摘要：馮諾依曼體系結構示意圖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。

早期,DIY一臺計算機，要先有三大件

CPU

內存

主板

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

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

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?？偩€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?。∧鞘且驗?，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多帶帶的顯卡，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。

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。

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

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。

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。

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？

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深入淺出計算機組成原理