1 計算機的基本硬件組成

早期,DIY一臺計算機，要先有三大件

• CPU
• 內存
• 主板

1.1 CPU

計算機最重要的核心配件，中央處理器(Central Processing Unit)。

計算機的所有“計算”都是由CPU來進行的。

• CPU是一個超級精細的印刷電路版

1.2 內存(Memory)

你撰寫的程序、打開的瀏覽器、運行的游戲，都要加載到內存里才能運行。

程序讀取的數據、計算得到的結果，也都要放在內存里。內存越大，能加載的東西自然也就越多。

內存通常直接可以插在主板上，存放在內存里的程序和數據，需要被CPU讀取，CPU計算完之后，還要把數據寫回到內存。然而CPU不能直接插到內存上，反之亦然。于是，就帶來了最后一個大件——主板(Motherboard)。

• 內存通常直接可以插在主板上

1.3 主板

主板是一個有著各種各樣，有時候多達數十乃至上百個插槽的配件。

我們的CPU要插在主板上，內存也要插在主板上。

主板的芯片組(Chipset)和總線(Bus)解決了CPU和內存之間如何通信的問題。

• 芯片組控制了數據傳輸的流轉，也就是數據從哪里到哪里的問題
• 總線則是實際數據傳輸的高速公路。總線速度(Bus Speed)決定了數據能傳輸得多快。
• 計算機主板上通常有著各種各樣的插槽

有了三大件，只要配上電源供電，計算機差不多就可以跑起來了。

但是現在還缺少各類輸入(Input)/輸出(Output)設備，也就是我們常說的I/O設備。

如果你用的是自己的個人電腦，那顯示器肯定必不可少，只有有了顯示器我們才能看到計算機輸出的各種圖像、文字，這也就是所謂的輸出設備。

同樣的，鼠標和鍵盤也都是必不可少的配件。這樣我才能輸入文本，寫下這篇文章。它們也就是所謂的輸入設備。

最后，你自己配的個人計算機，還要配上一個硬盤。這樣各種數據才能持久地保存下來。

絕大部分人都會給自己的機器裝上一個機箱，配上風扇，解決灰塵和散熱的問題。

不過機箱和風扇，算不上是計算機的必備硬件，我們拿個紙板或者外面放個電風扇，也一樣能用。

顯示器、鼠標、鍵盤和硬盤這些東西并不是一臺計算機必須的部分。

其實只需要有I/O設備，能讓我們從計算機里輸入和輸出信息就可以了。

很多網吧的計算機就沒有硬盤，而是直接通過局域網，讀寫遠程網絡硬盤里面的數據。

各類云服務器，只要讓計算機能通過網絡，SSH遠程登陸訪問就好了，因此也沒必要配顯示器、鼠標、鍵盤這些東西。

這樣不僅能夠節約成本，還更方便維護。

還有一個很特殊的設備，就是顯卡(Graphics Card)。

現在，使用圖形界面操作系統的計算機，無論是Windows、Mac OS還是Linux，顯卡都是必不可少的。

有人可能要說了，我裝機的時候沒有買顯卡，計算機一樣可以正常跑起來啊！那是因為，現在的主板都帶了內置的顯卡。

如果你用計算機玩游戲，做圖形渲染或者跑深度學習應用，你多半就需要買一張單獨的顯卡，插在主板上。

顯卡之所以特殊，是因為顯卡里有除了CPU之外的另一個“處理器”，也就是GPU(Graphics Processing Unit，圖形處理器)，GPU一樣可以做各種“計算”的工作。

鼠標、鍵盤以及硬盤都是插在主板上的。作為外部I/O設備，它們是通過主板上的南橋(SouthBridge)芯片組，來控制和CPU之間的通信的。

“南橋”芯片的名字很直觀

• 它在主板上的位置，通常在主板的“南面”
• 它的作用就是作為“橋”，來連接鼠標、鍵盤以及硬盤這些外部設備和CPU之間的通信。

有了南橋，自然對應著也有“北橋”。

是的，以前的主板上通常也有“北橋”芯片，用來作為“橋”，連接CPU和內存、顯卡之間的通信。

不過，隨著時間的變遷，現在的主板上的“北橋”芯片的工作，已經被移到了CPU的內部，所以你在主板上，已經看不到北橋芯片了。

2 馮·諾依曼體系結構

剛才我們講了一臺計算機的硬件組成，這說的是我們平時用的個人電腦或者服務器。那我們平時最常用的智能手機的組成，也是這樣嗎？

我們手機里只有SD卡(Secure Digital Memory Card)類似硬盤功能的存儲卡插槽，并沒有內存插槽、CPU插槽這些東西。

沒錯，因為手機尺寸的原因，手機制造商們選擇把

CPU、內存、網絡通信，乃至攝像頭芯片，都封裝到一個芯片，然后再嵌入到手機主板上。

這種方式叫SoC，也就是System on a Chip(系統芯片)。

看起來，個人電腦和智能手機的硬件組成方式不太一樣。

可是，我們寫智能手機上的App，和寫個人電腦的客戶端應用似乎沒有什么差別，都是通過“高級語言”這樣的編程語言撰寫、編譯之后，一樣是把代碼和數據加載到內存里來執行。

