计算机系统结构解析：虚拟机与软硬件界限

"计算机体系结构-笔记及总结-20201" 计算机体系结构是研究计算机硬件、软件以及它们之间相互作用的学科，是构建计算机系统的基础。在本笔记中，我们将深入探讨第一章的核心概念，即计算机系统结构的多级层次结构。 1.1 计算机系统的多级层次结构 计算机系统由软件、硬件和固件三部分组成，形成一个从实际机器到抽象应用的多级层次结构。这个层次结构允许我们从不同的视角理解和操作计算机。通常，第0级和第1级被视为实际机器，涉及到计算机的硬件基础，包括处理器、内存和输入输出设备。第0级别和第1级别关注的是计算机组成与系统结构，这是计算机能够执行指令的基础。 第2级至第4级被认为是系统软件，包括操作系统、驱动程序和中间件，它们提供了更高层次的抽象，使得程序员可以使用高级编程语言编写应用程序。第5级及以上则涵盖了各种应用软件，如办公软件、游戏、图形处理工具等，这些都是用户直接交互的部分。 在这些层级中，除了第0级和第1级，其他层级的"机器"实际上是虚拟机，它们由软件模拟出来，使得不同的软件能够在相同的硬件平台上运行。虚拟机提供了隔离和抽象，使得软件开发和运行更加灵活。 1.2 计算机系统结构、组成与实现 计算机系统结构不仅仅是硬件层面的设计，它还涉及软件如何与硬件交互，以及这种交互如何被程序员所感知。系统结构定义了程序员可见的特性，包括数据表示、指令集、内存模型等。而计算机组成则关注这些特性的逻辑实现，比如数据流和控制流的布局，以及逻辑设计。 计算机实现则是将组成方案转化为实际的物理组件，包括选择合适的集成电路、微电子工艺和组装技术。这一过程需要考虑到性能、成本、功耗和可靠性等因素。硬件实现通常速度快但成本高，软件实现则灵活性好但速度相对较慢。 固件介于软件和硬件之间，它以可永久保存的形式存在于ROM等非易失性存储器中，执行特定的功能，例如BIOS（基本输入输出系统）就是固件的一种，负责初始化硬件和引导操作系统。 在设计计算机系统时，一个关键任务是确定软硬件的边界，合理分配各自的功能。这涉及到性能、成本、易用性等多个因素的权衡。硬件通常用于实现那些对速度要求高、需要高效运行的任务，而软件则用于实现那些需要灵活性和可扩展性的功能。固件则作为两者之间的桥梁，确保底层硬件功能的稳定性和可靠性。 计算机体系结构的研究涵盖了从实际机器到高级应用的每一个层面，理解这个多级层次结构对于设计高效、可靠的计算系统至关重要。同时，它也揭示了软件、硬件和固件在逻辑功能上的等效性，以及如何通过翻译和解释等技术实现不同层次之间的转换。