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计算机组成原理|1.4‑1.6 软件、系统性能评价、系统层次结构 学习笔记
1.4 计算机的软件硬件是计算机的物质基础软件是指挥硬件完成各类任务的程序与文档集合硬件和软件相互配合计算机才能发挥完整功能。1.4.1 软件的组成与分类计算机软件分为两大类系统软件和应用软件。1. 系统软件面向计算机本身管理用来管理、调度、维护计算机资源为上层程序提供服务不直接面向普通用户的具体业务。包含操作系统、编译程序、汇编程序、数据库管理系统、各类服务程序。- 操作系统管理CPU、内存、外设是硬件和应用软件之间的中间桥梁。- 编译/汇编程序把高级语言、汇编语言翻译成机器可以识别的机器语言。2. 应用软件面向用户用来解决各类实际业务问题。例如办公软件、图像处理软件、各类业务管理程序。1.4.2 软件的发展演变软件伴随硬件一同迭代发展1. 机器语言阶段直接使用二进制机器指令可读性极差面向硬件编程难度高。2. 汇编语言阶段使用助记符代替二进制指令需要汇编程序翻译为机器语言。3. 高级语言阶段贴近人类自然语言例如C、Java依靠编译程序或者解释程序转换程序员不用关心硬件细节。4. 现代软件阶段操作系统成熟软件分层大量应用软件蓬勃发展软硬件协同程度越来越高。1.5 计算机系统性能评价想要评判一台计算机的好坏不能只看单一指标需要多维度综合衡量。1.5.1 计算机的性能指标1. 机器字长CPU一次能够处理的数据位数字长直接影响运算精度、寄存器位数、数据总线位数。字长越大一次处理的数据越多。常见32位、64位。2. 存储容量分为主存容量、辅存容量。主存越大可同时运行的程序越多单位KB、MB、GB。3. 运算速度- MIPS每秒百万条指令- CPI每条指令执行需要的时钟周期数- 时钟频率主频主频越高时钟周期越短但主频不能单独决定整机速度还受指令体系、存储器速度影响。注意主频高≠整机一定快不能单凭主频评判计算机性能。4. 吞吐量与响应时间- 吞吐量单位时间系统处理任务总量- 响应时间提交任务到任务完成所消耗的总时间。1.5.2 计算机系统的测试基准基准测试程序Benchmark使用标准化测试程序用来客观测试计算机实际性能。不依靠单一理论参数运行真实程序得到可横向对比的性能结果避免单一指标带来的片面判断。1.6 计算机系统的层次结构计算机是多层级的系统从硬件到软件逐层向上抽象下层为上层提供服务。1.6.1 冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼核心思想存储程序原理1. 程序和数据统一存放在存储器中2. 指令和数据都使用二进制表示3. 计算机五大部件运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备4. 控制器从存储器取出指令自动执行指令完成运算。传统冯诺依曼结构指令、数据共用同一套存储器。1.6.2 哈佛结构和改进的哈佛结构哈佛结构指令存储器与数据存储器相互独立分开。指令、数据分开存储可以同时取指令和读写数据提升并行处理能力多用于嵌入式、单片机。改进哈佛结构保留独立指令、数据Cache主存储器依旧共用兼顾性能与成本。1.6.3 非诺依曼化传统冯诺依曼存在瓶颈存储器与CPU之间数据传输速度限制即冯诺依曼瓶颈。非冯诺依曼体系尝试打破存储程序模式例如数据流计算机从架构层面缓解数据传输瓶颈。1.6.4 多级组成的计算机系统计算机分层从底层硬件向上依次微程序机器层 → 传统机器语言层 → 汇编语言层 → 高级语言层 → 应用语言层每一层都有自己对应的语言上层的程序依靠下层提供的功能实现对上层屏蔽下层实现细节。1.6.5 软件与硬件的逻辑等价性一件功能既可以用硬件电路实现也可以用软件编程实现。- 硬件实现速度快成本高灵活性差- 软件实现灵活性强成本低运行速度慢。很多功能软硬件可以互相替换这就是软硬件逻辑等价性。例乘法可以硬件乘法器完成也可以软件循环加法实现。1.6.6 计算机系统结构、计算机组成与计算机实现1. 计算机系统结构程序员看到的机器属性指令集、数据类型、寻址技术属于软硬件交界面。2. 计算机组成系统结构的逻辑实现例如数据通路、控制逻辑。3. 计算机实现物理硬件实现芯片、器件、电路板等物理工艺。本章1.4‑1.6小结1. 软件分为系统软件、应用软件记住各自实例2. 性能指标字长、存储容量、主频、CPI、MIPS记住主频不能代表全部性能3. 冯诺依曼存储程序思想哈佛结构指令数据分开存储4. 软硬件逻辑等价性功能软硬件可以互换5. 分清系统结构、计算机组成、计算机实现三层概念。
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