计算机系统的层次结构

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早在1960年就引入了计算机系统层次结构的概念，目前比较一致的计算机系统的层次结构如下图1.4，其中左边是层次结构中各层次的名字，右边是对应于不同层的某种编程语言表现形式。

图1：计算机系统的层次结构

1．层次结构中层次简介
0）硬联逻辑级-- 第零级
是计算机的最底层硬件，由门、触发器等逻辑电路组成，在图1中未画出。
1）微程序级--- 第1级
该级的编程工具是微指令集，程序员用微指令编写的微程序，由硬件直接执行。（如图中最下一行右边的PCWrite =1表示对PC寄存器的写控制,详细内容在控制器部分将详细学习）。计算机组成原理在计算机系统层次结构中所处的层次就是微程序设计级。
2）传统机器级 ---- 第2级
该级的编程工具是计算机的机器语言指令集，程序员用机器指令编写的程序由微程序进行解释执行。
3）操作系统级 --- 第3级
从操作系统的基本功能来看，一方面它直接管理传统机器中的软硬件资源，另一方面它又是传统机器的延伸。
4）汇编语言级 --- 第4级
该级的编程工具是汇编语言指令集。与第二层所采用的机器语言编程工具相比，采用汇编语言编写程序便于理解与记忆。
5）高级语言级 --- 第5级
该集的编程工具是各种高级语言如C语言等，高级语言源程序通常用编译程序来完成高级语言翻译后才能被底层的硬件执行。
2．层次之间的关系
1）各层次之间的关系十分密切，高层是低层功能的扩展，低层是高层实现的基础。
2）站在不同的层次观察计算机系统，到关于计算机不同的概念。上图第二列分别对应地给出了从高级语言、汇编语言、机器语言和微程序设计级所看到的计算机的不同编程工具。
3）层次划分不是绝对的。计算机系统的层次结构会随着软件硬化和硬件软化而动态变化。
二、层次结构划分的意义
1．划分层次结构的目的
将计算机系统分为多级层次结构的目的在于划分层次之间的界面，明确各层的功能，以便构成合理、高效的计算机系统。同时，在不影响其它层次的前提下，可通过对层次结构中单层或多层次的优化来提高计算机的性能。
2．硬件和软件逻辑功能的等价性
计算机中的许多功能可以由硬件实现，也可以由软件实现，即从用户的角度来看它们在功能上是等价的，称为软/硬件逻辑功能的等价性。如乘法运算既可由乘法硬件直接实现，也可以用子程序实现，这两种实现方法在功能上完全等效，不同的只是执行时间的长短不同而已。
3．硬件和软件逻辑功能等价性的应用
软硬件的逻辑等价性原理是计算机系统设计的重要依据,软硬件的功能分配及其界面的确定是计算机系统结构研究的重要内容。当研制一台计算机时，设计者必须明确分配每一级的任务，确定哪些功能使用硬件实现，哪些功能使用软件实现。软/硬功能界面的划分依据由设计目标、性能价格比、技术水平等综合因素决定。