计算机 7 层架构全解析：从硬联逻辑层到应用程序层，层层讲透

计算机分层？不就是软件+操作系统+一堆硬件么，这么说好像也对

但要装逼的话，你可以说有7层！，惊掉别人的下巴而且还一点没错

这怎么讲？

这事得从刘慈欣的《三体》中三体游戏片段说起：

在秦始皇时代，为了求解无规律的三体运动这一超级计算难题，游戏玩家“冯·诺依曼”提出用三千万名士兵组成一个巨大的人肉计算机。

基本原理是让一个或多个士兵组成一个门电路，一个士兵为非门，与门和或门需要三个士兵。士兵们手持黑白双色旗，代表“0”和“1”。通过鼓声和令旗传递。士兵根据规则举旗，（如看到特定颜色的旗帜组合则举起特定颜色的旗）改变自己的状态，相当于执行了基本的逻辑运算，最终通过阵列变换输出计算结果。

这不就完成了计算机的底层计算了么。

其中有个环节也让我很无语，一旦士兵判断出错，始皇帝直接杀头，用如此严格的纪律来保证运算的正确性，真够残暴的啊，但是人都会犯错误啊。

晶体管与硬联逻辑层

其实这里的士兵在计算机的CPU芯片里面就代表一个小小的晶体管，是物理上最小的结构，就像建房子的砖头一样，无数个晶体管组成了计算机体系的第0级——硬件逻辑层，这是整个计算的物理基础。

顺便说下世界上第一台通用电子计算机 ENIAC（爱尼阿克，1946年诞生）使用的是“晶体管”的祖先“真空管”（又称电子管），单个真空管的大小约和一个拇指或小灯泡相当，常见尺寸直径2-3厘米高5-8厘米。真空管能耗高，而且容易坏，确实像组成门电路的士兵一样，出错后只能被“干掉”。

ENIAC 诞生第二年贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿发明了点接触型晶体管，单个晶体管可以做到约1厘米见方的量级，在2020年芯片晶体管尺寸已达到几纳米的量级了，好比一个针尖大小的面积（约1平方毫米）内，可以塞进超过1亿个晶体管，台积电3纳米工艺的晶体管栅极长度仅约12-16纳米。

说了这么多数字，翻译过来就是1947年第一代晶体管是现代晶体管的10的7次方倍大。

简直可以用 “沧海一粟” 来形容。

摩尔定律还是很管用的，虽然现在不灵了。

硬联逻辑层官方定义为第0层，大概就是强调是物理基础吧，毕竟其它的都是“语言”层面的了。

7个层次

从应用语言转化为机器执行中间需要经过层层转换，最终落到硬件操作上，0和1不是终点。

第六层：应用程序层

为使计算机满足某种用途而专门设计的语言，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言，举个用商业数学软件MatLab的语言用来画圆的命令你就明白了：

matlab% 绘制一个以 (2,3) 为中心，半径为 1 的圆rectangle('Position', [2-1, 3-1, 2, 2], 'Curvature', [1, 1]);axis equal;  % 确保显示为圆形而不是椭圆形

MatLab语言就是专用的应用语言。

第五层：高级语言层

软件应用一般是程序员们用 Python、Java、C++ 等高级语言 写成，为什么高级，因为语法接近人类语言，而人是高级动物，所以.......

比如Word软件上点击“保存”按钮时，程序执行的是类似 saveFile() 这样的高级指令。只描述“做什么”（方法名），而不关心具体“如何做”（把数据写到硬件里面）。正有因为有了高级语言写程序才不会这么费劲，总不可能让我们程序员写0101吧。

第四层：汇编语言层

其实在高级语言被转为0101前，为了被机器更好的理解，高级语言程序首先被 编译程序 翻译成 汇编语言。

相当于先翻译成机器指令，比如使用 MOV（传送数据）、ADD（加法）、CALL（调用子程序）等简短符号，比二进制代码更容易理解些，相当于编剧制作的剧本。

第三层：操作系统层（系统协调层）

当好戏开场的时候（编译好的程序开始运行时），我们的导演——操作系统（比如如 Windows、macOS、Linux）会成为总协调者。它负责：

汇编程序会把汇编语言的符号指令（比如MOV AX, 0），转换成对应 CPU 的机器指令（二进制 0 和 1）

机器语言层是软件与硬件的边界层。从机器语言到硬件执行这下清楚了，下面我们要从上往下说说应用程序执行的命令是怎么变成0和1的。

第二层：机器语言层

在微程序之上就是 CPU（中央处理器） 能直接“听懂”的唯一语言——0 和 1 组成的二进制代码，对应着 CPU 架构（如 x86、ARM）的 指令集。每条指令执行一个最基本操作，如“从内存地址 0x1000 加载数据到寄存器”。

第一层：微程序层

在硬联逻辑层之上是由程序员用微指令编写的微程序层，也就是小说中鼓声和令旗：

命令通过鼓声和令旗传递。士兵根据规则（如看到特定颜色的旗帜组合则举起特定颜色的旗）改变自己的状态，相当于执行了基本的逻辑运算,微程序由硬件直接执行。

各层协同工作流程举例

当你在电脑上用计算器进行加法运行时，指令执行流程如下：

应用语言级

按“=”钮点击被识别为“两个数字相加”的应用级指令。

高级语言级

识别为求解1 + 2的结果表达语言，调用接口方法。

汇编语言级

编译器将其翻译成类似 ADD R1, 1, 2 的汇编指令（将1和2相加，结果存入寄存器R1中）。

操作系统级

操作系统调度该程序获得CPU时间片，执行操作指令。

传统机器级（机器语言）

CPU取到 ADD 指令对应的二进制机器码（比如 10110001...）。

微程序级

CPU内控制器将这条 ADD 指令分解为微指令序列：取数1 -> 取数2 -> 送入ALU（算术逻辑单元） -> 执行加法 -> 存回结果。

硬联逻辑级

在晶体管级别，输入电压的组合会导致一系列晶体管开关状态的连锁反应，这个反应路径是物理设计好的，其最终稳定后的输出端电压模式是代表“3”（二进制11）的电信号。

恭喜你，了解了从应用操作到底层执行的整个流程。

怎么样，是不是搞懂后台是怎么运行的也没那么难。

简单来讲计算机无论多么复杂的操作，经过层层转换后其底层都是由无数简单的、遵循固定规则的基本单元（门电路）组成。