計算機的軟、硬件都是一種排列組合的藝術(shù)。硬件是晶體管（邏輯門）的排列組合（包括由邏輯開關(guān)組合的加法器和記憶電路，基本邏輯門可以組合成簡單的加法器，加法器可以組合成復雜的邏輯模塊，可以逐級組合。每一個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，全部模塊便可以對應(yīng)一個指令集）；軟件是基本指令或語句的組合，一個指令序列就是一個程序。從這個意義上理解，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（動態(tài)連線），這也是在現(xiàn)在計算機系統(tǒng)中，軟、硬件的界限模糊的原因所在。
計算機硬件的基本模塊雖然只能完成簡單的操作，但是其速度非?？?，1秒可以完成上億次的操作（對一些機械重復性的操作特別有優(yōu)勢）。另外，構(gòu)成計算機基本單元的邏輯開關(guān)（晶體管）可以做到特別小，一個指甲大的芯片可以集成上億個晶體管（最近IBM的5nm技術(shù)可達300億個）。
所有裝有CPU芯片的機器都有一張操作命令清單（指令集），讓你可以控制它。有時這個清單非常簡短，如電水壺就只允許兩種操作：打開和關(guān)閉；CD播放器稍微復雜點，除了打開和關(guān)閉以外，還能調(diào)節(jié)音量、播放、暫停、快進、快退、隨機播放等。計算機和其他機器一樣，也有一張操作命令清單。比如，可以命令計算機把兩個數(shù)相加。這種操作命令的總和就是計算機的機器語言（machine language），直接面對機器，無須任何解釋，可以直接執(zhí)行。
如果計算機再安裝一個操作系統(tǒng)，不但方便和簡化計算機的操作，還可以完成更復雜的任務(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)都保存到計算機的存儲體系中，同等對等。如1001，可以是一個數(shù)字，也可以是一個指令，或代表一個字符（到于具體代表什么，需要根據(jù)指令規(guī)范或計算機語言規(guī)范去在上下文中理解）。
一個程序（指令序列）運行時，全部的指令序列代碼存儲在內(nèi)存的代碼區(qū)，全部指令都有地址對應(yīng)；指令序列中定義的數(shù)據(jù)（或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）存儲在內(nèi)存的數(shù)據(jù)區(qū)中，同樣有地址對應(yīng)。不管是指令，還是指令中定義的數(shù)據(jù)，都可以通過地址碼被訪問到。
在計算機系統(tǒng)中，指令集中的具體操作功能主要是由CPU的運算器去完成；對指令和和數(shù)據(jù)的存儲，由存儲器或寄存器去完成，對指令的和數(shù)據(jù)的調(diào)取、對指令的解釋，則由控制器去完成。
計算機系統(tǒng)（軟硬件大廈）的各個層次的基本特點可以概括為：
硬件：運算器在控制器的調(diào)度下操作存儲器（主存或寄存器）中的數(shù)據(jù)；
機器語言：用操作碼處理地址碼；
匯編語言：用操作符號處理變量名字；
高級語言：用語句處理各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
操作系統(tǒng)：用系統(tǒng)命令處理文件；
計算機是數(shù)據(jù)處理的機器，具體的處理是由控制器調(diào)度和解釋操作碼、或操作符號、或語句、或系統(tǒng)命令，由運算器具體操作。處理的對象就是數(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。對比到工廠的產(chǎn)品加工，就如同加工的具體動作、步驟、工藝、加工的對象，或是零件、或是物料。
寫程序也叫編代碼，用什么語言編呢？用機器語言編的01串，機器可以直接運行，運行效率高，但編寫和維護都很困難。有人想到，如果保留機器指令的結(jié)構(gòu)，用便于記憶和理解的符號和名字（字母和10進制數(shù)字組成的字符串），去一一對應(yīng)操作碼和地址，寫好后再通過查指令清單去轉(zhuǎn)換為01串，肯定要易于編寫和維護。至于如何查找和轉(zhuǎn)換，其實這正是計算機所擅長的，編寫一個這樣的轉(zhuǎn)換程序即可，這種思想下的語言就是匯編語言，轉(zhuǎn)換程序就是匯編器（匯編語言操作符號的字符串與機器語言操作碼的01串是一一對應(yīng)的關(guān)系）。更進一步，用更抽象更接近自然語言的語句和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述操作符號和變量名字，就是高級語言和編譯器（或解釋器）。
