流、电阻、压力、速度及角度等。

输入设备与主机之间通过接口连接。设置接口主要有以下几个方面的原因：

1. 输入设备大多数是机电设备，传送数据的速度远远低于主机，因此需要用接口进行数据缓冲。
2. 输入设备所用的信息格式与主机不同，例如，通过键盘输入的字母、数字先由键盘接口转换成8位二进制码（ASCII码），再拼接成主机认可的字长送入主机。因此，需用接口进行信息格式的转换。
3. 接口还可以向主机报告设备运行的状态、传达主机的命令等。

1.5 输出设备

输出设备是指将计算机处理后的数据或图像等信息输出到显示屏幕、打印机、话筒、扬声器等装置中的设备，以便用户进行观察和使用。输出设备与输入设备一样，也要通过接口与主机连接。常见的输出设备包括：

1. 显示器：用于将计算机处理的图像、文本等内容显示在屏幕上。

2. 打印机：用于将计算机处理后的文本、图像等信息输出到纸张上。

3. 话筒和扬声器：用于将计算机处理后的语音、音乐等声音信息输出到听众中。

4. 绘图仪：用于将计算机处理后的图像输出到平面或空间上。

5. 投影仪：用于将计算机处理后的图像显示在屏幕或其他平面上。

以上这些输出设备可以将计算机处理后的数据、图像、声音等信息转化为人类可读的形式，便于用户进行相应的操作和观察。这些设备广泛应用于各种场合，如家庭娱乐、办公领域、教育、医疗等领域。

外存储器也是计算机中重要的外部设备，它既可以作为输入设备，也可以作为输出设备，此外，它还有存储信息的功能，因此，它常常作为辅存使用。计算机的存储管理软件将它与主存一起管理，作为主存的补充。常见的外存储器有磁盘、光盘与磁带机，它们与输出输出设备一样，也要通过接口与主机相连。

总之，计算机硬件系统是运行程序的基本组成部分，人们通过输入设备将程序与数据存入存储器，计算机运行的时候，控制器从存储器中逐条取出指令，将它们解释成控制命令去控制各部件的动作。数据在运算器中被加工处理，处理后的结果通过输出设备输出。

1.6 系统互连

计算机硬件系统各功能部件之间还需要有组织地以某种方式连接起来，从而实现数据流信息和控制流信息在不同部件之间的流动及数据信息的加工处理。在现代计算机中使用较多的就是总线互连方案，这种方式实现简单，扩展容易。

总线（Bus）是连接两个或者多个设备（部件）的公共信息通路。它主要由数据线、地址线和控制线组成。CPU连接计算机中各主要部件的总线称为系统总线。基于单总线结构的系统互连如下图所示：

上图中所有设备均与总线连接。由于总线是多个设备的公共连接线，因此同一时刻只能允许一个设备向总线发送信息，但可以允许多个设备同时接收来自总线的消息。

2、计算机软件系统

计算机软件将解决问题的思想、方法和过程用程序进行描述，因此，程序是软件的核心组成部分。程序通常存储在存储介质中，人们可以看到存储程序的存储介质，而程序则是无形的。

一台计算机中全部程序的集合统称为这台计算机的软件系统。计算机软件按照其功能分成应用软件和系统软件两大类。应用软件是用户为解决某种应用问题而编制的一些程序，如科学计算程序、自动控制程序、数据处理程序、情报检索程序等。随着计算机的广泛应用，应用软件的种类及数量越来越多、功能也越来越强大。系统软件用于对计算机系统进行管理、调度、监视和服务等，其目的是方便用户、提高计算机使用效率、扩充系统的功能。通常将系统软件分为以下几类。

1. 操作系统
   操作系统是管理计算机中各种资源、自动调度用户作业、处理各种中断的软件。操作系统管理的资源通常有硬件、软件和数据信息。操作系统的规模和功能，随不同的要求而异。常见操作系统包括UNIX、Windows、Linux、Android、ios等。目前国产主流操作系统有深度系统(Deepin)、银河麒麟、中标麒麟和鸿蒙等。国产的嵌入式操作系统RT-Thread 已经广泛应用于物联网设备(如租借充电宝的控制设备、网络摄像头、智能手环等)，填补了我国在嵌入式操作系统方面的空白。

2. 程序设计语言及语言处理程序
   程序设计语言是用于书写计算机程序的语言，其基础是一组记号和一组规则。程序设计语言通常分为3类:机器语言、汇编语言和高级语言。
   （1）机器语言
   机器语言是用二进制代码表示的计算机能直接识别和执行的一种机器指令的集合。它是计算机设计者通过计算机硬件结构赋予计算机的操作功能。

