計(jì)算機(jī)的軟、硬件都是一種排列組合的藝術(shù)。硬件是晶體管（邏輯門(mén)）的排列組合（包括由邏輯開(kāi)關(guān)組合的加法器和記憶電路，基本邏輯門(mén)可以組合成簡(jiǎn)單的加法器，加法器可以組合成復(fù)雜的邏輯模塊，可以逐級(jí)組合。每一個(gè)模塊都可以完成一些基本的操作，這些操作用0、1描述就是指令，全部模塊便可以對(duì)應(yīng)一個(gè)指令集）；軟件是基本指令或語(yǔ)句的組合，一個(gè)指令序列就是一個(gè)程序。從這個(gè)意義上理解，硬件可以理解為基本模塊的硬組合（固定連線），程序可以理解為基本模塊的軟組合（動(dòng)態(tài)連線），這也是在現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，軟、硬件的界限模糊的原因所在。
計(jì)算機(jī)硬件的基本模塊雖然只能完成簡(jiǎn)單的操作，但是其速度非?？?，1秒可以完成上億次的操作（對(duì)一些機(jī)械重復(fù)性的操作特別有優(yōu)勢(shì)）。另外，構(gòu)成計(jì)算機(jī)基本單元的邏輯開(kāi)關(guān)（晶體管）可以做到特別小，一個(gè)指甲大的芯片可以集成上億個(gè)晶體管（最近IBM的5nm技術(shù)可達(dá)300億個(gè)）。
所有裝有CPU芯片的機(jī)器都有一張操作命令清單（指令集），讓你可以控制它。有時(shí)這個(gè)清單非常簡(jiǎn)短，如電水壺就只允許兩種操作：打開(kāi)和關(guān)閉；CD播放器稍微復(fù)雜點(diǎn)，除了打開(kāi)和關(guān)閉以外，還能調(diào)節(jié)音量、播放、暫停、快進(jìn)、快退、隨機(jī)播放等。計(jì)算機(jī)和其他機(jī)器一樣，也有一張操作命令清單。比如，可以命令計(jì)算機(jī)把兩個(gè)數(shù)相加。這種操作命令的總和就是計(jì)算機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言（machine language），直接面對(duì)機(jī)器，無(wú)須任何解釋?zhuān)梢灾苯訄?zhí)行。
如果計(jì)算機(jī)再安裝一個(gè)操作系統(tǒng)，不但方便和簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)的操作，還可以完成更復(fù)雜的任務(wù)，編程也可以調(diào)用操作系統(tǒng)的資源。
根據(jù)馮·諾依曼的內(nèi)部存儲(chǔ)程序概念，不管是指令、還是由指令處理的數(shù)據(jù)都保存到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)體系中，同等對(duì)等。如1001，可以是一個(gè)數(shù)字，也可以是一個(gè)指令，或代表一個(gè)字符（到于具體代表什么，需要根據(jù)指令規(guī)范或計(jì)算機(jī)語(yǔ)言規(guī)范去在上下文中理解）。
一個(gè)程序（指令序列）運(yùn)行時(shí)，全部的指令序列代碼存儲(chǔ)在內(nèi)存的代碼區(qū)，全部指令都有地址對(duì)應(yīng)；指令序列中定義的數(shù)據(jù)（或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）存儲(chǔ)在內(nèi)存的數(shù)據(jù)區(qū)中，同樣有地址對(duì)應(yīng)。不管是指令，還是指令中定義的數(shù)據(jù)，都可以通過(guò)地址碼被訪問(wèn)到。
在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，指令集中的具體操作功能主要是由CPU的運(yùn)算器去完成；對(duì)指令和和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，由存儲(chǔ)器或寄存器去完成，對(duì)指令的和數(shù)據(jù)的調(diào)取、對(duì)指令的解釋?zhuān)瑒t由控制器去完成。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（軟硬件大廈）的各個(gè)層次的基本特點(diǎn)可以概括為：
硬件：運(yùn)算器在控制器的調(diào)度下操作存儲(chǔ)器（主存或寄存器）中的數(shù)據(jù)；
機(jī)器語(yǔ)言：用操作碼處理地址碼；
匯編語(yǔ)言：用操作符號(hào)處理變量名字；
高級(jí)語(yǔ)言：用語(yǔ)句處理各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
操作系統(tǒng)：用系統(tǒng)命令處理文件；
