電子計算機有著比較複雜的結構,而控制複雜性的關鍵做法之一正是抽象,即隱蔽不需要的細節。
下圖是對電子計算機的分層抽象,這裡將計算機分為九層:應用程式層、作業系統層、體系結構層、微結構層、邏輯層、數位電路層、模擬電路層、器件層、物理層。
下面自底向上地簡單介紹一下各層:
物理層關注的是電子運動,由麥克斯韋方程組、量子力學等支援。
器件層關注的是電晶體、真空管等電子元器件,這些器件都有明確的外部連線點terminal,建立起了每個terminal上電壓與電流之間的關係模型。
模擬電路層關注的是器件組合在一起構成的放大器等元件,輸入輸出都是連續的電壓值。
數位電路層關注的是邏輯門,電壓被控制為離散的值表示為0和1。
邏輯層關注的是由數位電路層的邏輯門構成的邏輯元件,如加法器等。
微結構層將邏輯元件組合在一起以實現體系結構中定義的指令。
體系結構描述的是程式設計師觀點的計算機抽象。
作業系統是和硬體最為密切的程式,既是資源分配器,又控制各著種i/o裝置和使用者程式的需求。
應用軟體基於作業系統實現多種多樣的應用功能。
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