重學計算機組成原理（一）- 馮·諾依曼體系結構

1 計算機的基本硬體組成

早期,DIY一台計算機，要先有三大件

• CPU
• 記憶體
• 主機闆

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

1.2 記憶體（Memory）

你撰寫的程式、打開的浏覽器、運作的遊戲，都要加載到記憶體裡才能運作。

程式讀取的資料、計算得到的結果，也都要放在記憶體裡。記憶體越大，能加載的東西自然也就越多。

記憶體通常直接可以插在主機闆上，存放在記憶體裡的程式和資料，需要被CPU讀取，CPU計算完之後，還要把資料寫回到記憶體。然而CPU不能直接插到記憶體上，反之亦然。于是，就帶來了最後一個大件——主機闆（Motherboard）。

• 記憶體通常直接可以插在主機闆上

1.3 主機闆

主機闆是一個有着各種各樣，有時候多達數十乃至上百個插槽的配件。

我們的CPU要插在主機闆上，記憶體也要插在主機闆上。

主機闆的晶片組（Chipset）和總線（Bus）解決了CPU和記憶體之間如何通信的問題。

• 晶片組控制了資料傳輸的流轉，也就是資料從哪裡到哪裡的問題
• 總線則是實際資料傳輸的高速公路。總線速度（Bus Speed）決定了資料能傳輸得多快。
• 計算機主機闆上通常有着各種各樣的插槽

有了三大件，隻要配上電源供電，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）裝置，也就是我們常說的I/O裝置。

如果你用的是自己的個人電腦，那顯示器肯定必不可少，隻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裝置。

同樣的，滑鼠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裝置。

最後，你自己配的個人計算機，還要配上一個硬碟。這樣各種資料才能持久地儲存下來。

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體，我們拿個紙闆或者外面放個電風扇，也一樣能用。

顯示器、滑鼠、鍵盤和硬碟這些東西并不是一台計算機必須的部分。

其實隻需要有I/O裝置，能讓我們從計算機裡輸入和輸出資訊就可以了。

很多網吧的計算機就沒有硬碟，而是直接通過區域網路，讀寫遠端網絡硬碟裡面的資料。

各類雲伺服器，隻要讓計算機能通過網絡，SSH遠端登陸通路就好了，是以也沒必要配顯示器、滑鼠、鍵盤這些東西。

這樣不僅能夠節約成本，還更友善維護。

還有一個很特殊的裝置，就是顯示卡（Graphics Card）。

現在，使用圖形界面作業系統的計算機，無論是Windows、Mac OS還是Linux，顯示卡都是必不可少的。

有人可能要說了，我裝機的時候沒有買顯示卡，計算機一樣可以正常跑起來啊！那是因為，現在的主機闆都帶了内置的顯示卡。

如果你用計算機玩遊戲，做圖形渲染或者跑深度學習應用，你多半就需要買一張單獨的顯示卡，插在主機闆上。

顯示卡之是以特殊，是因為顯示卡裡有除了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。

滑鼠、鍵盤以及硬碟都是插在主機闆上的。作為外部I/O裝置，它們是通過主機闆上的南橋（SouthBridge）晶片組，來控制和CPU之間的通信的。

“南橋”晶片的名字很直覺

• 它在主機闆上的位置，通常在主機闆的“南面”
• 它的作用就是作為“橋”，來連接配接滑鼠、鍵盤以及硬碟這些外部裝置和CPU之間的通信。

有了南橋，自然對應着也有“北橋”。

是的，以前的主機闆上通常也有“北橋”晶片，用來作為“橋”，連接配接CPU和記憶體、顯示卡之間的通信。

不過，随着時間的變遷，現在的主機闆上的“北橋”晶片的工作，已經被移到了CPU的内部，是以你在主機闆上，已經看不到北橋晶片了。

2 馮·諾依曼體系結構

剛才我們講了一台計算機的硬體組成，這說的是我們平時用的個人電腦或者伺服器。那我們平時最常用的智能手機的組成，也是這樣嗎？

我們手機裡隻有SD卡（Secure Digital Memory Card）類似硬碟功能的存儲卡插槽，并沒有記憶體插槽、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、記憶體、網絡通信，乃至攝像頭晶片，都封裝到一個晶片，然後再嵌入到手機主機闆上。

