软件的组成与分类上面说过现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。这些部件或设备都是由元器件构成的有形物体因而称为硬件或硬设备。事实上利用电子计算机进行计算、控制或做其他工作时需要有各种用途的程序。因此凡是用于一台计算机的各种程序统称为这台计算机的程序或软件系统。计算机软件一般分为两大类一类称为系统软件另一类称为应用软件。系统软件用来简化程序设计简化使用方法提高计算机的使用效率发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括以下四类①各种服务性程序如诊断程序、排错程序、练习程序等②编程语言程序如汇编程序、编译程序、解释程序等③操作系统④数据库管理系统。应用软件是用户利用计算机来解决某些问题而编制的软件如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等。软件的发展演变在早期的计算机中人们是直接用机器语言(即机器指令代码)来编写程序的这种方式编写的程序称为手编程序。这种用机器语言书写的程序计算机完全可以“识别”并能执行所以又称为目的程序。后来为了编写程序方便和提高机器的使用效率人们想了一种办法用一些约定的文字、符号和数字按规定的格式来表示各种不同的指令然后再用这些特殊符号表示的指令来编写程序。这就是所谓的汇编语言它是一种能被转化为二进制文件的符号语言。对人来讲符号语言简单直观、便于记忆比二进制数表示的机器语言方便了许多。但计算机只“认识”机器语言而不认识这些文字、数字、符号为此人们创造了一种程序称为汇编器。借助于汇编器计算机本身可以自动地把符号语言表示的程序(称为汇编语言程序)翻译成用机器语言表示的目的程序从而实现了程序设计工作的部分自动化。为了进一步实现程序自动化和便于程序交流使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机人们又创造了各种接近于数学语言的算法语言。所谓算法语言是指按实际需要规定好的一套基本符号及由这套基本符号构成程序的规则。通常采用的方法是给计算机配制一套用机器语言写的编译程序或编译器它把源程序翻译成目的程序然后机器执行目的程序得出计算结果。链接器将多个模块与库程序组合在一起以解析所有的应用。加载器将机器代码放入合适的内存位置以便处理器执行。显然人的思维速度跟不上计算机的计算速度要摆脱这种情况还要依靠计算机来管理自己和管理用户于是人们又创造出一类程序称为操作系统根据不同使用环境操作系统大致分为批处理操作系统分时操作系统实时操作系统等所谓数据库就是实现有组织地、动态地存储大量相关数据方便多用户访问的计算机软、硬件资源组成的系统。数据库和数据库管理软件一起组成了数据库管理系统。计算机的性能指标就系统处理能力而言通常用吞吐量来表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量用响应时间来表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量。在给定时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率则称为利用率。如果系统的资源利用率高则单位时间内所完成的有效工作多吞吐量就越大。在计算机系统中处理器字长和系统主频直接影响着系统处理能力。处理器字长是指处理机一次能够完成的二进制运算的位数字长越长计算可达到的精度就越高。处理器在工作时以一个稳定的时钟脉冲作为其最基本的时间单位在单位时间内发出的脉冲的数目就是系统主频而单脉冲的时间长度(主频的倒数)就是CPU 时钟周期。主频在很大程度上决定计算机的运行速度。在计算一段程序所要占用的CPU 执行时间时可以用执行该程序所需的所有 CPU 时钟周期数与 CPU 时钟周长相乘即CPU 执行时间CPU 时钟周期数 × CPU 时钟周期长有时也会用到每条指令所需周期数CPI(Cycles Per Instruction)这个参数。CPI 可以指某一类特定的指令在执行时所需的时钟周期数也可以指一段程序中所有指令的平均时钟周期数。为了确切估算一台计算机的处理能力通常会根据不同类型的指令在典型计算过程中出现的比率对每种类型的指令的执行时间进行加权并求和得到运算速度的统计平均值。平均运算速度通常表示为单位时间内可执行的指令条数。一般用MIPS(Million Instructions Per Second百万指令每秒)表示定点运算时每秒可执行多少百万条指令用 FLOPS (Floating‑point Operations Per Second浮点指令每秒)衡量浮点运算能力。由于浮点运算速度通常较高所以经常采用 MFLOPS(每秒10610^6106次浮点运算)、GFLOPS(每秒10910^9109次浮点运算)、TFLOPS(每秒101210^{12}1012次浮点运算)或 PFLOPS(每秒101510^{15}1015次浮点运算)为单位。计算机系统的测试基准计算机的性能指标是衡量计算机处理能力的参赛但要真实评价计算机的处理能力通常要使用测试基准工具。冯·诺依曼体系结构1945年6月美籍匈牙利人约翰·冯·诺依曼(John Von Neumann)教授在其论文《EDVAC报告书的第一份草案》中提出将存储设备与中央处理器分开的存储程序的概念根据这一概念设计的计算机被称为冯·诺依曼计算机。冯·诺依曼提出的这一理论模型构成了当今的主流计算机的结构框架人们将这种结构参考模型称为冯·诺伊曼体系结构、冯·诺伊曼模型或普林斯顿结构(Princeton architecture)。冯·诺依曼体系结构提出了设计制造计算机的三个基本原则即采用二进制形式表示数据和指令、采用存储程序方式以及由五大部件组成计算机系统。一般认为冯·诺依曼机具有如下基本特点。(1) 在机器内部指令和数据均以二进制码表示。