重学计算机组成原理（一）- 冯·诺依曼体系结构

1 计算机的基本硬件组成

早期,DIY一台计算机，要先有三大件

• CPU
• 内存
• 主板

1.1 CPU

计算机最重要的核心配件，中央处理器（Central Processing Unit）。

计算机的所有“计算”都是由CPU来进行的。

• CPU是一个超级精细的印刷电路版
  

1.2 内存（Memory）

你撰写的程序、打开的浏览器、运行的游戏，都要加载到内存里才能运行。

程序读取的数据、计算得到的结果，也都要放在内存里。内存越大，能加载的东西自然也就越多。

内存通常直接可以插在主板上，存放在内存里的程序和数据，需要被CPU读取，CPU计算完之后，还要把数据写回到内存。然而CPU不能直接插到内存上，反之亦然。于是，就带来了最后一个大件——主板（Motherboard）。

• 内存通常直接可以插在主板上
  

1.3 主板

主板是一个有着各种各样，有时候多达数十乃至上百个插槽的配件。

我们的CPU要插在主板上，内存也要插在主板上。

主板的芯片组（Chipset）和总线（Bus）解决了CPU和内存之间如何通信的问题。

• 芯片组控制了数据传输的流转，也就是数据从哪里到哪里的问题
• 总线则是实际数据传输的高速公路。总线速度（Bus Speed）决定了数据能传输得多快。
• 计算机主板上通常有着各种各样的插槽

有了三大件，只要配上电源供电，计算机差不多就可以跑起来了。

但是现在还缺少各类输入（Input）/输出（Output）设备，也就是我们常说的I/O设备。

如果你用的是自己的个人电脑，那显示器肯定必不可少，只有有了显示器我们才能看到计算机输出的各种图像、文字，这也就是所谓的输出设备。

同样的，鼠标和键盘也都是必不可少的配件。这样我才能输入文本，写下这篇文章。它们也就是所谓的输入设备。

最后，你自己配的个人计算机，还要配上一个硬盘。这样各种数据才能持久地保存下来。

绝大部分人都会给自己的机器装上一个机箱，配上风扇，解决灰尘和散热的问题。

不过机箱和风扇，算不上是计算机的必备硬件，我们拿个纸板或者外面放个电风扇，也一样能用。

显示器、鼠标、键盘和硬盘这些东西并不是一台计算机必须的部分。

其实只需要有I/O设备，能让我们从计算机里输入和输出信息就可以了。

很多网吧的计算机就没有硬盘，而是直接通过局域网，读写远程网络硬盘里面的数据。

各类云服务器，只要让计算机能通过网络，SSH远程登陆访问就好了，因此也没必要配显示器、鼠标、键盘这些东西。

这样不仅能够节约成本，还更方便维护。

还有一个很特殊的设备，就是显卡（Graphics Card）。

现在，使用图形界面操作系统的计算机，无论是Windows、Mac OS还是Linux，显卡都是必不可少的。

有人可能要说了，我装机的时候没有买显卡，计算机一样可以正常跑起来啊！那是因为，现在的主板都带了内置的显卡。

如果你用计算机玩游戏，做图形渲染或者跑深度学习应用，你多半就需要买一张单独的显卡，插在主板上。

显卡之所以特殊，是因为显卡里有除了CPU之外的另一个“处理器”，也就是GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器），GPU一样可以做各种“计算”的工作。

鼠标、键盘以及硬盘都是插在主板上的。作为外部I/O设备，它们是通过主板上的南桥（SouthBridge）芯片组，来控制和CPU之间的通信的。

“南桥”芯片的名字很直观

• 它在主板上的位置，通常在主板的“南面”
• 它的作用就是作为“桥”，来连接鼠标、键盘以及硬盘这些外部设备和CPU之间的通信。

有了南桥，自然对应着也有“北桥”。

是的，以前的主板上通常也有“北桥”芯片，用来作为“桥”，连接CPU和内存、显卡之间的通信。

不过，随着时间的变迁，现在的主板上的“北桥”芯片的工作，已经被移到了CPU的内部，所以你在主板上，已经看不到北桥芯片了。

2 冯·诺依曼体系结构

刚才我们讲了一台计算机的硬件组成，这说的是我们平时用的个人电脑或者服务器。那我们平时最常用的智能手机的组成，也是这样吗？

我们手机里只有SD卡（Secure Digital Memory Card）类似硬盘功能的存储卡插槽，并没有内存插槽、CPU插槽这些东西。

没错，因为手机尺寸的原因，手机制造商们选择把

CPU、内存、网络通信，乃至摄像头芯片，都封装到一个芯片，然后再嵌入到手机主板上。

这种方式叫SoC，也就是System on a Chip（系统芯片）。

看起来，个人电脑和智能手机的硬件组成方式不太一样。

可是，我们写智能手机上的App，和写个人电脑的客户端应用似乎没有什么差别，都是通过“高级语言”这样的编程语言撰写、编译之后，一样是把代码和数据加载到内存里来执行。