計(jì)算機(jī)是數(shù)據(jù)處理的機(jī)器，具體的處理是由控制器調(diào)度和解釋操作碼、或操作符號(hào)、或語(yǔ)句、或系統(tǒng)命令，由運(yùn)算器具體操作。處理的對(duì)象就是數(shù)據(jù)，可以是表示數(shù)據(jù)的地址碼、或變量名字、或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、或文件。對(duì)比到工廠的產(chǎn)品加工，就如同加工的具體動(dòng)作、步驟、工藝、加工的對(duì)象，或是零件、或是物料。
寫(xiě)程序也叫編代碼，用什么語(yǔ)言編呢？用機(jī)器語(yǔ)言編的01串，機(jī)器可以直接運(yùn)行，運(yùn)行效率高，但編寫(xiě)和維護(hù)都很困難。有人想到，如果保留機(jī)器指令的結(jié)構(gòu)，用便于記憶和理解的符號(hào)和名字（字母和10進(jìn)制數(shù)字組成的字符串），去一一對(duì)應(yīng)操作碼和地址，寫(xiě)好后再通過(guò)查指令清單去轉(zhuǎn)換為01串，肯定要易于編寫(xiě)和維護(hù)。至于如何查找和轉(zhuǎn)換，其實(shí)這正是計(jì)算機(jī)所擅長(zhǎng)的，編寫(xiě)一個(gè)這樣的轉(zhuǎn)換程序即可，這種思想下的語(yǔ)言就是匯編語(yǔ)言，轉(zhuǎn)換程序就是匯編器（匯編語(yǔ)言操作符號(hào)的字符串與機(jī)器語(yǔ)言操作碼的01串是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系）。更進(jìn)一步，用更抽象更接近自然語(yǔ)言的語(yǔ)句和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)描述操作符號(hào)和變量名字，就是高級(jí)語(yǔ)言和編譯器（或解釋器）。
三種語(yǔ)言對(duì)指令序列的描述，可以對(duì)比一下：
上面說(shuō)到，計(jì)算機(jī)的神奇之處在于速度特別快，特別擅長(zhǎng)作機(jī)械重復(fù)性的工作。具體到語(yǔ)言，同樣的，通過(guò)跳轉(zhuǎn)或控制結(jié)構(gòu)，也可以實(shí)現(xiàn)代碼的循環(huán)運(yùn)行，實(shí)行重復(fù)操作。也就是說(shuō)，假設(shè)要實(shí)現(xiàn)從1到10000連加，不需要編寫(xiě)10000行代碼，只需要通過(guò)跳轉(zhuǎn)或控制結(jié)構(gòu)，通過(guò)定義一個(gè)變量（對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)存單元的數(shù)據(jù)），讓這一行或少數(shù)幾行代碼重復(fù)執(zhí)行10000次即可。如匯編語(yǔ)言的JMP、Basic的goto、C語(yǔ)言的for或while等循環(huán)結(jié)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)這種跳轉(zhuǎn)。（當(dāng)然也可以實(shí)現(xiàn)按條件選擇執(zhí)行部分代碼，實(shí)現(xiàn)分支結(jié)構(gòu)。）
1 機(jī)器語(yǔ)言：用操作碼處理地址碼
計(jì)算機(jī)的指令集是廠家編寫(xiě)的，一份描述CPU芯片可完成的一些基本操作的清單，編程人員可以依據(jù)這份清單來(lái)編寫(xiě)程序，組織一個(gè)指令序列。
指令集的指令從功能上一般可以區(qū)分分為：算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、代碼傳送、控制指令、停機(jī)等。
每條指令都由操作碼（具體動(dòng)作）和地址碼（指向具體數(shù)據(jù)）組成。每條指令中無(wú)論是數(shù)據(jù)還是操作碼，全部都是0和1的串，對(duì)應(yīng)邏輯開(kāi)關(guān)的開(kāi)與關(guān)。由指令序列構(gòu)成的每個(gè)程序，也全部都是0和1。
機(jī)器語(yǔ)言（machine language）是機(jī)器指令的一個(gè)列表，其中的每個(gè)指令都能直接被處理器理解。它也可以理解成機(jī)器指令的一個(gè)執(zhí)行序列。
2 匯編語(yǔ)言：用操作符號(hào)處理變量名字
匯編語(yǔ)言（assembly language）是一種用于電子計(jì)算機(jī)、微處理器、微控制器或其他可編程器件的低級(jí)語(yǔ)言，亦稱為符號(hào)語(yǔ)言。在匯編語(yǔ)言中，用助記符（Mnemonics）代替機(jī)器指令的操作碼，用地址符號(hào)（Symbol）或標(biāo)號(hào)（Label）代替指令或操作數(shù)的地址。在不同的設(shè)備中，匯編語(yǔ)言對(duì)應(yīng)著不同的機(jī)器語(yǔ)言指令集，通過(guò)匯編過(guò)程轉(zhuǎn)換成機(jī)器指令。普遍地說(shuō)，特定的匯編語(yǔ)言和特定的機(jī)器語(yǔ)言指令集是一一對(duì)應(yīng)的,不同平臺(tái)之間不可直接移植。
3 高級(jí)語(yǔ)言：用語(yǔ)句處理各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
