作者：徐文浩，極客時間"深入淺出計算機組成原理"專欄作者
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學習計算機組成原理，到底是在學些什麼呢？這個事兒，一兩句話還真說不清楚。不過沒關係，我們先從“裝電腦”這個看起來沒有什麼技術含量的事情說起，來弄清楚計算機到底是由什麼組成的。
不知道你有沒有自己搞過“裝機”這回事兒。在 2019 年的今天，大部分人用的計算機，應該都已經是組裝好的“品牌機”。如果我們把時鐘撥回到上世紀八九十年代，不少早期的電腦愛好者，都是自己採購各種電腦配件，來裝一臺自己的計算機的。
計算機的基本硬件組成
早年，要自己組裝一臺計算機，要先有三大件，CPU、內存和主板。
在這三大件中，我們首先要說的是CPU，它是計算機最重要的核心配件，全名你肯定知道，叫中央處理器（Central Processing Unit）。
爲什麼說 CPU 是“最重要”的呢？因爲計算機的所有“計算”都是由 CPU 來進行的。自然，CPU 也是整臺計算機中造價最昂貴的部分之一。
第二個重要的配件，就是內存（Memory）。你撰寫的程序、打開的瀏覽器、運行的遊戲，都要加載到內存裏才能運行。程序讀取的數據、計算得到的結果，也都要放在內存裏。內存越大，能加載的東西自然也就越多。
存放在內存裏的程序和數據，需要被 CPU 讀取，CPU 計算完之後，還要把數據寫回到內存。然而 CPU 不能直接插到內存上，反之亦然。於是，就帶來了最後一個大件——主板（Motherboard）。
主板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 要插在主板上，內存也要插在主板上。主板的芯片組（Chipset）和總線（Bus）解決了 CPU 和內存之間如何通信的問題。
芯片組控制了數據傳輸的流轉，也就是數據從哪裏到哪裏的問題。總線則是實際數據傳輸的高速公路。因此，總線速度（Bus Speed）決定了數據能傳輸得多快。
有了三大件，只要配上電源供電，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）設備，也就是我們常說的I/O 設備。如果你用的是自己的個人電腦，那顯示器肯定必不可少，只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設備。
同樣的，鼠標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設備。
最後，你自己配的個人計算機，還要配上一個硬盤。這樣各種數據才能持久地保存下來。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件，我們拿個紙板或者外面放個電風扇，也一樣能用。
說了這麼多，其實你應該有感覺了，顯示器、鼠標、鍵盤和硬盤這些東西並不是一臺計算機必須的部分。你想一想，我們其實只需要有 I/O 設備，能讓我們從計算機裏輸入和輸出信息，是不是就可以了？答案當然是肯定的。
你肯定去過網吧吧？不知道你注意到沒有，很多網吧的計算機就沒有硬盤，而是直接通過局域網，讀寫遠程網絡硬盤裏面的數據。我們日常用的各類雲服務器，只要讓計算機能通過網絡，SSH 遠程登陸訪問就好了，因此也沒必要配顯示器、鼠標、鍵盤這些東西。這樣不僅能夠節約成本，還更方便維護。
還有一個很特殊的設備，就是顯卡（Graphics Card）。現在，使用圖形界面操作系統的計算機，無論是 Windows、Mac OS 還是 Linux，顯卡都是必不可少的。有人可能要說了，我裝機的時候沒有買顯卡，計算機一樣可以正常跑起來啊！那是因爲，現在的主板都帶了內置的顯卡。
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卡，插在主板上。顯卡之所以特殊，是因爲顯卡里有除了 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。
鼠標、鍵盤以及硬盤，這些都是插在主板上的。作爲外部 I/O 設備，它們是通過主板上的南橋（SouthBridge）芯片組，來控制和 CPU 之間的通信的。“南橋”芯片的名字很直觀，一方面，它在主板上的位置，通常在主板的“南面”。另一方面，它的作用就是作爲“橋”，來連接鼠標、鍵盤以及硬盤這些外部設備和 CPU 之間的通信。
有了南橋，自然對應着也有“北橋”。是的，以前的主板上通常也有“北橋”芯片，用來作爲“橋”，連接 CPU 和內存、顯卡之間的通信。不過，隨着時間的變遷，現在的主板上的“北橋”芯片的工作，已經被移到了 CPU 的內部，所以你在主板上，已經看不到北橋芯片了。
馮·諾依曼體系結構
剛纔我們講了一臺計算機的硬件組成，這說的是我們平時用的個人電腦或者服務器。那我們平時最常用的智能手機的組成，也是這樣嗎？
我們手機裏只有 SD 卡（Secure Digital Memory Card）這樣類似硬盤功能的存儲卡插槽，並沒有內存插槽、CPU 插槽這些東西。沒錯，因爲手機尺寸的原因，手機制造商們選擇把 CPU、內存、網絡通信，乃至攝像頭芯片，都封裝到一個芯片，然後再嵌入到手機主板上。這種方式叫SoC，也就是 System on a Chip（系統芯片）。
