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，***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”。