计算机组成原理（3）：计算机软件

前言：走进软件的世界

各位同学大家好！欢迎回到我们的计算机组成原理课堂。

在上一节的学习中，我们已经把计算机的"躯体"------也就是计算机硬件，拆解得差不多了。我们知道了运算器、控制器、存储器这些硬核部件是如何协同工作的。但是，光有强壮的躯体，没有灵魂，计算机也只是一堆不会思考的废铁。

这个"灵魂"，就是我们今天要深入探讨的主题------计算机软件。

一个完整的计算机系统，必须是"软硬兼施"的：硬件是基础，软件是上层建筑。用户通过软件来发号施令，而软件则运行在硬件之上，指挥硬件干活。

今天这篇博客，我们就来彻底搞懂软件的分类、编程语言的翻译机制，以及一个非常核心的哲学问题------软件与硬件的逻辑等价性。

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一、 软件的"阶级"划分：应用与系统

在软件的庞大世界里，我们可以把它们粗略地划分为两个阶级：应用软件（Application Software） 和 系统软件（System Software）。

1. 应用软件：直接服务于你

这是我们普通用户最熟悉的领域。你每天都在用的，都是应用软件。它们的诞生只有一个目的：解决用户在特定场景下的特定需求。

• 满足娱乐需求： 比如抖音，它的算法和界面设计就是为了让你刷短视频停不下来。

• 满足社交需求： 比如QQ、微信，连接人与人。

• 满足审美需求： 比如美图秀秀，让照片更好看。

• 满足专业需求： 设计师离不开的 Photoshop ，工程师赖以生存的 AutoCAD 等工程制图软件。

总结一句话： 应用软件是直接面向用户的"前台服务员"。

2. 系统软件：幕后的管家

应用软件直接为用户提供服务，相比于应用软件的风光，系统软件则显得低调很多，但它们是整个软件世界的基石。系统软件负责管理底层的硬件资源，并向上层的应用软件提供服务。

我们可以把系统软件比作"基建"或"管家"。没有它们，应用软件根本跑不起来。

哪些属于系统软件？

很多同学容易在这里混淆，我们来详细盘点一下：

1. 操作系统 (Operating System, OS)：

   这是最典型的系统软件。无论是安卓、iOS，还是Windows、Linux。你想想，抖音在手机上运行，需不需要申请内存？需不需要调用摄像头？需不需要在屏幕上画图？这些都需要操作系统在底下支持。

2. 数据库管理系统 (DBMS)：

   大多数APP都需要存储数据（比如你的账号信息、聊天记录）。这些数据的增删改查，通常不是APP自己从零写的，而是调用了数据库管理系统的功能。所以，DBMS也是服务于上层应用的系统软件。

3. 网络软件（如网卡驱动）：

   现在是互联网时代，断网的电脑基本等于废铁。应用软件要传递信息，必须依赖底层的网络协议栈和驱动程序，这些都属于系统软件的范畴。

4. 语言处理程序：

   我们写的C++、Java代码，机器是看不懂的，需要编译器、汇编器、解释器来翻译。这些"翻译官"也是系统软件。

5. 服务程序与标准库：

   • 调试程序： 也就是Debug工具，帮我们找Bug的。

   • 标准程序库： 比如C语言里大家最熟悉的 printf 函数，你直接调用就行，不需要自己去写如何驱动显卡输出字符，这就是标准库提供的支持。

知识点总结：

系统软件就像是软件世界的"基础设施"，它向下管理硬件，向上服务应用。

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二、 语言的进化：从0101到高级语言

既然软件是由代码编写的，那我们就得聊聊编程语言的层级。

1. 三个级别的语言

• 机器语言 (Machine Language)：

  这是计算机唯一能直接听懂的语言，全是二进制的 0 和 1。

  • 缺点： 人类读起来简直是天书，写起来极易出错。

• 汇编语言 (Assembly Language)：

  为了让人类能看懂一点，工程师发明了助记符。比如用 ADD 代表加法，用 MOV 代表数据移动。

  • 特点： 比机器语言好读，但还是太底层，跟硬件细节绑定太死。

• 高级语言 (High-Level Language)：

  C、C++、Java、Python等。它们的语法接近人类的自然语言和数学公式。

  • 优点： 开发效率高，可移植性强。

2. 翻译程序：沟通的桥梁

计算机的硬件它只能识别二进制的机器语言。但是显然我们现在编写程序不可能用0101这种二进制的机器语言去直接的编写。

我们通常是用一些高级语言编写程序，然后再把我们编写的源程序去翻译成低级的机器语言。

比如我们编写了一个C语言的程序之后，通常需要经过编译和汇编这样的两步，把它翻译成等价的机器语言程序。那编译器或者编译程序完成了，编译的这一步就把高级的C语言翻译成了与之等价的汇编语言。

第二步，在经过汇编器或者叫汇编程序的翻译之后，就可以把汇编语言翻译成与之等价的机器语言。汇编语言采用助记符的方式，更方便于人类理解。

那相比之下，让人类直接去阅读这种0101的二进制机器语言是很困难的。这个过程主要有三种角色：

A. 编译程序 (Compiler)

• 工作方式： 类似于笔译。

• 流程： 把整本《高级语言源程序》一次性全部翻译成《机器语言程序》（比如生成一个 .exe 文件）。以后运行的时候，直接读这个 .exe 就行了，不需要再翻译。

• 典型代表： C、C++。

• 具体步骤： C语言通常需要两步：

  1. 编译： C语言源程序 →\rightarrow→ 汇编语言程序。

  2. 汇编： 汇编语言程序 →\rightarrow→ 机器语言程序。

     (注：有些编译器也可以直接跳过汇编，一步到位)