由于匯編語(yǔ)言依賴于硬件體系，且助記符量大難記，于是人們又發(fā)明了更加易用的所謂高級(jí)語(yǔ)言。在這種語(yǔ)言下，其語(yǔ)法和結(jié)構(gòu)更類(lèi)似漢字或者普通英文，且由于遠(yuǎn)離對(duì)硬件的直接操作，使得一般人經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)之后都可以編程。
高級(jí)語(yǔ)言又主要是相對(duì)于匯編語(yǔ)言而言的，它是較接近自然語(yǔ)言和數(shù)學(xué)公式的編程，基本脫離了機(jī)器的硬件系統(tǒng)，用人們更易理解的方式編寫(xiě)程序。編寫(xiě)的程序稱之為源程序。
高級(jí)語(yǔ)言并不是特指的某一種具體的語(yǔ)言，而是包括很多編程語(yǔ)言，如流行的java，c，c++，C#，pascal，python，lisp，prolog，F(xiàn)oxPro，易語(yǔ)言，中文版的C語(yǔ)言習(xí)語(yǔ)言等等，這些語(yǔ)言的語(yǔ)法、命令格式都不相同。根據(jù)不同的抽象方式，還可以分為命令式語(yǔ)言、函數(shù)式語(yǔ)言、邏輯式語(yǔ)言、面向?qū)ο笳Z(yǔ)言等。
不論何種高級(jí)語(yǔ)言，都有一些共同的指導(dǎo)思想。任何數(shù)據(jù)處理任務(wù)都應(yīng)當(dāng)分解成可以適當(dāng)重復(fù)進(jìn)行的許多過(guò)程，例如函數(shù)和子程序。程序中可以有平鋪直敘的“串行模塊”，反復(fù)執(zhí)行的“循環(huán)模塊”，以及根據(jù)情況判斷下一步往何處去的“分支模塊”。使用這三種模塊便可實(shí)現(xiàn)任何數(shù)據(jù)處理，這就是所謂的“結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)”（Procedure Oriented Programming，POP）。
在POP程序中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是具體的，形式上沒(méi)有規(guī)定各個(gè)過(guò)程（對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作）和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。這種“自由度”反而使程序的運(yùn)行方式變得相當(dāng)不自由。運(yùn)行一個(gè)POP程序，基本上就是按事先設(shè)計(jì)好的順序，依次調(diào)用各個(gè)過(guò)程。過(guò)程的調(diào)用順序可以在運(yùn)行中做適當(dāng)改動(dòng)，但這都要預(yù)先在程序中設(shè)計(jì)好，采用判斷或“中斷”的方式實(shí)現(xiàn)。程序員或用戶不能靈機(jī)一動(dòng)，就在運(yùn)行中隨意改變各個(gè)過(guò)程的組織方式。
到了20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了一套新的程序設(shè)計(jì)思想，即“面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)”（Object Oriented Programming，OOP）。OOP的基本思想是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象化。在定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，就要做好兩方面的規(guī)定，一是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)、狀態(tài)或?qū)傩裕欢且?guī)定在此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上允許實(shí)現(xiàn)的操作，凡是沒(méi)有事先規(guī)定的操作以后都不許使用。這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)對(duì)象或一個(gè)“類(lèi)”。對(duì)象是帶有操作（方法或事件）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，或者說(shuō)由操作刻畫(huà)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。從形式上看，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作的關(guān)系不自由了。然而，這些對(duì)象是抽象地定義的，運(yùn)行中可以隨時(shí)形成新的、同類(lèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這樣一來(lái)，就有了相當(dāng)自由的程序運(yùn)行環(huán)境。程序設(shè)計(jì)就是分別定義各種對(duì)象，把對(duì)象在調(diào)度程序中進(jìn)行登記，而程序的運(yùn)行就是動(dòng)態(tài)地激活和調(diào)用各種對(duì)象。對(duì)象的調(diào)用順序和同時(shí)激活的對(duì)象數(shù)目都是相當(dāng)自由的。
