摘要：馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)示意圖總結(jié)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)確立了我們現(xiàn)在每天使用的計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)架構(gòu)。因此，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理，其實(shí)就是學(xué)習(xí)和拆解馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。

早期,DIY一臺(tái)計(jì)算機(jī)，要先有三大件

CPU

內(nèi)存

主板

計(jì)算機(jī)最重要的核心配件，中央處理器（Central Processing Unit）。

計(jì)算機(jī)的所有“計(jì)算”都是由CPU來進(jìn)行的。

CPU是一個(gè)超級(jí)精細(xì)的印刷電路版

你撰寫的程序、打開的瀏覽器、運(yùn)行的游戲，都要加載到內(nèi)存里才能運(yùn)行。

程序讀取的數(shù)據(jù)、計(jì)算得到的結(jié)果，也都要放在內(nèi)存里。內(nèi)存越大，能加載的東西自然也就越多。

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

內(nèi)存通常直接可以插在主板上

主板是一個(gè)有著各種各樣，有時(shí)候多達(dá)數(shù)十乃至上百個(gè)插槽的配件。

我們的CPU要插在主板上，內(nèi)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(nèi)存之間如何通信的問題。

芯片組控制了數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鬓D(zhuǎn)，也就是數(shù)據(jù)從哪里到哪里的問題

總線則是實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俟?。總線速度（Bus Speed）決定了數(shù)據(jù)能傳輸?shù)枚嗫臁?/p>

計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)差不多就可以跑起來了。

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

如果你用的是自己的個(gè)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(jì)算機(jī)輸出的各種圖像、文字，這也就是所謂的輸出設(shè)備。

同樣的，鼠標(biāo)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(shè)備。

最后，你自己配的個(gè)人計(jì)算機(jī)，還要配上一個(gè)硬盤。這樣各種數(shù)據(jù)才能持久地保存下來。

絕大部分人都會(huì)給自己的機(jī)器裝上一個(gè)機(jī)箱，配上風(fēng)扇，解決灰塵和散熱的問題。

不過機(jī)箱和風(fēng)扇，算不上是計(jì)算機(jī)的必備硬件，我們拿個(gè)紙板或者外面放個(gè)電風(fēng)扇，也一樣能用。

顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤和硬盤這些東西并不是一臺(tái)計(jì)算機(jī)必須的部分。

其實(shí)只需要有I/O設(shè)備，能讓我們從計(jì)算機(jī)里輸入和輸出信息就可以了。

很多網(wǎng)吧的計(jì)算機(jī)就沒有硬盤，而是直接通過局域網(wǎng)，讀寫遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)硬盤里面的數(shù)據(jù)。

各類云服務(wù)器，只要讓計(jì)算機(jī)能通過網(wǎng)絡(luò)，SSH遠(yuǎn)程登陸訪問就好了，因此也沒必要配顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤這些東西。

這樣不僅能夠節(jié)約成本，還更方便維護(hù)。

還有一個(gè)很特殊的設(shè)備，就是顯卡（Graphics Card）。

現(xiàn)在，使用圖形界面操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，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(jī)的時(shí)候沒有買顯卡，計(jì)算機(jī)一樣可以正常跑起來啊！那是因?yàn)?，現(xiàn)在的主板都帶了內(nèi)置的顯卡。

如果你用計(jì)算機(jī)玩游戲，做圖形渲染或者跑深度學(xué)習(xí)應(yīng)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?yàn)轱@卡里有除了CPU之外的另一個(gè)“處理器”，也就是GPU（Graphics Processing Unit，圖形處理器），GPU一樣可以做各種“計(jì)算”的工作。

鼠標(biāo)、鍵盤以及硬盤都是插在主板上的。作為外部I/O設(shè)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(biāo)、鍵盤以及硬盤這些外部設(shè)備和CPU之間的通信。

有了南橋，自然對(duì)應(yīng)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(nèi)存、顯卡之間的通信。

不過，隨著時(shí)間的變遷，現(xiàn)在的主板上的“北橋”芯片的工作，已經(jīng)被移到了CPU的內(nèi)部，所以你在主板上，已經(jīng)看不到北橋芯片了。

剛才我們講了一臺(tái)計(jì)算機(jī)的硬件組成，這說的是我們平時(shí)用的個(gè)人電腦或者服務(wù)器。那我們平時(shí)最常用的智能手機(jī)的組成，也是這樣嗎？

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

沒錯(cuò)，因?yàn)槭謾C(jī)尺寸的原因，手機(jī)制造商們選擇把

CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)通信，乃至攝像頭芯片，都封裝到一個(gè)芯片，然后再嵌入到手機(jī)主板上。

這種方式叫SoC，也就是System on a Chip（系統(tǒng)芯片）。

看起來，個(gè)人電腦和智能手機(jī)的硬件組成方式不太一樣。

可是，我們寫智能手機(jī)上的App，和寫個(gè)人電腦的客戶端應(yīng)用似乎沒有什么差別，都是通過“高級(jí)語言”這樣的編程語言撰寫、編譯之后，一樣是把代碼和數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存里來執(zhí)行。

無論是個(gè)人電腦/服務(wù)器/智能手機(jī)，還是Raspberry Pi這樣的微型卡片機(jī)，都遵循著同一個(gè)“計(jì)算機(jī)”的抽象概念。

這是怎么樣一個(gè)“計(jì)算機(jī)”呢？這其實(shí)就是，計(jì)算機(jī)鼻祖馮·諾依曼提出的馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)（Von Neumann architecture），也叫存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)。

什么是存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)呢？這里面其實(shí)暗含了兩個(gè)概念

