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。
历史好文:
计算机组成原理:计算机的发展历史
计算机组成原理:计算机的分类
计算机组成原理:计算机的体系与结构
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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。
程序翻译过程
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。
程序解释的过程
简要的总结程序翻译和程序解析:
对于前面的两个例子而言,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
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:
翻译型语言和解释型语言
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。
计算机的层次
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。
微指令、微程序、机器指令的概念
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,由几百种,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。