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。