三種語言對指令序列的描述，可以對比一下：
上面說到，計算機的神奇之處在于速度特別快，特別擅長作機械重復性的工作。具體到語言，同樣的，通過跳轉(zhuǎn)或控制結(jié)構(gòu)，也可以實現(xiàn)代碼的循環(huán)運行，實行重復操作。也就是說，假設(shè)要實現(xiàn)從1到10000連加，不需要編寫10000行代碼，只需要通過跳轉(zhuǎn)或控制結(jié)構(gòu)，通過定義一個變量（對應(yīng)一個內(nèi)存單元的數(shù)據(jù)），讓這一行或少數(shù)幾行代碼重復執(zhí)行10000次即可。如匯編語言的JMP、Basic的goto、C語言的for或while等循環(huán)結(jié)構(gòu)都可以實現(xiàn)這種跳轉(zhuǎn)。（當然也可以實現(xiàn)按條件選擇執(zhí)行部分代碼，實現(xiàn)分支結(jié)構(gòu)。）
1 機器語言：用操作碼處理地址碼
計算機的指令集是廠家編寫的，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)這份清單來編寫程序，組織一個指令序列。
指令集的指令從功能上一般可以區(qū)分分為：算術(shù)運算、邏輯運算、代碼傳送、控制指令、停機等。
每條指令都由操作碼（具體動作）和地址碼（指向具體數(shù)據(jù)）組成。每條指令中無論是數(shù)據(jù)還是操作碼，全部都是0和1的串，對應(yīng)邏輯開關(guān)的開與關(guān)。由指令序列構(gòu)成的每個程序，也全部都是0和1。
機器語言（machine language）是機器指令的一個列表，其中的每個指令都能直接被處理器理解。它也可以理解成機器指令的一個執(zhí)行序列。
2 匯編語言：用操作符號處理變量名字
匯編語言（assembly language）是一種用于電子計算機、微處理器、微控制器或其他可編程器件的低級語言，亦稱為符號語言。在匯編語言中，用助記符（Mnemonics）代替機器指令的操作碼，用地址符號（Symbol）或標號（Label）代替指令或操作數(shù)的地址。在不同的設(shè)備中，匯編語言對應(yīng)著不同的機器語言指令集，通過匯編過程轉(zhuǎn)換成機器指令。普遍地說，特定的匯編語言和特定的機器語言指令集是一一對應(yīng)的,不同平臺之間不可直接移植。
3 高級語言：用語句處理各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
由于匯編語言依賴于硬件體系，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語言。在這種語言下，其語法和結(jié)構(gòu)更類似漢字或者普通英文，且由于遠離對硬件的直接操作，使得一般人經(jīng)過學習之后都可以編程。
高級語言又主要是相對于匯編語言而言的，它是較接近自然語言和數(shù)學公式的編程，基本脫離了機器的硬件系統(tǒng)，用人們更易理解的方式編寫程序。編寫的程序稱之為源程序。
高級語言并不是特指的某一種具體的語言，而是包括很多編程語言，如流行的java，c，c++，C#，pascal，python，lisp，prolog，F(xiàn)oxPro，易語言，中文版的C語言習語言等等，這些語言的語法、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言、函數(shù)式語言、邏輯式語言、面向?qū)ο笳Z言等。
不論何種高級語言，都有一些共同的指導思想。任何數(shù)據(jù)處理任務(wù)都應(yīng)當分解成可以適當重復進行的許多過程，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”（Procedure Oriented Programming，POP）。
在POP程序中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是具體的，形式上沒有規(guī)定各個過程（對數(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”反而使程序的運行方式變得相當不自由。運行一個POP程序，基本上就是按事先設(shè)計好的順序，依次調(diào)用各個過程。過程的調(diào)用順序可以在運行中做適當改動，但這都要預先在程序中設(shè)計好，采用判斷或“中斷”的方式實現(xiàn)。程序員或用戶不能靈機一動，就在運行中隨意改變各個過程的組織方式。