B. 解释程序 (Interpreter)

• 工作方式： 类似于同声传译。

• 流程： 程序运行的时候，读一句源代码，翻译一句，执行一句。

• 典型代表： Python、JavaScript、Shell脚本。

• 特点： 不会生成目标文件。

C. 汇编程序 (Assembler)

• 功能： 专门负责把汇编语言翻译成机器语言。

无论是编译器，汇编器还是解释器，他们都是把高级语言翻译成更低级的语言。所以这三者都可以统称为翻译程序。

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3. 核心考点：编译 vs 解释（谁效率高？）

这是一个非常经典的面试和考试题。我们可以用一个生动的例子来理解：

场景： 此时有一个人 A 在说中文（源代码），需要翻译成英文给 B 听（机器执行）。

• 编译模式（笔译）：

  你把 A 说的所有中文，先录下来，然后熬夜一次性全部翻译成一本英文书，交给 B。

  • 优势： 如果 A 说的话需要被反复阅读（程序反复执行），B 只需要读那本英文书就行了，不需要你再次翻译。效率极高。

• 解释模式（同声传译）：

  A 说一句中文，你立马翻译一句英文给 B 听。

  • 劣势： 如果 A 有一段话（比如一个 for 循环）重复说了 1000 遍。

  • 编译模式下，这段话在书里已经翻译好了，B 直接读 1000 遍即可。

  • 解释模式 下，你必须把这一句中文重新翻译 1000 遍！ 这显然是在浪费时间。

结论：

通常来说，编译型语言的执行效率要高于解释型语言。因为解释型语言在执行过程中包含了解释（翻译）的时间开销，且对于重复代码无法复用翻译结果。

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三、 软硬不分家：逻辑功能的等价性

这是本节课最"哲学"的一个概念，也是计算机系统设计不仅要懂技术，还要懂"权衡"的体现。

这个内容，在上篇文章中我们也有提及，核心观点就是：软件和硬件在逻辑功能上是等价的。

同一个功能，你既可以设计一个复杂的硬件电路来实现，也可以写一段代码（软件）来实现。

举个栗子：985 × 6

假设我们需要计算这个乘法，有两种实现路径：

路径一：硬件实现

• 做法： 在 CPU 里设计一个专门的乘法电路。

• 执行： 程序员只需要写一条 MUL（乘法）指令。

• 效果： 硬件电路"咔嚓"一下，一个时钟周期可能就算出来了。

• 优缺点：

  • 速度极快（性能强）。
  • 电路复杂，芯片面积大，制造成本高。

路径二：软件实现

• 做法： 假设 CPU 很简陋，只有加法电路，没有乘法电路。

• 执行： 程序员需要写一个循环程序，执行 6 次加法：985 + 985 + ... + 985。

• 效果： 虽然也能算出结果，但 CPU 需要跑很多步。

• 优缺点：

  • 硬件简单，制造成本低。
  • 运算速度慢（性能弱）。

权衡的艺术

既然软硬都能做，那我们在设计计算机的时候该怎么选？这就涉及到性能 与成本的平衡。

• 对于常用、高频 的功能（如浮点运算、多媒体解码），我们倾向于用硬件实现，以提高性能。

• 对于不常用、复杂 的功能，我们倾向于用软件实现，以降低硬件成本和复杂度。

这就引出了我们最后一个重要概念 ------ ISA。

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四、 系统的边界：指令集体系结构 (ISA)

当我们设计一台计算机时，必须明确界定：哪些事情由硬件直接做？哪些事情留给软件做？

这个界限，就是 ISA (Instruction Set Architecture，指令集体系结构)。

• 定义： ISA 规定了软件和硬件之间的界面（Interface）。

• 内容： 它定义了这台计算机支持哪些指令？每条指令用来干什么？指令的格式长什么样？

• 意义：

  • 对于软件开发者：我只需要遵循 ISA 标准写代码（或编译器生成代码），不用管底层晶体管怎么连。

  • 对于硬件设计者：我只需要设计电路满足 ISA 定义的功能，不用管上层跑的是抖音还是吃鸡。

ISA 是计算机系统中最重要的抽象层，它隔离了底层的物理差异和上层的逻辑应用。

指令集体系结构规定了软件和硬件之间的界面。

当我们在设计一个计算机系统的这个指令集体系结构的时候。我们就是要定义这台计算机可以支持哪些指令，以及每条指令的作用是什么，每条指令的用法是什么。也就是要清晰的定义软件和硬件之间的界限。

既然软件和硬件在逻辑功能上都是等价的，我们可以用两种方式来实现同样的逻辑功能。并且采用软和硬两种方式实现所带来的性能以及成本的高低都各有利弊。

所以在设计计算机系统的时候，二者之间的界限需要被清晰的划分和定义。既要考虑性能问题，也要考虑成本问题。

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总结

本节核心知识点复盘：

1. 软件分类： 明白应用软件和系统软件的区别，尤其是数据库、语言处理程序、网络驱动属于系统软件。

2. 语言与翻译：

   • 机器语言（二进制） vs 汇编语言（助记符） vs 高级语言。

   • 编译（一次性翻译，效率高） vs 解释（一句一翻，效率低）。

3. 软硬逻辑等价性： 同一个功能，硬件做性能高成本高，软件做性能低成本低。

4. ISA： 软硬件的交界面，定义了计算机的"能力范围"。

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以上就是计算机软件的全部内容，内容简单，但是希望对大家有所帮助，谢谢！