深入浅出计算机组成原理01-冯·诺依曼体系结构

为什么选择这个课程

借用作者在开篇词中的原话，如果越早去弄清楚计算机的底层原理，在你的知识体系中“储蓄”起这些知识，也就意味着你有越长的时间来收获学习知识的“利息”。
对于非科班出身的我，虽然之前也补救过，但时间一长就很容易淡忘，不知根也不知底，所以现在开始慢慢的看书看课程来补齐这些知识。写代码仅仅是停留在表面，对我来说容易枯燥，对于这些底层的知识我觉得很有必要去了解。

计算机的基本硬件组成

计算机的三大件：CPU、内存和主板。

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。因此，总线速度（Bus Speed）决定了数据能传输得多快。

输入、输出设备：包含显示器、键盘和鼠标等。

硬盘负责将各种数据持久的保存下来。

显卡市面上主要分为独显、集显、核显。

独显：独显又称独立显卡，显卡是一个独立的个体，可以直接加装到电脑内，对于笔记本电脑来说，独立显卡同样是单独的个体，有独立显卡芯片。
集显：集显又称集成显卡，集成显卡压缩在主板北桥芯片中，也有集成显卡直接焊接在主板上，集成显卡一般作用在主板硬件上，换句话说：主板上焊接了显卡芯。
核显：核显又称核心显卡，核显是指CPU硬件中焊接了显卡芯片，又能说CPU中集成了核显。核显对应的硬件是CPU。

南桥芯片组：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。
北桥芯片组：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。

冯·诺依曼体系结构

首先是一个包含算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和处理器寄存器（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 Register）和程序计数器（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。而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。

总结

可以说，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，学习组成原理，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。