1.2.3计算机软件

一个完整的计算机系统由硬件和软件组成，用户使用软件，而软件运行在硬件之上，软件进一步的划分为两类：应用软件和系统软件。普通用户通常只会跟应用软件打交道。应用软件是为了解决用户的某种特定的需求而研发出来的。除了每个人都在用的这些软件之外，也有一些专业人士使用的软件，比如说设计人员使用 Photoshop，以及CAD这类的工程制图软件，这些都是我们熟悉的应用软件。应用软件直接为用户提供服务，系统软件负责管理底层的硬件资源并且向上层的这些应用软件提供服务，比如操作系统是一种最典型的系统软件，无论是抖音、qq 还是美图，在手机上运行的时候都需要得到安卓操作系统或者 ios 操作系统的支持，所以操作系统作为一种系统软件为上层的应用软件提供了服务，大多数的应用软件在开发的时候都会需要使用到数据库的功能，数据库管理系统给上层的应用软件提供了数据库相关的一些服务，因此数据库管理系统它也属于系统软件。我们身处于一个网络时代，几乎所有的应用软件都会使用到网络软件提供的一些功能，才可以通过网络来传递信息，像网卡驱动器这一类的网络软件也属于系统软件为上层的应用软件提供了服务与支持，所有的软件在开发的时候都是使用高级语言来编写的，而高级语言翻译成更低级的机器可以识别的语言，就需要语言处理程序的服务，同时当我们在制作这些软件的时候也需要调试软件的功能，调试程序属于服务程序的一种，它也是为上层的应用软件提供服务的，在编写这些软件的时候我们也会使用到一些标准的程序库，比如我们熟悉的 printf，这些标准程序库也为上层的应用软件开发提供了支持。刚才列举的这些例子都属于系统软件，不难感受到系统软件类似于软件世界里边的基建，为上层的应用软件提供了最基础的一些功能和服务。这些软件运行在计算机硬件之上，而计算机的硬件它只能识别二进制的机器语言，显然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。

通常是用一些高级语言编写程序，然后再把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，编译器或者叫编译程序完成了编译的这一步，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，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，这就是三种级别的语言。我们现在编程使用的C、C++、Java、Python这些都属于高级语言，而汇编语言和机器语言都属于低级的语言。刚才我们举了C语言程序的例子经过编译和汇编这样的两步，翻译为了与之等价的机器语言程序。还有一些编程语言可以通过编译器的翻译直接把源程序翻译成机器语言程序，也就是说有的编程语言会跳过汇编语言的这个中间阶段。

还有一些解释型的语言，比如说JavaScript或者shell脚本，这类的语言在程序执行的时候通过解释程序，把这种高级语言写的代码翻译成等价的机器语言指令。解释程序和编译程序都是把高级语言直接翻译成机器语言那二者的区别是什么呢？首先编译程序是把高级语言编写的原程序全部一次性翻译成机器语言程序，然后再来执行这个机器语言程序。举一个典型的例子在 windows 电脑当中用 c语言编写的程序最终会被我们生成一个.exe 文件，那这个.exe 文件就是机器语言程序，可以直接被 cpu 识别和运行，相比之下这种解释型的语言是在程序执行的时候每执行一句程序代码，就把这一句代码，翻译成与之等价的机器语言指令，也就是说每执行一句就翻译一句。那这就意味着如果一个程序语句被多次执行那么我是不是也得多次翻译，这就会导致效率的降低。

假如现在需要把 a 这个人说的一段中文，翻译成英文给 b 听，编译程序的这种方式就有点类似于你直接把 a 说的中文用纸质的方式把它一次性全部翻译，然后交给 b ，而解释程序的这种方式有点类似于在做同声传译， a 说一句翻译一句。想象一下如果 a 在不断重复的说同一段中文那用上面这种方式你是不是只需要进行一次翻译，而如果采用同声传译的方式那无论 a 重复了多少遍这一段中文那只要他说一次你是不是还得再翻译一次，所以通常来说这种解释型的语言要比这种编译型的语言效率要更低，最后还需要补充一个概念，无论是编译器会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。
一个程序或者说一个软件它就是由若干的指令序列来组成的，CPU会负责执行这些指令，由CPU 这种硬件去完成每一条指令所要求的功能，最终来实现这个软件所要求的功能目标。事实上软件和硬件在逻辑功能上是等价的，同一个逻辑功能我们既可以用硬件来实现，也可以用软件的方式来实现。

举个例子，假设用户需要计算九八五乘以六这个乘法运算，如果这个硬件它本身就设计了一些电路可以直接支持乘法运算，相应的我们就可以直接使用一条乘法指令来完成九八五乘以六这个乘法运算，这就是用纯硬件的方式，用乘法电路实现了这个功能需求。假设这个CPU没有乘法电路，同时
也不支持乘法指令，可以采取另一种软件的思路去实现九八五乘以六。比如这个硬件它只要支持加法那么我们就可以编写六条加法指令，来完成六个九八五相加的操作。六个九八五相加逻辑上功能效果也是相当于九八五乘以六，通过这个例子大家应该能够感受到什么叫软件和硬件的逻辑功能等价性。同一个功能它可以用硬件实现也可以用软件实现。用硬件实现就需要设计复杂的电路，同时这个电路的制造成本也会更高，好处也很明显，会让运算的速度提升也就是让性能变强。如果用软件实现同样的逻辑功能，可以让电路的制造成本变低但同时运算的性能肯定也会下降。

既然软件和硬件在逻辑功能上是等价的，那在设计一个计算机系统的时候，这个计算机系统它到底需要有多少种电路需要支持多少种指令呢，这个就是我们在设计计算机系统的时候需要考虑的一个问题。需要引入一个概念叫做指令集体系结构，英文缩写叫ISA，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，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。

这个小节当中我们认识了计算机软件，计算机软件可以分为系统软件和应用软件两类，并且介绍了三个级别的语言，分别是高级语言、汇编语言和机器语言，为了把更高级的语言翻译成更低级的机器可以识别的语言，我们通常需要编译器、汇编器或者解释器的帮助，这三者都可以统称为翻译程序，都是把更高级的语言翻译成更低级的语言。这些概念可能在选择题当中进行考察，这个小节的最后也介绍了软件和硬件在逻辑功能上是具有等价性的，同一个功能我们既可以用硬件实现，也可以用软件实现，用硬件的方式实现性能高成本也更高，用软件的方式去实现性能更差成本也会更低。为了综合的考虑到性能和成本的平衡，在设计一个计算机系统的时候需要考虑到这个计算机系统的指令集体系结构，也就是要清晰的界定，这台计算机的硬件和软件之间的界限。需要设计出这台计算机可以支持哪些指令，每条指令的作用是什么，以及每条指令的用法是什么。