编程必备基础知识|计算机组成原理篇(04)：计算机的层次与编程语言

计算机基础方面的知识，对于一些非科班出身的同学来讲，一直是他们心中的痛，而对于科班出身的同学，很多同学在工作之后，也意识到自身所学知识的不足与欠缺，想回头补补基础知识。关于计算机基础的课程很多，内容繁杂，但无论是相关书籍还是大学课程，都有点脱离工作。特别地，计算机基础知识体系庞杂，想要从零学习或者复习都耗时耗力。

有鉴于此，本系列文章将带你更快的补足编程必备基础知识，涵盖计算机领域三大基础知识：计算机组成原理、操作系统、计算机网络，这些都是大学计算机课程里面最重要的内容。文章对这些内容做了提炼和总结，摒弃了作为程序员不需要掌握的知识。

目的是：

• 帮助大家形成计算机知识的结构体系
• 帮助大家理解计算机底层原理
• 帮助大家在工作实践中借鉴其中的优秀设计

本篇是计算机组成原理之计算机的层次与编程语言。

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程序翻译与程序解释

计算机是无法直接理解人类语言的，它只认识01010101...这样的比特位，因此，我们需要进行程序翻译或程序解析，把人类语言翻译或解析成计算机所能理解的语言。

那么程序翻译和程序解析这两者之间有什么区别和联系呢？为了理解问题，我们引入两个语言，一个是较为高级的计算机语言——L1，另一个是较为低级的计算机语言——L0，我们接下来会使用这两个语言作为例子来理解什么是程序翻译，什么是程序解析。

程序翻译

假设我们现在使用较为高级的计算机语言L1来进行程序的逻辑描述，也就是说我们使用L1来编写程序，那么这个由L1编写的程序是怎么样执行的呢？当然了，它不是直接执行的，而是在执行的时候生成一个逻辑等价的由低级语言L0组成的程序，这个L0是计算机实际执行的语言，那么由L1生成L0这个过程，我们称之为程序翻译，用于生成L0的工具叫编译器。

程序解析

同样的，假如我们使用L1来进行程序的逻辑描述，那么这个由L1编写的程序是怎样执行的呢？为了执行L1，我们还需要使用L0实现另外一个程序，这个程序把L1程序作为输入来进行执行，每一句L1程序会在L0所实现的程序里面进行等价的转换，然后执行，这就是程序的解析，其中，使用L0实现的程序叫做解释器。

简要的总结程序翻译和程序解析：

1. 对于前面的两个例子而言，计算机执行的指令都是L0
2. 翻译过程生成新的L0程序，解释过程不生成新的L0程序
3. 解释过程由L0编写的解释器去解释L1程序

理解了程序翻译和程序解释，我们来看下常见的编程语言，哪些语言是翻译型语言，哪些是解释型语言，如下图：

对于常见的，我们还有Java和C#，它们又属于哪种语言呢？其实，严格的来说，它们既不属于翻译型语言，也不属于解释型语言，它们是属于翻译+解释型语言。

如何理解翻译+解释型语言呢？以Java程序的运行过程为例，Java程序首先会被编译器编译成JVM字节码，然后会通过解释器解释成机器码，从而被计算机执行。

计算机的层次与编程语言

按层次来划分计算机系统的话，我们可以划分成七个层次。

下面逐一介绍每一层。

硬件逻辑层：主要由门电路、触发器等逻辑电路组成，属于电子工程的领域，这里就不展开介绍了。

微程序机器层：编程语言主要是微指令集，微指令所组成的微程序直接交由硬件执行，主要是由生产硬件的公司的程序员来编写的。

传统机器层：编程语言主要是CPU指令集（机器指令），和硬件是直接相关的，程序员所用机器指令编写的程序可以交由微程序直接进行解析，而这里提到的指令集，存储在CPU内部，对CPU的运算进行指导和优化，拥有指令集，CPU就可以有效地运行。我们知道，CPU的制造商分为AMD和Intel两大阵营，那么这两大厂商生产的CPU最大的区别是——指令集不同，Intel的CPU所使用的指令集不适合AMD的CPU，同样的，AMD的CPU所使用的指令集也不适合Intel。除了不同厂商以后，同一个厂商也可以生产不同指令集的CPU，即不同架构的CPU使用不同的CPU指令集。

操作系统层：操作系统，一方面，向上提供了简易的操作界面，使得用户能够容易地操作计算机；同时，向下对接了指令系统，管理硬件资源。操作系统对用户程序所使用机器的各种资源进行管理和分配，包括CPU、存储器等等，比如说，当一个用户程序需要运行的时候，首先由操作系统将其加载到内存中，这就需要操作系统首先为其分配内存空间来进行存储。再比如说，某一个程序需要使用某一个输出设备进行结果输出的时候，需要操作系统为其提供该设备的控制权。由此可见，操作系统是在软件和硬件之间的适配层。

汇编语言层：编程语言是汇编语言，汇编语言可以翻译成可直接执行的机器语言，完成这个翻译过程的程序就是汇编器。从这一层开始，它们所使用的编程语言就是人类比较容易理解的语言了。

高级语言层：编程语言就是为广大程序员所接受的高级语言，种类非常多，有几百种，常见的编程语言有Python、Java、C/C++、Golang等。

应用层：计算机针对某种用途而设计的应用，像Word、Excel等。

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