计算机系统层次结构

项目	值
层次	硬件逻辑 → 微程序 → 操作系统 → 汇编 → 高级语言 → 应用
ISA	指令集体系结构，软件和硬件的交界面
固件	具有软件特性的硬件，存储在 ROM 中

计算机系统由硬件和软件组成，从不同抽象层次来看，计算机系统呈现出多层结构。

1. 计算机系统的层次划分

第5级  高级语言虚拟机（应用语言）    → 面向用户
第4级  汇编语言虚拟机               → 汇编语言
第3级  操作系统虚拟机               → 操作系统
第2级  一般机器级（机器语言）        → 硬件/固件
第1级  微程序机器级                 → 微指令
第0级  硬件逻辑级（门电路）          → 硬件

2. 软件与硬件的逻辑等价性

• 任何由软件实现的功能都可以用硬件（固件）实现，反之亦然
• 这是计算机系统层次结构的理论基础
• 软件实现灵活但速度慢，硬件实现速度快但成本高
• 现代计算机中，频繁使用的功能倾向于硬件化（如乘法器、浮点运算单元）

3. 固件（Firmware）

• 固件是具有软件功能的硬件，介于纯硬件和纯软件之间
• 通常用只读存储器（ROM/PROM/EPROM）实现
• 典型例子：微程序控制器中的微程序
• 固件兼具硬件的速度和软件的灵活性

4. 三个透明性概念

在计算机系统中，不同层次之间存在“透明性”：

• 对程序员透明：程序员不需要了解（也看不到）的特性
• 对系统透明：底层实现对上层不可见
• 例：流水线对高级语言程序员透明，微程序对机器语言程序员透明

5. 从不同角度看计算机系统

角度	关注内容	研究领域
程序员角度	指令集、数据类型、寻址方式	计算机体系结构
硬件设计角度	数据通路、控制逻辑、时序	计算机组成
物理实现角度	电路设计、器件工艺	计算机实现

术语	定义
计算机体系结构	程序员所见到的计算机属性，即概念性结构和功能行为（指令集、数据类型、寻址方式等）
计算机组成	体系结构的逻辑实现，包括数据通路、控制器、存储器组织等
计算机实现	组成的物理实现，包括器件选择、电路设计、封装等
固件	用微程序实现的软件功能，固化在 ROM 中
透明性	某个特性存在但对使用者不可见、不可访问