這種方式叫SoC，也就是System on a Chip（系統晶片）。

看起來，個人電腦和智能手機的硬體組成方式不太一樣。

可是，我們寫智能手機上的App，和寫個人電腦的用戶端應用似乎沒有什麼差别，都是通過“進階語言”這樣的程式設計語言撰寫、編譯之後，一樣是把代碼和資料加載到記憶體裡來執行。

無論是個人電腦/伺服器/智能手機，還是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），也叫存儲程式計算機。

什麼是存儲程式計算機呢？這裡面其實暗含了兩個概念

• “可程式設計”計算機
• “存儲”計算機

什麼是“不可程式設計”？？？

計算機是由各種門電路組合而成的，然後通過組裝出一個固定的電路版，完成一個特定的計算程式。

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“不可程式設計”的，因為程式在計算機硬體層面是“寫死”的。

最常見的就是老式電腦，電路闆設好了加減乘除，做不了任何計算邏輯固定之外的事情。

• 電腦的本質是一個不可程式設計的計算機

我們再來看“存儲”計算機。

程式本身是存儲在計算機的記憶體裡，可以通過加載不同的程式來解決不同的問題。

有“存儲程式計算機”，自然也有不能存儲程式的計算機。

典型的就是早年的“Plugboard”這樣的插線闆式的計算機。整個計算機就是一個巨大的插線闆，通過在闆子上不同的插頭或者接口的位置插入線路，來實作不同的功能。這樣的計算機自然是“可程式設計”的，但是編寫好的程式不能存儲下來供下一次加載使用，不得不每次要用到和目前不同的“程式”的時候，重新插闆子，重新“程式設計”。

• 著名的Engima Machine就用到了Plugboard來進行“程式設計”

可以看到，無論是“不可程式設計”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“存儲程式計算機”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台計算機應該長什麼樣。這篇報告在曆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裡面說了一台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），用來完成各種算術和邏輯運算。

因為它能夠完成各種資料的處理或者計算工作，是以也有人把這個叫作資料通路（Datapath）或者運算器。

然後是一個包含

• 指令寄存器（Instruction Reigster）
• 程式計數器（Program Counter）

的控制器單元（Control Unit/CU），用來控制程式的流程，通常就是不同條件下的分支和跳轉。

在現在的計算機裡，上面的算術邏輯單元和這裡的控制器單元，共同組成了我們說的CPU。

接着是用來存儲資料（Data）和指令（Instruction）的記憶體。以及更大容量的外部存儲，在過去，可能是錄音帶、磁鼓這樣的裝置，現在通常就是硬碟。

最後就是各種輸入和輸出裝置，以及對應的輸入和輸出機制。

我們現在無論是使用什麼樣的計算機，其實都是和輸入輸出裝置在打交道。

• 個人電腦的滑鼠鍵盤是輸入裝置，顯示器是輸出裝置
• 我們用的智能手機，觸摸屏既是輸入裝置，又是輸出裝置
• 跑在各種雲上的伺服器，則是通過網絡來進行輸入和輸出。這個時候，網卡既是輸入裝置又是輸出裝置

任何一台計算機的任何一個部件都可以歸到運算器、控制器、存儲器、輸入裝置和輸出裝置中，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

而所有的計算機程式，也都可以抽象為從輸入裝置讀取輸入資訊，通過運算器和控制器來執行存儲在存儲器裡的程式，最終把結果輸出到輸出裝置中。而我們所有撰寫的無論進階還是低級語言的程式，也都是基于這樣一個抽象架構來進行運作的。

• 馮·諾依曼體系結構示意圖

3 總結

馮·諾依曼體系結構确立了我們現在每天使用的計算機硬體的基礎架構。

是以，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。

具體來說，其實就是

• 學習控制器、運算器的工作原理，也就是CPU是怎麼工作的，以及為何這樣設計
• 學習記憶體的工作原理，從最基本的電路，到上層抽象給到CPU乃至應用程式的接口是怎樣的
• 學習CPU是怎麼和輸入裝置、輸出裝置打交道的。=

學習組成原理，就是在了解從控制器、運算器、存儲器、輸入裝置以及輸出裝置，從電路這樣的硬體，到最終開放給軟體的接口，是怎麼運作的，為什麼要設計成這樣，以及在軟體開發層面怎麼盡可能用好它。

4 推薦閱讀

• 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後的思路來源，還可以幫你破除對于論文或者核心技術的恐懼心理。

5 思考

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）。那麼圖靈機和馮·諾依曼機是兩種不同的計算機麼？圖靈機是一種什麼樣的計算機抽象呢？

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參考

深入淺出計算機組成原理