4 操作系統(tǒng)：用系統(tǒng)命令處理文件
操作系統(tǒng)（Operating System，簡(jiǎn)稱OS）是管理和控制計(jì)算機(jī)硬件與軟件資源的計(jì)算機(jī)程序，是直接運(yùn)行在“裸機(jī)”上的最基本的系統(tǒng)軟件，任何其他軟件都必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運(yùn)行。
操作系統(tǒng)是用戶和計(jì)算機(jī)的接口，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)硬件和其他軟件的接口。操作系統(tǒng)的功能包括管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件、軟件及數(shù)據(jù)資源，控制程序運(yùn)行，改善人機(jī)界面，為其它應(yīng)用軟件提供支持，讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所有資源最大限度地發(fā)揮作用，提供各種形式的用戶界面，使用戶有一個(gè)好的工作環(huán)境，為其它軟件的開(kāi)發(fā)提供必要的服務(wù)和相應(yīng)的接口等。實(shí)際上，用戶是不用接觸操作系統(tǒng)的，操作系統(tǒng)管理著計(jì)算機(jī)硬件資源，同時(shí)按照應(yīng)用程序的資源請(qǐng)求，分配資源，如：劃分CPU時(shí)間，內(nèi)存空間的開(kāi)辟，調(diào)用打印機(jī)等。
一個(gè)用戶或編程人員如果面對(duì)一臺(tái)沒(méi)有操作系統(tǒng)的裸機(jī)，會(huì)是一個(gè)什么樣的情況呢？一是計(jì)算機(jī)的資源不會(huì)得到充分利用；二是計(jì)算機(jī)很難操作；三是編程也會(huì)變更異常困難。就像一人去了一個(gè)沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施的城市，生活寸步難行。
首先從資源的角度去理解。從時(shí)間看，一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)至少涉及三類(lèi)相差懸殊的處理速度。主機(jī)的節(jié)拍每秒可以執(zhí)行上億的指令，而帶有電動(dòng)機(jī)、繼電器等電機(jī)械成分的外部設(shè)備，1秒只能完成上千次動(dòng)作，而人呢，速度更慢了。從空間來(lái)看，計(jì)算機(jī)有大量主存和外部設(shè)備，一般一個(gè)應(yīng)用只占這些資源很小的一部分。如果一次只有一個(gè)應(yīng)用運(yùn)行，則從空間和時(shí)間來(lái)說(shuō)，都是資源很大的一個(gè)浪費(fèi)。
因此，操作系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生了，操作系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)資源和用戶作業(yè)的調(diào)度管理，是重要的是“文件”概念。首先，有一大批供一切用戶共享的“系統(tǒng)文件”，其中包括操作系統(tǒng)本身和各種語(yǔ)言的編譯、解釋程序，以及產(chǎn)生和修改文件用的編輯程序、連接程序等。還有用戶在工作過(guò)程中逐步建立和積累的“用戶文件”。同時(shí)，文件也并不限于文字或編碼的信息，有些外部設(shè)備也可以當(dāng)作“文件”看待。例如，鍵盤(pán)是一種“只讀文件”，打印機(jī)則是“只寫(xiě)文件”。
文件的生成、修改、編輯、合并、刪除和目錄管理是操作系統(tǒng)最重要的功能之一。用戶眾多或文件成堆時(shí)還必須實(shí)行分層次的管理，允許建立和取消各級(jí)“子目錄”，這些都是文件管理系統(tǒng)的任務(wù)。
輸入和輸出設(shè)備的管理是操作系統(tǒng)的另一項(xiàng)重要任務(wù)。用戶所有的輸入輸出操作，都只能是向操作系統(tǒng)提出申請(qǐng)，由操作系統(tǒng)做出排隊(duì)處理的安排。
還有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的時(shí)鐘管理、通信和網(wǎng)絡(luò)管理、提供程序調(diào)試手段、窗口管理、虛擬存儲(chǔ)管理、提供“中斷”服務(wù)，以及作業(yè)和“進(jìn)程”的排隊(duì)調(diào)度等。
當(dāng)然，還可以用操作系統(tǒng)命令編寫(xiě)腳本，然后把腳本名字當(dāng)成新的操作系統(tǒng)命令一樣使用。