无论是个人电脑/服务器/智能手机，还是Raspberry Pi这样的微型卡片机，都遵循着同一个“计算机”的抽象概念。

这是怎么样一个“计算机”呢？这其实就是，计算机鼻祖冯·诺依曼提出的冯·诺依曼体系结构（Von Neumann architecture），也叫存储程序计算机。

什么是存储程序计算机呢？这里面其实暗含了两个概念

• “可编程”计算机
• “存储”计算机

什么是“不可编程”？？？

计算机是由各种门电路组合而成的，然后通过组装出一个固定的电路版，完成一个特定的计算程序。

一旦需要修改功能，就要重新组装电路。这样的话，计算机就是“不可编程”的，因为程序在计算机硬件层面是“写死”的。

最常见的就是老式计算器，电路板设好了加减乘除，做不了任何计算逻辑固定之外的事情。

• 计算器的本质是一个不可编程的计算机
  

我们再来看“存储”计算机。

程序本身是存储在计算机的内存里，可以通过加载不同的程序来解决不同的问题。

有“存储程序计算机”，自然也有不能存储程序的计算机。

典型的就是早年的“Plugboard”这样的插线板式的计算机。整个计算机就是一个巨大的插线板，通过在板子上不同的插头或者接口的位置插入线路，来实现不同的功能。这样的计算机自然是“可编程”的，但是编写好的程序不能存储下来供下一次加载使用，不得不每次要用到和当前不同的“程序”的时候，重新插板子，重新“编程”。

• 著名的Engima Machine就用到了Plugboard来进行“编程”
  
  可以看到，无论是“不可编程”还是“不可存储”，都会让使用计算机的效率大大下降。
  而这个对于效率的追求，也就是“存储程序计算机”的由来。

冯，基于当时在秘密开发的EDVAC写了一篇报告First Draft of a Report on the EDVAC，描述了他心目中的一台计算机应该长什么样。这篇报告在历史上有个很特殊的简称，叫First Draft。这样，现代计算机的发展就从祖师爷写的一份草案开始了。

First Draft里面说了一台计算机应该有哪些部分组成

首先是一个包含

• 算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）
• 处理器寄存器（Processor Register）

的处理器单元（Processing Unit），用来完成各种算术和逻辑运算。

因为它能够完成各种数据的处理或者计算工作，因此也有人把这个叫作数据通路（Datapath）或者运算器。

然后是一个包含

• 指令寄存器（Instruction Reigster）
• 程序计数器（Program Counter）

的控制器单元（Control Unit/CU），用来控制程序的流程，通常就是不同条件下的分支和跳转。

在现在的计算机里，上面的算术逻辑单元和这里的控制器单元，共同组成了我们说的CPU。

接着是用来存储数据（Data）和指令（Instruction）的内存。以及更大容量的外部存储，在过去，可能是磁带、磁鼓这样的设备，现在通常就是硬盘。

最后就是各种输入和输出设备，以及对应的输入和输出机制。

我们现在无论是使用什么样的计算机，其实都是和输入输出设备在打交道。

• 个人电脑的鼠标键盘是输入设备，显示器是输出设备
• 我们用的智能手机，触摸屏既是输入设备，又是输出设备
• 跑在各种云上的服务器，则是通过网络来进行输入和输出。这个时候，网卡既是输入设备又是输出设备

任何一台计算机的任何一个部件都可以归到运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备中，而所有的现代计算机也都是基于这个基础架构来设计开发的

而所有的计算机程序，也都可以抽象为从输入设备读取输入信息，通过运算器和控制器来执行存储在存储器里的程序，最终把结果输出到输出设备中。而我们所有撰写的无论高级还是低级语言的程序，也都是基于这样一个抽象框架来进行运作的。

• 冯·诺依曼体系结构示意图
  

3 总结

冯·诺依曼体系结构确立了我们现在每天使用的计算机硬件的基础架构。

因此，学习计算机组成原理，其实就是学习和拆解冯·诺依曼体系结构。

具体来说，其实就是

• 学习控制器、运算器的工作原理，也就是CPU是怎么工作的，以及为何这样设计
• 学习内存的工作原理，从最基本的电路，到上层抽象给到CPU乃至应用程序的接口是怎样的
• 学习CPU是怎么和输入设备、输出设备打交道的。=

学习组成原理，就是在理解从控制器、运算器、存储器、输入设备以及输出设备，从电路这样的硬件，到最终开放给软件的接口，是怎么运作的，为什么要设计成这样，以及在软件开发层面怎么尽可能用好它。

4 推荐阅读

• First Draft of a Report on the EDVAC
  对于工程师来说，直接读取英文论文的原文，既可以搞清楚、弄明白对应的设计及其背后的思路来源，还可以帮你破除对于论文或者核心技术的恐惧心理。

5 思考

计算机行业的两大祖师爷之一，除了冯·诺依曼机之外，还有一位就是著名的图灵（Alan Mathison Turing）。对应的，我们现在的计算机也叫图灵机（Turing Machine）。那么图灵机和冯·诺依曼机是两种不同的计算机么？图灵机是一种什么样的计算机抽象呢？

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参考

深入浅出计算机组成原理