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<audio id="audio" title="01 | 冯·诺依曼体系结构：计算机组成的金字塔" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/bf/f0/bfb4cbb06a226658acb06b2ca0ecddf0.mp3"></audio>
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学习计算机组成原理，到底是在学些什么呢？这个事儿，一两句话还真说不清楚。不过没关系，我们先从“装电脑”这个看起来没有什么技术含量的事情说起，来弄清楚计算机到底是由什么组成的。
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不知道你有没有自己搞过“装机”这回事儿。在2019年的今天，大部分人用的计算机，应该都已经是组装好的“品牌机”。如果我们把时钟拨回到上世纪八九十年代，不少早期的电脑爱好者，都是自己采购各种电脑配件，来装一台自己的计算机的。
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## 计算机的基本硬件组成
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早年，要自己组装一台计算机，要先有三大件，CPU、内存和主板。
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在这三大件中，我们首先要说的是**CPU**，它是计算机最重要的核心配件，全名你肯定知道，叫中央处理器（Central Processing Unit）。为什么说CPU是“最重要”的呢？因为计算机的所有“计算”都是由CPU来进行的。自然，CPU也是整台计算机中造价最昂贵的部分之一。
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CPU是一个超级精细的印刷电路板，[图片来源](https://www.flickr.com/photos/130561288@N04/39836037882/in/photolist-23Gb7cm-25V6DAn-q421FW-qMvhAJ-7yVugk-qMvgHb-o3NoQV-qMwDkj-qMvgT1-7yVu7T-qMvgMj-7yVu5c-py3Fpg-8pZhf1-7yZhR5-7yVuax-ewr4C-7TQAKk-7SbTox-8pZh3b-fkLugb-HCGERb-231L6Mo-5SSUsD-28WhLvN-K2Tvk-98Cc4e-6ag8YH-7Sf6KS-aDGEYV-7yY2XT-b66LSc-r2oZqk-rPcasz-7TQ1dB-754sSu-qMwEzy-npvMDK-4BDkou-zrid4-a8X3jn-5uTaCd-7SbRFV-7TTeJh-6ag8zX-6akhEm-7ihCSj-8Whgmi-6j5iUJ-6ag8m8)
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第二个重要的配件，就是**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。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/aa/ad/aa20e3813fd7cb438bb0c13f43e09cad.jpg" alt="">
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内存通常直接可以插在主板上，[图片来源](https://www.flickr.com/photos/dennissylvesterhurd/7633424314/in/photolist-cCxi73-4DT7ov-5SFN7f-22ptD6Q-5SEAjJ-5SMkhQ-qvfnJh-7TQ7bM-5SAgnX-jwzhXx-5SFTJY-7TQe2k-atvnG7-YGowK7-4w9tXh-5SEDih-dPcqJ1-5SAgFV-8EboSi-5SGJ9r-62Yv2h-5Tft1r-5Xz9Na-89gSAF-5SFFVy-5SMcvH-5KtAAz-eaehyJ-8kYkea-rEdcLj-b39Kug-EST98f-8tR3Vk-7ihCSj-dTYG6-YL543f-4dEEe-BJ8QZ-88ZMZg-6ZzkhW-8Z6NkM-5SBoXn-6JKJfA-7Zx3Su-5SFT2q-7TQkLk-75VyrS-5SGnr4-5SJnWV-5SBpq8)
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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）。
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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。因此，**总线速度**（Bus Speed）决定了数据能传输得多快。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/16/b0/16bed40e3f1b1484e842cac3d6e596b0.jpg" alt="">
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计算机主板上通常有着各种各样的插槽，[图片来源](https://www.flickr.com/photos/117150261@N02/12448712795/in/photolist-jY3UBe-7JggqE-DUWwNz-9GWzCa-bvGsRS-8m9cYn-e1BaEo-5SEAjJ-5SMkhQ-2eXVzdk-5SEDoU-dmvKB-5SAgnX-5SFTJY-e1vtir-5Pnxus-5SFFVy-63duyC-5SMcvH-jrTkcC-25V6DAn-imfxix-7VRFgR-inZF2N-io1oLM-zHB1BQ-C7aA66-dmE49-K6oVVQ-7VUTom-4pd9Jb-5SEDih-6LK87S-5SAgFV-5SGJ9r-22u9CTJ-7ihCSj-75VyrS-5PigdF-5SGnr4-5SJnWV-5SBpq8-5SNggT-jrTfcY-5SAjgT-5SSUsD-5SAgMi-4eqcQq-22cvYDk-5SAgSn)
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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**。
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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**。
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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。
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说了这么多，其实你应该有感觉了，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。你想一想，我们其实只需要有I/O设备，能让我们从计算机里输入和输出信息，是不是就可以了？答案当然是肯定的。
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你肯定去过网吧吧？不知道你注意到没有，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。我们日常用的各类云服务器，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。
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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。