到了20世紀80年代，出現(xiàn)了一套新的程序設(shè)計思想，即“面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計”（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，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)上允許實現(xiàn)的操作，凡是沒有事先規(guī)定的操作以后都不許使用。這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為一個對象或一個“類”。對象是帶有操作（方法或事件）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，或者說由操作刻畫的數(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，這些對象是抽象地定義的，運行中可以隨時形成新的、同類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這樣一來，就有了相當自由的程序運行環(huán)境。程序設(shè)計就是分別定義各種對象，把對象在調(diào)度程序中進行登記，而程序的運行就是動態(tài)地激活和調(diào)用各種對象。對象的調(diào)用順序和同時激活的對象數(shù)目都是相當自由的。
4 操作系統(tǒng)：用系統(tǒng)命令處理文件
操作系統(tǒng)（Operating System，簡稱OS）是管理和控制計算機硬件與軟件資源的計算機程序，是直接運行在“裸機”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)的支持下才能運行。
操作系統(tǒng)是用戶和計算機的接口，同時也是計算機硬件和其他軟件的接口。操作系統(tǒng)的功能包括管理計算機系統(tǒng)的硬件、軟件及數(shù)據(jù)資源，控制程序運行，改善人機界面，為其它應(yīng)用軟件提供支持，讓計算機系統(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，使用戶有一個好的工作環(huán)境，為其它軟件的開發(fā)提供必要的服務(wù)和相應(yīng)的接口等。實際上，用戶是不用接觸操作系統(tǒng)的，操作系統(tǒng)管理著計算機硬件資源，同時按照應(yīng)用程序的資源請求，分配資源，如：劃分CPU時間，內(nèi)存空間的開辟，調(diào)用打印機等。
一個用戶或編程人員如果面對一臺沒有操作系統(tǒng)的裸機，會是一個什么樣的情況呢？一是計算機的資源不會得到充分利用；二是計算機很難操作；三是編程也會變更異常困難。就像一人去了一個沒有基礎(chǔ)設(shè)施的城市，生活寸步難行。
首先從資源的角度去理解。從時間看，一臺計算機系統(tǒng)至少涉及三類相差懸殊的處理速度。主機的節(jié)拍每秒可以執(zhí)行上億的指令，而帶有電動機、繼電器等電機械成分的外部設(shè)備，1秒只能完成上千次動作，而人呢，速度更慢了。從空間來看，計算機有大量主存和外部設(shè)備，一般一個應(yīng)用只占這些資源很小的一部分。如果一次只有一個應(yīng)用運行，則從空間和時間來說，都是資源很大的一個浪費。
因此，操作系統(tǒng)便應(yīng)運而生了，操作系統(tǒng)對計算機資源和用戶作業(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。還有用戶在工作過程中逐步建立和積累的“用戶文件”。同時，文件也并不限于文字或編碼的信息，有些外部設(shè)備也可以當作“文件”看待。例如，鍵盤是一種“只讀文件”，打印機則是“只寫文件”。
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還必須實行分層次的管理，允許建立和取消各級“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，由操作系統(tǒng)做出排隊處理的安排。
還有實時操作系統(tǒng)的時鐘管理、通信和網(wǎng)絡(luò)管理、提供程序調(diào)試手段、窗口管理、虛擬存儲管理、提供“中斷”服務(wù)，以及作業(yè)和“進程”的排隊調(diào)度等。
當然，還可以用操作系統(tǒng)命令編寫腳本，然后把腳本名字當成新的操作系統(tǒng)命令一樣使用。
