作者《洁白的铅笔，款待客人的时间》《深入挖掘电脑的构成原理》专栏作者
特别说明：本文为专栏免费试读部分，如有侵权，可联系后台删除
学习计算机的组成原理，到底是在学什么呢？ 这件事，一两句话还说不清楚。 但是没关系。 首先，从看起来没有“装电脑”的技术含量开始，弄清楚电脑是由什么组成的吧。
不知道你有没有自己做过“装机”这件事。 2019年的今天，大部分人使用的电脑应该是已经组装好的“品牌机”。 如果我们把表放回20世纪80年代到90年代，很多早期的电脑爱好者会自己购买各种各样的电脑部件，把自己的电脑放进去。
计算机的基本硬件组成
早年，自己组装计算机首先需要三个大部件：处理器、内存和主板。
在这三者中，首先谈谈CPU。 这是计算机最重要的核心部件，全名我一定知道。 称为中央处理单元。
为什么CPU是“最重要的”呢？ 因为计算机的“计算”都由CPU进行。 当然，CPU也是整个计算机中最昂贵的部分之一。
第二个重要附件是内存。 你写的程序、打开的浏览器、正在运行的游戏，都要载入内存才能运行。 程序读取的数据、计算的结果也必须放入存储器。 内存越大，可以加载的当然也越多。
内存中存储的程序和数据需要读入CPU，CPU计算后，将数据写回内存。 但是，不能将CPU直接连接到内存。 反之亦然。 于是，我带来了最后一块大的——主板(Motherboard )。
主板有很多种，有时有几十到几百个插槽。 我们的处理器必须连接到主板，内存也必须连接到主板。 主板芯片组(Chipset )和总线(Bus )解决了处理器和内存之间的通信问题。
芯片组控制数据传输的流程，也就是数据从哪里发送到哪里。 总线是实际数据传输的高速公路。 因此，“总线速度”(Bus Speed )决定了数据传输的速度。
有了三个大的，连接电源供电，计算机就差不多能跑了。 但是，目前缺乏各种输入输出设备，即所谓的I/O设备。 如果你用的是自己的电脑，显示屏是必不可少的。 只有有了显示器，才能看到计算机输出的各种图像和文字。 这就是所谓的输出设备。
同样，鼠标和键盘也是必不可少的附件。 你可以这样输入文本来写这篇文章。 这些是所谓的输入设备。
最后，你自己准备的电脑还带硬盘。 以这种方式，各种数据被永久保存。 大多数人在自己的机器上安装机箱，打开风扇，解决灰尘和散热问题。 但是机箱和风扇并不是计算机的必备硬件。 拿纸箱，外面放电风扇也一样可以用。
因为我说了这么多，所以实际上你应该觉得显示器、鼠标、键盘、硬盘等等都不是计算机的必要部分。 想想看。 我们要是真的有I/O设备，能从计算机输入输出信息不就好了吗？ 当然答案是肯定的。
你去过网吧吧？ 不知道有没有注意到，很多网吧的计算机没有硬盘，而是直接通过局域网，读写远程网络硬盘中的数据。 我们日常使用的各种云服务，只要计算机通过网络通过SSH远程登录即可访问，所以也不需要配备显示器、鼠标、键盘等。 这样不仅可以节约成本，而且便于维护。
另一个特殊的设备是图形卡(Graphics Card )。 目前，使用图形界面操作系统的计算机在Windows、MAC操作系统和Linux中都必须具有图形卡。 也许有人会说，我安装的时候没有买显卡。 你能像电脑一样正常地跑啊。 那是因为现在的主板上有内置的显卡。
使用电脑玩游戏、绘图渲染、运行深度学习APP时，往往需要购买其他显卡才能连接到主板。 显卡之所以特殊，是因为显卡可以与CPU进行不同的“处理器”，也就是图形处理器(GPU )、GPU等各种“计算”任务。
鼠标、键盘、硬盘，所有这些都连接到主板上。 作为外部I/O设备，控制通过主板上的南桥芯片组与CPU的通信。 “南桥”芯片的名字很直观。 另一方面，主板上的位置通常位于主板的“南”。 另一方面，鼠标、键盘、硬盘等外部设备与CPU之间的通信作为“桥接器”。
既有南桥，也有应对自然的“北桥”。 是的，以前的主板通常也有“北桥”芯片，用于连接CPU和内存以及显卡之间的通信作为“桥”。 但是，随着时间的推移，当前主板上的“北桥”芯片的工作移动到了CPU内部，所以你再也看不到主板上的北桥芯片了。
cxddp体系结构
刚才我们谈到了计算机的硬件结构，这是指我们平时使用的电脑和服务器。 我们平时最常用的智能手机的构成也是这样吗？
我们的手机只有像安全数字内存卡(SD卡)这样具有硬盘功能的存储卡插槽，没有内存插槽或CPU插槽
。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）。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cxddp（John von Neumann）提出的cxddp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，一个是“可编程”计算机，一个是“存储”计算机。
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版，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。
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”。
▲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。
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，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。
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。
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 Reigster）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。
▲cxddp体系结构示意图
总结
可以说，cxddp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cxddp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。
--END--关注公众号百问科技(ID：baiwenkeji）第一时间阅读嵌入式干货。
技术交流加个人威信13266630429，验证：CSDN博客