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鼠标、键盘以及硬盘，这些都是插在主板上的。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，一方面，它在主板上的位置，通常在主板的“南面”。另一方面，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。
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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。
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## 冯·诺依曼体系结构
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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？
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我们手机里只有SD卡（Secure Digital Memory Card）这样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）。
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这样看起来，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。这是为什么呢？因为，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，计算机祖师爷之一冯·诺依曼（John von Neumann）提出的**冯·诺依曼体系结构**（Von Neumann architecture），也叫**存储程序计算机**。
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什么是存储程序计算机呢？这里面其实暗含了两个概念，一个是“**可编程**”计算机，一个是“**存储**”计算机。
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说到“可编程”，估计你会有点懵，你可以先想想，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板，来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。
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计算器的本质是一个不可编程的计算机，[图片来源](https://www.flickr.com/photos/horiavarlan/4273218725/in/photolist-7vBn3V-3j7qrv-8iUqcs-biaK7a-qdmGPv-3jbGUN-6pFNS-3jbBa1-4MZAxs-292yK5p-2akim1j-26Bw8bE-qgskU-4EeDGe-NhdPhL-28gSRkC-292yLd6-4wVKuz-29iaje9-81BJ2h-27DSFgw-292yQkV-2akis1L-292yWRa-292yTqn-9sATYG-2akirG9-29ian6G-27DSDV5-9sAUCq-8EGHW5-29iaj49-2akigzf-29iarj1-MexNtE-292yUkt-LDNqXB-29jdR8d-4pyKYY-29nivE4-29iavZy-29iamfy-292yUMa-2akig6u-2akifN5-29jdQs5-29jdQhW-2akifUN-29jdRah-29jdQtN)
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我们再来看“存储”计算机。这其实是说，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”。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/cb/9e/cbf639bab23f61d464aa80b4fd10019e.jpg" alt="">
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著名的[Engima Machine](https://en.wikipedia.org/wiki/Enigma_machine)就用到了Plugboard来进行“编程”，[图片来源](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Enigma-plugboard.jpg)
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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。
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于是我们的冯祖师爷，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**](https://en.wikipedia.org/wiki/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**，翻译成中文，其实就是《第一份草案》。这样，现代计算机的发展就从祖师爷写的一份草案开始了。
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**First Draft**里面说了一台计算机应该有哪些部分组成，我们一起来看看。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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冯·诺依曼体系结构示意图，[图片来源](https://en.wikipedia.org/wiki/Von_Neumann_architecture#/media/File:Von_Neumann_Architecture.svg)
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## 总结延伸
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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。
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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。
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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。
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好了，这一讲说到这儿就结束了。你应该已经理解了计算机的硬件是由哪些设备组成的，以及冯·诺依曼体系结构是什么样的了。下一讲，我会带你看一张地图，也是计算机组成原理的知识地图。我们一起来看一看怎么样才是学习组成原理的好方法。
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## 推荐阅读
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我一直认为，读读经典的论文，是从一个普通工程师迈向优秀工程师必经的一步。如果你有时间，不妨去读一读[**First Draft of a Report on the EDVAC**](https://en.wikipedia.org/wiki/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。
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## 课后思考
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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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