计算机组成原理（1.4-1.6）

1.4 计算机的软件软件是程序、算法和解题步骤硬件是有形设备。软件分为系统软件与应用软件两大类(系统软件和应用软件。系统软件用来简化程序设计、提升计算机使用效率包含服务性程序、汇编/编译/解释程序、操作系统、数据库管理系统应用软件是用户为解决具体业务问题编写的程序例如工程设计、数据处理程序。软件的发展经历了三代语言最早是机器语言直接用二进制指令代码编写难写易错之后出现汇编语言使用符号来代表指令需要汇编器翻译成机器语言再发展出算法语言高级语言C、C、Java等贴近数学表达与机器无关源代码必须经过编译器、汇编器、链接器、加载器最终转换为存储器中可运行的机器语言。操作系统用来管理硬件资源、调度作业分为批处理、分时、实时操作系统。数据库系统用来组织存储大量数据方便多用户访问。1.5 计算机系统性能评价评价计算机性能核心指标有响应时间、吞吐量、利用率。处理器字长决定计算精度主频反映运行速度主频越高时钟周期越短。核心计算公式CPU执行时间 CPU时钟周期数 × 时钟周期 时钟周期数 / 主频CPI是每条指令平均时钟周期数MIPS衡量定点指令执行速度MFLOPS/GFLOPS等衡量浮点运算能力。评估整机性能不能只看单一指标需要依靠基准测试程序benchmark工业上常用SPEC、TPC、Linpack等基准SPEC CPU用来评估处理器性能。1.6 计算机系统层次结构1.6.1 冯·诺依曼体系结构核心思想是存储程序三大原则数据与指令用二进制表示、存储程序、计算机由五大部件运算器、控制器、存储器、输入、输出设备组成。内存中指令和数据同等存放依靠程序计数器PC自动依次取指令实现自动运算。1.6.2 哈佛结构和改进的哈佛结构哈佛结构把指令存储器、数据存储器分开拥有独立总线可以并行取指令与读写数据提升吞吐率改进哈佛结构合并部分总线兼顾性能与成本。现代计算机很多混合使用两种结构Cache常用哈佛结构主存采用冯诺依曼结构。非诺依曼化是突破串行指令驱动的研究方向例如数据流计算机、量子计算机。1.6.3 非诺依曼化1.6.4 多级组成的计算机系统计算机系统分为多级层次从底层硬件向上依次是微程序级、机器语言级、操作系统级、汇编语言级、高级语言级上层依赖下层的支持。1.6.5软件与硬件的逻辑等价性硬件与软件具备逻辑等价性同一个功能既可以硬件实现也可以软件实现硬件速度快软件灵活易修改固件就是软件固化在硬件里。硬件加速技术可以分担CPU压力提升系统性能。区分三个概念计算机系统结构是软硬件接口看到的硬件功能计算机组成是硬件的逻辑实现计算机实现指硬件物理工艺、器件装配等底层物理实现。电子数字计算机硬件五大部件运算器控制器合称CPU。软件是计算机区别于普通硬件设备的关键软硬件协同组成完整计算机系统。