重學計算機組成原理（一）- 馮·諾依曼體系結構

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）。

計算機的全部「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、運行的遊戲，都要加載到內存裏才能運行。

程序讀取的數據、計算獲得的結果，也都要放在內存裏。內存越大，能加載的東西天然也就越多。

內存一般直接能夠插在主板上，存放在內存裏的程序和數據，須要被CPU讀取，CPU計算完以後，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。因而，就帶來了最後一個大件——主板（Motherboard）。

• 內存一般直接能夠插在主板上

1.3 主板

主板是一個有着各類各樣，有時候多達數十乃至上百個插槽的配件。

咱們的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和內存之間如何通訊的問題。

• 芯片組控制了數據傳輸的流轉，也就是數據從哪裏到哪裏的問題
• 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。
• 計算機主板上一般有着各類各樣的插槽

有了三大件，只要配上電源供電，計算機差很少就能夠跑起來了。

可是如今還缺乏各種輸入（Input）/輸出（Output）設備，也就是咱們常說的I/O設備。

若是你用的是本身的我的電腦，那顯示器確定必不可少，只有有了顯示器咱們才能看到計算機輸出的各類圖像、文字，這也就是所謂的輸出設備。

一樣的，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。

最後，你本身配的我的計算機，還要配上一個硬盤。這樣各類數據才能持久地保存下來。

絕大部分人都會給本身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，咱們拿個紙板或者外面放個電風扇，也同樣能用。

顯示器、鼠標、鍵盤和硬盤這些東西並非一臺計算機必須的部分。

其實只須要有I/O設備，能讓咱們從計算機裏輸入和輸出信息就能夠了。

不少網吧的計算機就沒有硬盤，而是直接經過局域網，讀寫遠程網絡硬盤裏面的數據。

各種雲服務器，只要讓計算機能經過網絡，SSH遠程登錄訪問就行了，所以也不必配顯示器、鼠標、鍵盤這些東西。

這樣不只可以節約成本，還更方便維護。

還有一個很特殊的設備，就是顯卡（Graphics Card）。

如今，使用圖形界面操做系統的計算機，不管是Windows、Mac OS仍是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，計算機同樣能夠正常跑起來啊！那是由於，如今的主板都帶了內置的顯卡。

若是你用計算機玩遊戲，作圖形渲染或者跑深度學習應用，你多半就須要買一張單獨的顯卡，插在主板上。

顯卡之因此特殊，是由於顯卡里有除了CPU以外的另外一個「處理器」，也就是GPU（Graphics Processing Unit，圖形處理器），GPU同樣能夠作各類「計算」的工做。

鼠標、鍵盤以及硬盤都是插在主板上的。做爲外部I/O設備，它們是經過主板上的南橋（SouthBridge）芯片組，來控制和CPU之間的通訊的。

「南橋」芯片的名字很直觀

• 它在主板上的位置，一般在主板的「南面」
• 它的做用就是做爲「橋」，來鏈接鼠標、鍵盤以及硬盤這些外部設備和CPU之間的通訊。

有了南橋，天然對應着也有「北橋」。

是的，之前的主板上一般也有「北橋」芯片，用來做爲「橋」，鏈接CPU和內存、顯卡之間的通訊。

不過，隨着時間的變遷，如今的主板上的「北橋」芯片的工做，已經被移到了CPU的內部，因此你在主板上，已經看不到北橋芯片了。

2 馮·諾依曼體系結構

剛纔咱們講了一臺計算機的硬件組成，這說的是咱們平時用的我的電腦或者服務器。那咱們平時最經常使用的智能手機的組成，也是這樣嗎？

咱們手機裏只有SD卡（Secure Digital Memory Card）相似硬盤功能的存儲卡插槽，並無內存插槽、CPU插槽這些東西。

沒錯，由於手機尺寸的緣由，手機制造商們選擇把

CPU、內存、網絡通訊，乃至攝像頭芯片，都封裝到一個芯片，而後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，我的電腦和智能手機的硬件組成方式不太同樣。

