初探计算机

小熊：计算机里藏着什么呢？
小燕：星辰大海。
小狸：好吃的。

现在计算机大多是冯.诺依曼计算机的组织结构，虽有些改进，但还没超出冯·诺依曼型结构。那冯·诺依曼结构是什么呢？

1945年，冯·诺依曼提出了“存储程序”的概念，把程序本身当作数据来对待，程序和该程序处理的数据用同样的方式存储，确定了存储程序计算机的五大组成部分和基本工作方法。后来，人们把利用这种概念设计的电子计算机系统统称为“冯·诺依曼型结构”计算机。

“冯·诺依曼型结构”计算机有五大组成部分：
–运算器+控制器（CPU），存储器（内存），输入设备，输出设备。

CPU

CPU 即 Central Processing Unit （中央处理器） 相当于计算机的大脑，是计算机的运算核心和控制核心。它的内部由数百千万乃至数亿个晶体管构成，可以让计算机的各个部件顺利工作，起到协调和控制作用。

CPU 从外部看是由许多晶体管组成的电子部件，好像没什么区别。不过从功能方面来看，CPU 的内部由寄存器、控制器、运算器和时钟四个部件组成。

寄存器可用来暂时储存指令、数据等处理对象，根据种类不同，又可以分为 eax、ebp 等若干种，一个 CPU 内部又包含20~100个寄存器。

控制器将内存上的指令、数据等读入寄存器，根据指令的执行结果来控制计算机。

运算器负责运算从内存读取至寄存器的数据。

时钟负责发出 CPU 开始计时的时钟信号。

CPU 运行时，根据时钟信号，控制器从内存读取指令和数据。通过对这些指令加以解释运行，运算器则对数据进行运算，控制器再根据运算结果来控制计算机。

存储器

存储器是具有“记忆”功能的设备，能存取各种数据。根据与 CPU 的接近程度，存储器分为内存储器和外存储器，简称内存和外存。内存属于主机的组成部分，而外存属于外部设备，如硬盘。

内存：负责硬盘等硬件上的数据与CPU之间数据交换处理； 缓存系统中的临时数据。需要注意的是，内存断电后数据会丢失。

硬盘：存储资料等数据的设备，其容量大，造价便宜，而且断电后数据不会丢失。

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计算机里 CPU 与内存、硬盘是怎样的关系？

让我们来看一个例子，编写一个程序，将 123 和 456 两个数值相加，并将结果输出到显示器上。

int a;
a = 123 + 456;
printf("%d",a);

当我们运行程序的时候，CPU 取指令，之后 CPU 告诉硬盘，我要运行你存储的程序A，你把程序A送到内存去。CPU 对内存说，我让硬盘把程序A送到你这里来了，你保存一下。 等程序A被完整的送到内存之后。CPU 就开始执行程序A。

过程就像上面说的，我们举一个接近我们生活的例子。

如果说把硬盘看作一个大仓库，CPU 是加工车间，那么内存就是一个临时仓库。从距离上来说， 相比内存到 CPU 的距离和硬盘到内存的距离，内存和 CPU 的距离更短。所以先将常用的材料放在临时仓库，即用即取。如果需要的材料在临时仓库没找到，就向大仓库抽调，将材料从大仓库移到临时仓库去，之后才将材料从临时仓库送到加工车间加工。这个过程中，材料会存放在临时仓库一段时间，以防再次抽调，节约时间和资源。

让我们再深入一点，看看 CPU 是如何统筹控制的。

依上言，存储指令和数据的内存是通过地址来划分的。CPU 的核心是一个被称作程序计数器（PC）的字大小的储存器。在任何一个时间点上，PC 都指向内存种的某条指令。一个指令和数据通常被储存在多个地址上，但为了方便说明，下图将指令、数据分配在一个地址种。

地址 0100 是程序开始的地方。计算机将程序从硬盘读入内存，计数器定位程序至地址 0100。CPU 每执行一个指令，程序计数器的值就会自动加1。之后，CPU 的控制器依值读取执行命令。

从计算机通电开始，CPU 一直在不知疲倦地重复执行相同的操作：从 PC 指向的存储器读指令，分析解释指令中的操作码和操作数，执行指令指示的操作，然后更新程序计数器，使之指向下一条指令，重复操作。

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计算机各部件又是怎么连接起来的？

贯穿整个系统的是一组电子管道，称作总线。它负责在各个部件间传递信息。I/O （输入/输出）设备则是系统与外界沟通的通道。如我们常见的输入设备是鼠标、键盘，输出设备则是显示器。每个 I/O 设备都是通过一个控制器或适配器和 I/O 总线连接起来的。

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首先，CPU 执行程序指令，等待我们输入数据。当我们在键盘键入字符串，如“hello world”，程序逐一读取字符到寄存器，再把它存放在主存储器中。

当我们敲下回车键时，程序知晓输入结束。然后系统执行一系列指令，这些指令将数据从磁盘拷贝到内存，从而执行指令。数据最终将被输出至显示屏，打印出“hello world”。

至此，计算机主要部件功能及联系介绍完毕。有些不全面的地方，下次分部件深入介绍内部结构。