计算机的层次与编程语言

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前言

今天给大家介绍一下计算机的层次与编程语言，包含两个板块：程序翻译与程序解释、计算机的层次与编程语言。

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一、程序翻译与程序解释

为什么要进行程序翻译和程序解释？因为人类语言和计算机语言是互不相通的，计算机能理解的语言只有 0101010…这样的二进制比特位。所以我们需要把人类语言的程序翻译或者解释为计算机能懂的语言，也就是需要进行语言之间的转换。

那程序翻译和程序解释有什么区别和联系呢？为了解释这两者的关系，我们引入两个语言：较为高级的计算机语言L1、较为低级的计算机语言L0，L1和L0是随便命名的名字。接下来就使用这两个语言给大家举例说明什么是程序翻译？什么是程序解释？

什么是程序翻译呢？假设现在使用较为高级的计算机语言L1来编写一段程序，当然了，这个程序不是直接执行的，它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。那么这个L0才是计算机实际执行的语言，从L1生成L0这个过程，就称之为程序翻译，负责生成过程的这个工具叫做编译器。示意图如下所示：

那什么又是程序解释呢？同样的，我们使用较为高级的计算机语言L1进行程序的逻辑描述，也就是编写一段程序，那它是怎么执行的呢？为了执行这个L1语言，我们还需要用L0语言实现另一个程序，然后这个程序把L1语言的程序作为输入来执行，每一个L1的语句都会在L0里面进行等价的逻辑转换，转换成L0并且执行。这个过程就称为程序解释，而使用L0语言实现的另外一个程序，我们就称为解释器。示意图如下所示：

简单总结下程序解释与程序翻译的区别和共同点：

• 计算机执行的指令都是L0
• 翻译过程生成新的L0程序，解释过程不生成新的L0程序
• 解释过程由L0编写的解释器去解释L1程序

目前市面上有200多种编程语言，哪些是属于翻译型语言？哪些是属于解释型语言呢？各举例一些代表性语言如下图所示：

除了上面常用的语言之外，还有两种非常常用的语言：Java和C#，那这两种属于什么呢？属于翻译+解释型。

翻译+解释是怎么理解？我们以Java语言为例，对于一个Java程序要执行的时候，首先会编译为JVM字节码，这里面的编译也就是我们所指的程序翻译，接着JVM字节码还会解释成为机器码来执行。这里面有一个重要的角色：JVM虚拟机，这是Java语言所特有的一个虚拟机，平时编写Java代码都是在这个虚拟机的上层来编写的。示意图如下所示：

二、计算机的层次与编程语言

如果按层次划分计算机的话，可以划分为7个层次：硬件逻辑层、微程序机器层、传统机器层、操作系统层、汇编语言层、高级语言层、应用层。这里面传统机器层、微程序机器层、硬件逻辑层属于实际机器层面，也就是跟物理设备直接相关。应用层、高级语言层、汇编语言层、操作系统层属于虚拟机器层面。在这里面，虚拟机器层面还可以分为两个部分：一个是系统软件（包括高级语言层、汇编语言层、操作系统层）、一个是应用软件（就是应用层）。示意图如下所示：

接下来介绍每一层都有哪些内容，我们从底往上看。

1.硬件逻辑层

• 门、触发器等逻辑电路组成
• 属于电子工程的领域

2.微程序机器层

• 编程语言是微指令集
• 微指令所组成的微程序直接交由硬件执行

3.传统机器层

• 编程语言是CPU指令集（机器指令）
• 编程语言和硬件是直接相关（举个例子，目前CPU两大生产厂商是英特尔和AMD，这两个厂商所生产的CPU最大的区别是什么呢？就是指令系统不一样，也就是英特尔CPU所使用的指令集不适合AMD的CPU，同样的AMD也是如此。除了不同厂商以外，同一个厂商也可以生产不同指令集的CPU，如X86和X86-64，他们之间也是不能相互兼容的）
• 不同架构的CPU使用不同的CPU指令集

这里先缓缓，我们提到了三个概念：微指令、微程序、机器指令，这三者之间有什么关系呢？简单来说有两点：

• 一条机器指令对应一个微程序
• 一个微程序对应一组微指令

也就是说微程序和机器指令是相等的关系，而微程序是大于微指令的：微指令 < 微程序 = 机器指令。

4.操作系统层

• 向上提供了简易的操作界面
• 向下对接了指令系统，管理硬件资源（比如某用户程序需要运行时，首先由操作系统将其调入内存中，这就需要操作系统为其分配内存空间来进行存储。再比如，某个程序需要使用输出设备进行结果输出，也是需要操作系统为其提供该设备的控制权）
• 操作系统层是在软件和硬件之间的适配层

5.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
• 完成翻译的过程的程序就是汇编器
  从这一层开始，使用的编程语言都是人类容易理解的语言，举个汇编语言的例子，如下代码所示为汇编语言代码：

PUSH DS
PUSH AX
MOV AX,0040
MOV DS,AX
1
2
3
4

从中可以看到我们人可以理解的语言，如 PUSH, MOV 这两个单词，PUSH 意思就是把数据放入堆栈中，MOV 意思就是把数据从一个地方移动到另外的地方。

6.高级语言层

• 编程语言为广大程序员所接受的高级语言
• 高级语言的类别非常多，有两百多种
• 常见的高级语言有：Python、Java、C/C++、Golang等

7.应用层

应用层其实不能算语言了，都是一些满足用户需要的特定用途而设计的程序，如office、QQ等各种软件。

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总结

以上就是给大家介绍的所有内容，里面需要注意的是计算机的7层分层的目的是便于理解，它的分层并不是固定死的，今天的软件可能变成明天的硬件。