這樣看起來，個人電腦和智能手機的硬件組成方式不太一樣。可是，我們寫智能手機上的 App，和寫個人電腦的客戶端應用似乎沒有什麼差別，都是通過“高級語言”這樣的編程語言撰寫、編譯之後，一樣是把代碼和數據加載到內存裏來執行。這是爲什麼呢？因爲，無論是個人電腦、服務器、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，計算機祖師爺之一馮·諾依曼（John von Neumann）提出的馮·諾依曼體系結構（Von Neumann architecture），也叫存儲程序計算機。
什麼是存儲程序計算機呢？這裏面其實暗含了兩個概念，一個是“可編程”計算機，一個是“存儲”計算機。
說到“可編程”，估計你會有點懵，你可以先想想，什麼是“不可編程”。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，來完成一個特定的計算程序。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“不可編程”的，因爲程序在計算機硬件層面是“寫死”的。最常見的就是老式計算器，電路板設好了加減乘除，做不了任何計算邏輯固定之外的事情。
我們再來看“存儲”計算機。這其實是說，程序本身是存儲在計算機的內存裏，可以通過加載不同的程序來解決不同的問題。有“存儲程序計算機”，自然也有不能存儲程序的計算機。典型的就是早年的“Plugboard”這樣的插線板式的計算機。
整個計算機就是一個巨大的插線板，通過在板子上不同的插頭或者接口的位置插入線路，來實現不同的功能。這樣的計算機自然是“可編程”的，但是編寫好的程序不能存儲下來供下一次加載使用，不得不每次要用到和當前不同的“程序”的時候，重新插板子，重新“編程”。
▲著名的Engima Machine就用到了 Plugboard 來進行“編程
”可以看到，無論是“不可編程”還是“不可存儲”，都會讓使用計算機的效率大大下降。而這個對於效率的追求，也就是“存儲程序計算機”的由來。
於是我們的馮祖師爺，基於當時在祕密開發的 EDVAC 寫了一篇報告First Draft of a Report on the EDVAC，描述了他心目中的一臺計算機應該長什麼樣。這篇報告在歷史上有個很特殊的簡稱，叫First Draft，翻譯成中文，其實就是《第一份草案》。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裏面說了一臺計算機應該有哪些部分組成，我們一起來看看。
首先是一個包含算術邏輯單元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和處理器寄存器（Processor Register）的處理器單元（Processing Unit），用來完成各種算術和邏輯運算。因爲它能夠完成各種數據的處理或者計算工作，因此也有人把這個叫作數據通路（Datapath）或者運算器。
然後是一個包含指令寄存器（Instruction Reigster）和程序計數器（Program Counter）的控制器單元（Control Unit/CU），用來控制程序的流程，通常就是不同條件下的分支和跳轉。在現在的計算機裏，上面的算術邏輯單元和這裏的控制器單元，共同組成了我們說的 CPU。
接着是用來存儲數據（Data）和指令（Instruction）的內存。以及更大容量的外部存儲，在過去，可能是磁帶、磁鼓這樣的設備，現在通常就是硬盤。
最後就是各種輸入和輸出設備，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設備在打交道。個人電腦的鼠標鍵盤是輸入設備，顯示器是輸出設備。我們用的智能手機，觸摸屏既是輸入設備，又是輸出設備。而跑在各種雲上的服務器，則是通過網絡來進行輸入和輸出。這個時候，網卡既是輸入設備又是輸出設備。
任何一臺計算機的任何一個部件都可以歸到運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備中，而所有的現代計算機也都是基於這個基礎架構來設計開發的。
而所有的計算機程序，也都可以抽象爲從輸入設備讀取輸入信息，通過運算器和控制器來執行存儲在存儲器裏的程序，最終把結果輸出到輸出設備中。而我們所有撰寫的無論高級還是低級語言的程序，也都是基於這樣一個抽象框架來進行運作的。
▲馮·諾依曼體系結構示意圖
總結
可以說，馮·諾依曼體系結構確立了我們現在每天使用的計算機硬件的基礎架構。因此，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，學習組成原理，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，以及爲何這樣設計；學習內存的工作原理，從最基本的電路，到上層抽象給到 CPU 乃至應用程序的接口是怎樣的；學習 CPU 是怎麼和輸入設備、輸出設備打交道的。
學習組成原理，就是在理解從控制器、運算器、存儲器、輸入設備以及輸出設備，從電路這樣的硬件，到最終開放給軟件的接口，是怎麼運作的，爲什麼要設計成這樣，以及在軟件開發層面怎麼儘可能用好它。
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