   每台机器的指令格式和代码所代表的含义都是事先规定好的，故机器语言也称为面向机器的语言，不同硬件结构的计算机的机器语言一般是不同的。机器语言程序执行速度快，但由于对机器的依赖程度高，因此编程烦琐、硬件透明性差、直观性差、容易出错。
   （2）汇编语言
   为了克服机器语言难读、难编、难记和易出错的缺点，人们发明了便于记忆和描述指令功能的汇编语言。汇编语言是一种用助记符表示的面向机器的计算机语言。相比机器语言编程，汇编语言编程更加灵活，在一定程度上简化了编程过程。使用汇编语言编程必须对处理器内部架构有充分的了解，汇编程序必须利用汇编器转换成机器指令才能执行。
   （3）高级语言
   高级语言是与人类自然语言相接近且能为计算机所接受的，语意确定、规则明确、自然直观和通用易学的计算机语言。目前广泛使用的高级语言有 Basic、FORTRAN、Pascal、C/C++、Java、Python 等。

   高级语言是面向用户的程序设计语言，需要通过相应的语言翻译程序才可变成计算机硬件能识别并执行的目标程序。其根据执行方式可分为解释型与编译型两类。解释型语言采用边解释、边执行的方法，不生成目标程序，如 Basic、Java 语言；编译型语言必须先将源程序翻译成目标程序才能执行，典型的如C语言等。

   语言翻译程序主要包括编译程序、汇编程序、解释程序和其他软件操作程序。编译程序负责将高级语言翻译成汇编代码，也称为编译器；汇编程序负责将汇编语言翻译成机器语言目标程序，也称为汇编器；解释程序用于将源程序中的语句按执行顺序逐条翻译成机器指令并执行，且不生成目标程序，也称为解释器。下图所示为常见的C 语言源程序转换成最终目标程序的过程，除了常见的编译和汇编以外，这里还增加了预处理和多目标程序链接的过程。
   

3. 数据库管理系统
   数据库管理系统 ( Data Base Management System，DBMS )又称数据库管理软件。数据库是为了满足数据处理和信息管理的需要，在文件系统的基础上发展起来的，在信息处理、情报检索、办公自动化和各种管理信息系统中起着重要的支撑作用。常见的数据库管理系统包括 Oracle、SQL Server、DB2、PostgreSQL、MySQL等。常见的国产数据库包括华中科技大学的达梦数据库、中国人民大学的金仓数据库、天津南大通用数据技术有限公司的 GBase华为 GaussDB 等。

总结

计算机系统是指由硬件和软件两个方面组成的整体。硬件系统包括计算机的主机、输入输出设备、存储设备、通信设备等，而软件系统则包括操作系统、应用软件和其他一些工具软件。下面分别对硬件和软件的作用、分类和重要性进行总结。

• 硬件系统：
  硬件系统是计算机系统的核心，包括计算机主机、外设设备等。计算机主机包含中央处理器（CPU）、内存、硬盘/固态硬盘、显卡等部件，是计算机的心脏。输入设备包括键盘、鼠标等，输出设备包括显示器、打印机等。存储设备也非常重要，因为它们存储了计算机中的数据和程序。通信设备则是用于连接计算机与其他设备进行通信的设备。

  硬件设备可以分为不同的类型，包括台式机、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等。它们的形态和组成都是不同的，但目的都是为了满足用户的需求。

• 软件系统：
  软件系统是计算机系统的另一个重要部分，包括操作系统、应用程序和系统工具等。操作系统是计算机的核心软件，包括Windows、macOS、Linux等，它控制计算机硬件的操作和资源的分配。应用程序则包括文字编辑器、游戏、浏览器、音乐播放器等，用于满足用户的各种需求。系统工具则包括防病毒软件、磁盘清理工具等，用于保护系统安全和优化系统性能。

  软件可以分为不同的分类，包括系统软件和应用软件。系统软件用于管理计算机硬件和资源的分配，应用软件则用于满足用户不同的需求。系统软件的作用是管理计算机的运行，决定计算机执行何种任务。应用软件用于特定领域，如设计、视频处理、游戏开发、社交媒体等。

通过硬件设备和软件系统的合理组合，可以让计算机系统变得更加高效和实用。因此，硬件设备和软件系统的重要性显而易见，是计算机系统不可或缺的组成部分。