編程必備基礎知識|計算機組成原理篇(03)：計算機的體系與結構

計算機基礎方面的知識，對於一些非科班出身的同窗來說，一直是他們心中的痛，而對於科班出身的同窗，不少同窗在工做以後，也意識到自身所學知識的不足與欠缺，想回頭補補基礎知識。關於計算機基礎的課程不少，內容繁雜，但不管是相關書籍仍是大學課程，都有點脫離工做。特別地，計算機基礎知識體系龐雜，想要從零學習或者複習都耗時耗力。

有鑑於此，本系列文章將帶你更快的補足編程必備基礎知識，涵蓋計算機領域三大基礎知識：計算機組成原理、操做系統、計算機網絡，文章選取了做爲程序員最應該掌握的那部分知識，取其精華，棄之於程序員不重要的那部份內容。

目的是：

• 幫助你們造成計算機知識的結構體系
• 幫助你們理解計算機底層原理
• 幫助你們在工做實踐中借鑑其中的優秀設計

本篇是計算機組成原理之計算機的體系與結構。

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馮諾依曼體系

馮諾依曼體系，用一句話來歸納就是：將程序指令和數據一塊兒存儲的計算機設計概念結構。

在前面學習計算機的發展歷史的時候，咱們知道，早期的計算機只能運行固定用途的程序，怎麼理解？舉個例子：有個計算機它只能運行數學運算的程序，那麼它就不能運行文字處理的軟件，也不能拿來玩遊戲，若是要讓它可以進行別的功能，就須要改變計算機的程序，而在當時，所謂的重寫程序並非指如今的從新編譯一個程序那麼簡單，而是必須更改電路或者說更改結構，甚至從新設計這個機器。

這樣就很坑爹了啊。若是說計算機只能用來打遊戲，不能用來寫代碼，或者說只能用來寫代碼，不能用來玩遊戲，那麼咱們就不能先玩一會遊戲再寫一會代碼了，這樣子是很是不合理的。因而馮諾依曼就想着將程序存儲起來，而後在設計底層硬件的時候，再也不是設計專有的電路，而是設計一個通用電路，當咱們須要運行某種程序的時候，咱們先把這段程序翻譯成電路可以理解的語言，而後讓通用電路去執行相關的邏輯。

這就是馮諾依曼體系的核心概念——存儲程序指令，設計通用電路。

瞭解了馮諾依曼體系是怎樣誕生的，若是可以理解馮諾依曼體系給計算機領域帶來的巨大改變，咱們就能明白馮諾依曼體系爲何這麼重要了。由馮諾依曼體系所延伸的存儲型計算機的概念，改變了以前糟糕的一切，皆由創造一種通用的指令集結構，並將所謂的運算轉化爲一串程序指令的運行，使整個計算機更有彈性。藉助將指令當成一種特殊類型的計算數據，一臺存儲型的計算機能夠輕易地改變其程序，而且在程序的控制下，改變運行的內容，改變的時候不須要從新設計電路，不須要從新改變計算機的結構，這就是馮諾依曼體系所帶來的巨大貢獻。

由馮諾依曼體系指導完成的計算機包含五大組件：

1. 存儲器：用來存放程序和數據
2. 控制器：用來控制程序的流轉和數據的輸入運行，以及處理運算結果
3. 運算器：主要運行算數運算和邏輯運算，並將中間結果暫存到運算器中
4. 輸入設備：用來將人們熟悉的信息形式轉換爲機器可以識別的信息形式，常見的有鍵盤，鼠標等
5. 輸出設備：能夠將機器運算結果轉換爲人們熟悉的信息形式，如打印機輸出，顯示器輸出等

咱們現代全部使用的計算機，從本質上講，都是馮諾依曼機，包括筆記本電腦、臺式電腦、普通服務器、迷你計算機等等。由馮諾依曼體系所指導完成的計算機，必須有如下的幾點功能：

1. 可以把須要的程序和數據送至計算機中（由輸入設備完成）
2. 可以長期記憶程序、數據、中間結果及最終運算結果的能力（由存儲器完成）
3. 可以具有算術、邏輯運算和數據傳送等數據加工處理的能力（由運算器、控制器完成）
4. 可以按照要求將處理結果輸出給用戶（由輸出設備完成）

馮諾依曼體系結構示意圖：

咱們能夠看到，存儲器和CPU是分開的，這就致使一個問題：CPU和存儲器速率之間的問題沒法調和。由於CPU是高速運算的，處理速率極快，而存儲器沒有CPU快，到CPU的數據傳輸速度慢，這會致使CPU常常空轉等待數據傳輸，這樣子是很是浪費資源的。

既然咱們都知道了馮諾依曼體系存在的性能瓶頸，那麼，如何解決呢？

現代計算機的結構

現代計算機在馮諾依曼體系結構基礎上進行了修改，解決了CPU和存儲設備之間的性能差別問題。下面是現代計算機的結構示意圖：

能夠看到，跟前面不同的是，運算器、控制器和存儲器組成了現代計算機的CPU。

存儲器，從廣義上，能夠理解爲存儲數據的介質，包括磁帶和硬盤。可是，這裏的存儲器主要是指圍繞CPU的高速設備，包括寄存器和內存。現代計算機的結構，能夠理解爲以存儲器爲核心的結構。

關於存儲器，還有不少須要理解的知識，咱們會在後續文章裏詳細介紹。

總結

這一節，咱們須要瞭解馮諾依曼體系的含義和它是如何產生的，還須要瞭解現代計算機的結構和特色以及它解決了什麼問題。

END