“可編程”計(jì)算機(jī)

“存儲(chǔ)”計(jì)算機(jī)

什么是“不可編程”？？？

計(jì)算機(jī)是由各種門電路組合而成的，然后通過組裝出一個(gè)固定的電路版，完成一個(gè)特定的計(jì)算程序。

一旦需要修改功能，就要重新組裝電路。這樣的話，計(jì)算機(jī)就是“不可編程”的，因?yàn)槌绦蛟谟?jì)算機(jī)硬件層面是“寫死”的。

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

計(jì)算器的本質(zhì)是一個(gè)不可編程的計(jì)算機(jī)

我們?cè)賮砜础按鎯?chǔ)”計(jì)算機(jī)。

程序本身是存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存里，可以通過加載不同的程序來解決不同的問題。

有“存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)”，自然也有不能存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)。

典型的就是早年的“Plugboard”這樣的插線板式的計(jì)算機(jī)。整個(gè)計(jì)算機(jī)就是一個(gè)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(shí)現(xiàn)不同的功能。這樣的計(jì)算機(jī)自然是“可編程”的，但是編寫好的程序不能存儲(chǔ)下來供下一次加載使用，不得不每次要用到和當(dāng)前不同的“程序”的時(shí)候，重新插板子，重新“編程”。

著名的Engima Machine就用到了Plugboard來進(jìn)行“編程”

可以看到，無論是“不可編程”還是“不可存儲(chǔ)”，都會(huì)讓使用計(jì)算機(jī)的效率大大下降。
而這個(gè)對(duì)于效率的追求，也就是“存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)”的由來。

馮，基于當(dāng)時(shí)在秘密開發(fā)的EDVAC寫了一篇報(bào)告First Draft of a Report on the EDVAC，描述了他心目中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)應(yīng)該長什么樣。這篇報(bào)告在歷史上有個(gè)很特殊的簡(jiǎn)稱，叫First Draft。這樣，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展就從祖師爺寫的一份草案開始了。

首先是一個(gè)包含

算術(shù)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(shù)和邏輯運(yùn)算。

因?yàn)樗軌蛲瓿筛鞣N數(shù)據(jù)的處理或者計(jì)算工作，因此也有人把這個(gè)叫作數(shù)據(jù)通路（Datapath）或者運(yùn)算器。

然后是一個(gè)包含

指令寄存器（Instruction Reigster）

程序計(jì)數(shù)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(zhuǎn)。

在現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)里，上面的算術(shù)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(chǔ)數(shù)據(jù)（Data）和指令（Instruction）的內(nèi)存。以及更大容量的外部存儲(chǔ)，在過去，可能是磁帶、磁鼓這樣的設(shè)備，現(xiàn)在通常就是硬盤。

最后就是各種輸入和輸出設(shè)備，以及對(duì)應(yīng)的輸入和輸出機(jī)制。

我們現(xiàn)在無論是使用什么樣的計(jì)算機(jī)，其實(shí)都是和輸入輸出設(shè)備在打交道。

個(gè)人電腦的鼠標(biāo)鍵盤是輸入設(shè)備，顯示器是輸出設(shè)備

我們用的智能手機(jī)，觸摸屏既是輸入設(shè)備，又是輸出設(shè)備

跑在各種云上的服務(wù)器，則是通過網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行輸入和輸出。這個(gè)時(shí)候，網(wǎng)卡既是輸入設(shè)備又是輸出設(shè)備

任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)的任何一個(gè)部件都可以歸到運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備中，而所有的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)也都是基于這個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)來設(shè)計(jì)開發(fā)的

而所有的計(jì)算機(jī)程序，也都可以抽象為從輸入設(shè)備讀取輸入信息，通過運(yùn)算器和控制器來執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器里的程序，最終把結(jié)果輸出到輸出設(shè)備中。而我們所有撰寫的無論高級(jí)還是低級(jí)語言的程序，也都是基于這樣一個(gè)抽象框架來進(jìn)行運(yùn)作的。

馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)示意圖

馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)確立了我們現(xiàn)在每天使用的計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)架構(gòu)。

因此，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理，其實(shí)就是學(xué)習(xí)和拆解馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。

具體來說，其實(shí)就是

學(xué)習(xí)控制器、運(yùn)算器的工作原理，也就是CPU是怎么工作的，以及為何這樣設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)內(nèi)存的工作原理，從最基本的電路，到上層抽象給到CPU乃至應(yīng)用程序的接口是怎樣的

學(xué)習(xí)CPU是怎么和輸入設(shè)備、輸出設(shè)備打交道的。=

學(xué)習(xí)組成原理，就是在理解從控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備以及輸出設(shè)備，從電路這樣的硬件，到最終開放給軟件的接口，是怎么運(yùn)作的，為什么要設(shè)計(jì)成這樣，以及在軟件開發(fā)層面怎么盡可能用好它。

First Draft of a Report on the EDVAC

對(duì)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(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)及其背后的思路來源，還可以幫你破除對(duì)于論文或者核心技術(shù)的恐懼心理。

計(jì)算機(jī)行業(yè)的兩大祖師爺之一，除了馮·諾依曼機(jī)之外，還有一位就是著名的圖靈（Alan Mathison Turing）。對(duì)應(yīng)的，我們現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)也叫圖靈機(jī)（Turing Machine）。那么圖靈機(jī)和馮·諾依曼機(jī)是兩種不同的計(jì)算機(jī)么？圖靈機(jī)是一種什么樣的計(jì)算機(jī)抽象呢？

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深入淺出計(jì)算機(jī)組成原理