冯·诺依曼体系结构：计算机的组成

计算机的基本硬件组成，首先想到的肯定是，CPU，内存条，和主板。

CPU，中央处理器Central Processing Unit，计算机所有的计算处理都由CPU负责，是计算机最重要的核心配件，也被成为计算机的大脑。

内存Memory，所有的程序都要先加载到内存里才能运行，内存越大，计算机运行越流畅，能加载的内容越多；内存越小，电脑用起来自然就越卡。

主板Motherboard，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。

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。同样的，鼠标和键盘也都是必不可少的配件。这样才可以操作电脑，对计算机发出指令。它们也就是所谓的输入设备。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。最后你还可以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。

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。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。

这些硬件组成了最基本的计算机，而这个计算机的组成，则遵循了冯·诺依曼体系结构（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”，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。

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”。

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”和冯·诺依曼体系结构的由来。

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。所以学习计算机组成原理，必须学习和拆解冯·诺依曼体系结构

冯·诺依曼体系结构对于计算机构成的设想如下：

处理器单元（Processing Unit）：包含算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和处理器寄存器（Processor Register），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。

控制器单元（Control Unit/CU）：包含指令寄存器（Instruction Register）和程序计数器（Program Counter），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——其实就是现在的硬盘。

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。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。

此文章为2月Day14学习笔记，内容来源于极客时间《深入浅出计算机组成原理》，强烈推荐该课程！