無論是個人電腦/服務器/智能手機，還是Raspberry Pi這樣的微型卡片機，都遵循著同一個“計算機”的抽象概念。

這是怎么樣一個“計算機”呢？這其實就是，計算機鼻祖馮·諾依曼提出的馮·諾依曼體系結構(Von Neumann architecture)，也叫存儲程序計算機。

什么是存儲程序計算機呢？這里面其實暗含了兩個概念

• “可編程”計算機
• “存儲”計算機

什么是“不可編程”？？？

計算機是由各種門電路組合而成的，然后通過組裝出一個固定的電路版，完成一個特定的計算程序。

一旦需要修改功能，就要重新組裝電路。這樣的話，計算機就是“不可編程”的，因為程序在計算機硬件層面是“寫死”的。

最常見的就是老式計算器，電路板設好了加減乘除，做不了任何計算邏輯固定之外的事情。

• 計算器的本質是一個不可編程的計算機

我們再來看“存儲”計算機。

程序本身是存儲在計算機的內存里，可以通過加載不同的程序來解決不同的問題。

有“存儲程序計算機”，自然也有不能存儲程序的計算機。

典型的就是早年的“Plugboard”這樣的插線板式的計算機。整個計算機就是一個巨大的插線板，通過在板子上不同的插頭或者接口的位置插入線路，來實現不同的功能。這樣的計算機自然是“可編程”的，但是編寫好的程序不能存儲下來供下一次加載使用，不得不每次要用到和當前不同的“程序”的時候，重新插板子，重新“編程”。

• 著名的Engima Machine就用到了Plugboard來進行“編程”

可以看到，無論是“不可編程”還是“不可存儲”，都會讓使用計算機的效率大大下降。

而這個對于效率的追求，也就是“存儲程序計算機”的由來。

馮，基于當時在秘密開發的EDVAC寫了一篇報告First Draft of a Report on the EDVAC，描述了他心目中的一臺計算機應該長什么樣。這篇報告在歷史上有個很特殊的簡稱，叫First Draft。這樣，現代計算機的發展就從祖師爺寫的一份草案開始了。

First Draft里面說了一臺計算機應該有哪些部分組成

首先是一個包含

• 算術邏輯單元(Arithmetic Logic Unit，ALU)
• 處理器寄存器(Processor Register)

的處理器單元(Processing Unit)，用來完成各種算術和邏輯運算。

因為它能夠完成各種數據的處理或者計算工作，因此也有人把這個叫作數據通路(Datapath)或者運算器。

然后是一個包含

• 指令寄存器(Instruction Reigster)
• 程序計數器(Program Counter)

的控制器單元(Control Unit/CU)，用來控制程序的流程，通常就是不同條件下的分支和跳轉。

在現在的計算機里，上面的算術邏輯單元和這里的控制器單元，共同組成了我們說的CPU。

接著是用來存儲數據(Data)和指令(Instruction)的內存。以及更大容量的外部存儲，在過去，可能是磁帶、磁鼓這樣的設備，現在通常就是硬盤。

最后就是各種輸入和輸出設備，以及對應的輸入和輸出機制。

我們現在無論是使用什么樣的計算機，其實都是和輸入輸出設備在打交道。

• 個人電腦的鼠標鍵盤是輸入設備，顯示器是輸出設備
• 我們用的智能手機，觸摸屏既是輸入設備，又是輸出設備
• 跑在各種云上的服務器，則是通過網絡來進行輸入和輸出。這個時候，網卡既是輸入設備又是輸出設備

任何一臺計算機的任何一個部件都可以歸到運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備中，而所有的現代計算機也都是基于這個基礎架構來設計開發的

而所有的計算機程序，也都可以抽象為從輸入設備讀取輸入信息，通過運算器和控制器來執行存儲在存儲器里的程序，最終把結果輸出到輸出設備中。而我們所有撰寫的無論高級還是低級語言的程序，也都是基于這樣一個抽象框架來進行運作的。

• 馮·諾依曼體系結構示意圖

3 總結

馮·諾依曼體系結構確立了我們現在每天使用的計算機硬件的基礎架構。

因此，學習計算機組成原理，其實就是學習和拆解馮·諾依曼體系結構。

具體來說，其實就是

• 學習控制器、運算器的工作原理，也就是CPU是怎么工作的，以及為何這樣設計
• 學習內存的工作原理，從最基本的電路，到上層抽象給到CPU乃至應用程序的接口是怎樣的
• 學習CPU是怎么和輸入設備、輸出設備打交道的。=

學習組成原理，就是在理解從控制器、運算器、存儲器、輸入設備以及輸出設備，從電路這樣的硬件，到最終開放給軟件的接口，是怎么運作的，為什么要設計成這樣，以及在軟件開發層面怎么盡可能用好它。

4 推薦閱讀

• First Draft of a Report on the EDVAC

對于工程師來說，直接讀取英文論文的原文，既可以搞清楚、弄明白對應的設計及其背后的思路來源，還可以幫你破除對于論文或者核心技術的恐懼心理。

5 思考

計算機行業的兩大祖師爺之一，除了馮·諾依曼機之外，還有一位就是著名的圖靈(Alan Mathison Turing)。對應的，我們現在的計算機也叫圖靈機(Turing Machine)。那么圖靈機和馮·諾依曼機是兩種不同的計算機么？圖靈機是一種什么樣的計算機抽象呢？

轉自：https://segmentfault.com/a/1190000020015434

總結

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