(2) 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。各部件的功能如下① 运算器能进行算术和逻辑运算以及附加操作。② 控制器能自动执行指令。③ 存储器(内存)不仅能存放数据也能存放指令。对存储器本身而言二者没有区别都是由0和1组成的代码序列。④ 输入/输出设备保证人与计算机的相互通信。(3)指令由操作码和地址码组成。(4)采用存储程序方式。指令序列在存储器中按执行顺序存放由程序(指令)计数器 PC(Program Counter)指明要执行的指令所在的单元地址一般按顺序递增。事先编制好的程序(包含指令和数据)被存放在同一存储器中计算机能够在无人干预的情况下自动完成逐条取出指令和执行指令的任务。冯·诺依曼体系结构(图 1.8(a))将程序的指令和数据存放在同一存储器中取指令(fetch)和存取操作数(load/store)都在同一系统总线上通过分时复用方式进行。因此可以对冯·诺依曼体系结构进行改进采用哈佛结构(Harvard architecture)(图1.8(b))。哈佛结构将存放程序指令的存储区域和存放操作数据的存储区域分开在不同的存储空间中即独立的程序存储器空间和数据存储器空间。哈佛结构是一种并行体系结构分离的程序总线和数据总线可允许在同一时间并行执行取指令(访问程序存储器)和存取操作数(访问数据存储器)操作因而提高了数据的吞吐率。这种性能的提升以硬件复杂度提升为代价。还有一种折中的方法是采用改进的哈佛结构(图 1.8©)。改进的哈佛结构仍然使用分离的程序存储器和数据存储器但将 4 套总线合并为 2 套地址总线用于程序和操作数的地址传输数据总线用于程序和操作数的数据传输。2 套总线由程序存储器和数据存储器分时复用非冯·诺依曼化冯·诺依曼体系结构奠定了现代计算机的运行基础但从某种意义上也制约了计算机的发展。哈佛结构相对于冯·诺依曼体系结构性能有所提升但整体上并未完全突破冯·诺伊曼体系架构。而冯·诺依曼机的工作方式属于串行顺序处理的控制流(指令流)驱动方式也就是根据指令执行顺序逐条取出指令根据指令给出的信息存取数据。因此在机器运行的过程中即使有关数据已经准备好也必须逐条执行指令始终由控制流驱动机器运转而数据流则是被动地被调用处理。因此在计算机发展过程中不断有人尝试突破传统冯·诺依曼体系结构的束缚。这种努力称为非诺依曼化。非诺依曼化计算机没有被广泛应用但非诺依曼化的研究正在朝不同方向持续推进。多级组成的计算机系统第 1 级是微程序设计级(逻辑电路级)这是一个实在的硬件级由硬件直接执行。如果某一个应用程序直接用微指令来编写那么可在这一级上运行应用程序。第 2 级是一般机器级也称为机器语言级它由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。第 3 级是操作系统级它由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成广义指令是操作系统定义和解释的软件指令所以这一级也称为混合级。第 4 级是汇编语言级它给程序人员提供一种符号形式语言以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写则机器必须要有这一级的功能如果应用程序不采用汇编语言编写则这一级可以不要。第 5 级是高级语言级它是面向用户的为方便用户编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译程序支持和执行。软件与硬件的逻辑等价性一、随着大规模集成电路发展 软件硬化趋势计算机软、硬件界限变得模糊任何操作既可以用硬件实现也可以用软件实现任何指令既可以硬件完成也可以软件完成逻辑等价性硬件和软件在逻辑功能上是等效的二、软硬件方案选择依据某一机器功能选硬件还是软件实现取决于1.器件价格、2.速度、3.可靠性、4.存储容量、5.变更周期设计计算机时设计者需要分配各级任务确定哪些用硬件、哪些用软件。三、计算机层级边界扩展硬件功能范围不断扩大第1、2级 → 向第3级、更高级扩展原因大容量、低成本、体积小、可改写的只读存储器给软件固化提供物质基础四、固件firmware定义把复杂程序制作成固件特点功能上属于软件形态上属于硬件烧录在芯片里就是固件 软件功能 硬件载体五、硬件实现的优势在硅芯片上制作复杂逻辑电路可行硬件为指令功能提供物质基础。原本软件实现的功能可以交给硬件直接解释执行发展方向面向高级语言计算机硬件直接解释高级语言语句不用预先编译六、CPU执行指令过程从存储器取出指令分析并执行指令循环重复取指、执行计算机系统结构、计算机组成与计算机实现在研究计算机的硬件系统时经常会涉及计算机组成、计算机系统结构与计算机实现这三个相互关联的术语这是观察计算机组成的三个不同角度。计算机组成(computer organization也称计算机组织)是指计算机硬件系统的逻辑实现包括构成计算机系统的各操作部件、工作原理、逻辑实现、设计方法以及将各部件连接成整机的方法计算机系统结构(computer architecture也称计算机体系结构、计算机结构)则表征计算机系统的硬件系统概念结构、功能特性和系统属性即硬件能实现哪些功能能为软件提供哪些硬件支持。对于系统程序员和用汇编语言编写程序的用户而言他们更关心的是计算机系统的功能特性特别是从硬件与软件交界面所看到的硬件功能特性。计算机实现(computer implementation)是指计算机组成的物理实现其关注范围包括处理器、主存等部件的物理结构器件的集成度、速度和信号模块和插件的划分与连接乃至电源、冷却、装配等技术。综上计算机系统结构是在计算机系统的软、硬件界面上看到的系统概念结构与功能特性计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现计算机实现是计算机组成的物理实现。