但是，咱們寫智能手機上的App，和寫我的電腦的客戶端應用彷佛沒有什麼差異，都是經過「高級語言」這樣的編程語言撰寫、編譯以後，同樣是把代碼和數據加載到內存裏來執行。

不管是我的電腦/服務器/智能手機，仍是Raspberry Pi這樣的微型卡片機，都遵循着同一個「計算機」的抽象概念。

這是怎麼樣一個「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。

什麼是存儲程序計算機呢？這裏面其實暗含了兩個概念

• 「可編程」計算機
• 「存儲」計算機

什麼是「不可編程」？？？

計算機是由各類門電路組合而成的，而後經過組裝出一個固定的電路版，完成一個特定的計算程序。

一旦須要修改功能，就要從新組裝電路。這樣的話，計算機就是「不可編程」的，由於程序在計算機硬件層面是「寫死」的。

最多見的就是老式計算器，電路板設好了加減乘除，作不了任何計算邏輯固定以外的事情。

• 計算器的本質是一個不可編程的計算機

咱們再來看「存儲」計算機。

程序自己是存儲在計算機的內存裏，能夠經過加載不一樣的程序來解決不一樣的問題。

有「存儲程序計算機」，天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，經過在板子上不一樣的插頭或者接口的位置插入線路，來實現不一樣的功能。這樣的計算機天然是「可編程」的，可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一樣的「程序」的時候，從新插板子，從新「編程」。

• 著名的Engima Machine就用到了Plugboard來進行「編程」 能夠看到，不管是「不可編程」仍是「不可存儲」，都會讓使用計算機的效率大大降低。 而這個對於效率的追求，也就是「存儲程序計算機」的由來。

馮，基於當時在祕密開發的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麼樣。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裏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），用來完成各類算術和邏輯運算。

由於它可以完成各類數據的處理或者計算工做，所以也有人把這個叫做數據通路（Datapath）或者運算器。

而後是一個包含

• 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，一般就是不一樣條件下的分支和跳轉。

在如今的計算機裏，上面的算術邏輯單元和這裏的控制器單元，共同組成了咱們說的CPU。

接着是用來存儲數據（Data）和指令（Instruction）的內存。以及更大容量的外部存儲，在過去，多是磁帶、磁鼓這樣的設備，如今一般就是硬盤。

最後就是各類輸入和輸出設備，以及對應的輸入和輸出機制。

咱們如今不管是使用什麼樣的計算機，其實都是和輸入輸出設備在打交道。

• 我的電腦的鼠標鍵盤是輸入設備，顯示器是輸出設備
• 咱們用的智能手機，觸摸屏既是輸入設備，又是輸出設備
• 跑在各類雲上的服務器，則是經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均可以歸到運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備中，而全部的現代計算機也都是基於這個基礎架構來設計開發的

而全部的計算機程序，也均可以抽象爲從輸入設備讀取輸入信息，經過運算器和控制器來執行存儲在存儲器裏的程序，最終把結果輸出到輸出設備中。而咱們全部撰寫的不管高級仍是低級語言的程序，也都是基於這樣一個抽象框架來進行運做的。

• 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咱們如今天天使用的計算機硬件的基礎架構。

所以，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。

具體來講，其實就是

• 學習控制器、運算器的工做原理，也就是CPU是怎麼工做的，以及爲什麼這樣設計
• 學習內存的工做原理，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是怎麼和輸入設備、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，是怎麼運做的，爲何要設計成這樣，以及在軟件開發層面怎麼儘量用好它。

4 推薦閱讀

• First Draft of a Report on the EDVAC 對於工程師來講，直接讀取英文論文的原文，既能夠搞清楚、弄明白對應的設計及其背後的思路來源，還能夠幫你破除對於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·諾依曼機以外，還有一位就是著名的圖靈（Alan Mathison Turing）。對應的，咱們如今的計算機也叫圖靈機（Turing Machine）。那麼圖靈機和馮·諾依曼機是兩種不一樣的計算機麼？圖靈機是一種什麼樣的計算機抽象呢？

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參考

深刻淺出計算機組成原理

原文出處：https://www.cnblogs.com/JavaEdge/p/11324814.html