机器 – 程序 – 人 (2)
"A machine with C++ or COBOL as its machine language would be complex indeed but could easily be built in today's technolody." Andrew S. Tanenbaum, <<Structured Computer Organization>> 4th edition, 1.1.1
按Andrew的说法，Intel等公司很容易就可以制造出一部直接执行C++或COBOL语句的CPU，并不需要Compiling和Assembling。在关于Java的章节1.4.3中，Andrew有提到直接执行ByteCode的CPU，即应用于嵌入式计算领域的picoJava。我的记忆中，.NET刚出来时，也有看到过Microsoft和Intel在合作开发直接执行IL指令的CPU，后来似乎就没有下文了。如果按Andrew的逻辑，不用说，直接执行Java或C#语句的计算机应该也是可以制造出来的。 有意思的是，虽然很容易就可以制造出来直接执行高级语言语句的CPU，但是，事实上这一类CPU却很罕见，我Google了一下，就找到一个Cjip，也是运用于嵌入式计算领域的，可以直接执行C/C++/Forth/Java。计算机诞生60多年以来，市场上大行其道的都是所谓“General CPU”和“General Computer”。何以如此呢？Andrew指出，这是由于通用类CPU在制造成本上具有巨大优势，而其应用则几乎不受限制。也就是说，picoJava/Cjip这类CPU，不仅制造成本上没有优势，而且其应用范围也必然受到该语言本身的约束。
在Andrew看来，既然理论上可以制造出直接执行高级语言的CPU，无妨把高级语言本身也看成是一个Virtual Machine，即对于使用高级语言的程序员而言，有一个Virtual Machine负责Translate或Interpret他写的程序。Translate一个程序就是把该程序转换成一个新程序，新程序由另一个低一级的Virtual Machine或Actual Machine负责处理，如果又是由一个Virtual Machine处理，则再进行一次类似的Translate或Interpret处理，最终一直到由一个最低级的Actual Machine来直接执行其机器指令。而Interpret一个程序则是把高一级的Virtual Machine指令一个个的转换成等价的低一级的Virtual Machine指令或Actual Machine指令，整个过程中实时对每一个指令进行转换并执行，并不生成新的程序。由此，Andrew提出了一个多级计算机理论模型：
如上所述，这个模型中，最底层的是一个Actual Machine，其它的均是不同级别的Virtual Machine。无论是Actual Machine还是Virtual Machine，都有自己的Machine Language，程序员根据需要使用这些不同级别的Machine Language来编写程序。不同级别的Virtual Machine负责使用低一级Virtual Machine提供的Machine Language，通过Translate或Interpret把自己的程序转换为的低一级的Machine Code，一直到Actual Machine进行最后的执行。
根据这个理论模型对迄今为止的计算机进行分析和梳理，Andrew给出了下面这个模型：
按Andrew的说法，所有的计算机均由一个Actual Machine加上一个或多个不同级别的Virtual Machine构造而成。一个计算机至少必须包含一个Actual Machine和一个Virtual Machine。我们所习惯的一些概念，如Compiler和Assembler所扮演的均是Translator的角色，级别不同而已，而一般所说的Machince Instruction则对应到Level2这一级的Machine Language，而OS所提供的系统功能加上Level2的Machine Language也构成一个新的Machine Language，属于Level3的Virtual Machine，而Assember则属于Level4，C/C++/COBOL/VB/LISP/Java/C#则属于Level5的相互竞争的不同Virtual Machine。显然，这个模型所定义的Virtual Machine更一般化抽象化，不同于我们所熟悉的JVM/CLR这些Virtual Machine。JVM所提供的ByteCode和CLR所提供的IL则归属于Level2的一个细分级别，因为和常规的ISA指令相比，二者均进行了一些抽象。
我是很欣赏Andrew的上述二个模型的，而且，我觉得，Andrew的模型很好地体现了所谓“People First，Machine Second”原则（请参见前一篇）。
- 从Level0到Level5的Machine Language，很明显是一个从简单到复杂，抽象化程度逐步变高的发展趋势。其意图很明显就是为了体贴程序员，也就是“People First”原则了。
- 从Level0到Level3的Machine Language都是面向机器的二进制的数字，从Level4开始变成面向人的英文单词和缩写。
- 从Level5开始一个语句不再直接对应到一个低级的指令，而是等价于多个低级的指令的组合。
- C++/Java/C#这类主流OO语言，很明显就是为了契合人的思维习惯，从而方便和体贴程序员进行编程。
- Level3即OS对Level2进行了极为重要的抽象，如Process，Thread，VM，IO等，其动机，一方面是为了充分发挥计算机的作用，更为重要的无疑就是为了方便和体贴程序员开发程序了。
- 由Maurice Wilkes于1951年提出的Level1，其意图是为了减化Level0即硬件的设计，并降低制造成本。而60年以来一直到现在，这一招仍然是必用的，唯一的变化是Level1本身硬件化了。这里无疑体现了浓浓的“Machine Second”的意味，因为按本文开头Andrew所说的，C++等高级语言也是很容易就可以硬件化的，实际应用却很少。
- 唯一的遗憾是Andrew没有提到DSL，如果顺着其内在逻辑，我以为可以给Andrew的模型添加一个Level6用以表示各种DSL。
总而言之，“Software and Hardware are logically equivalent” ，“Virtual Machinde and actual machine are also logically equivalent”，现实中，如何抉择? 如何灵活运用呢？ 我以为，其奥秘就是Steve所谓“People First，Machine Second”原则。
（按：Andrew S. Tanenbaum是著名学院派计算机专家，MINIX之父，MINIX是一个免费教学用OS，Linus Torvalds在学习MINIX时，决定动手把MINIX移植到自己的一台IBM PC 386上，并扩展为面向实用的OS，由此诞生了后来如日中天的Linux。）
