1 電腦的基本硬體組成

早期,DIY一臺電腦，要先有三大件

• CPU
• 記憶體
• 主板

1.1 CPU

電腦最重要的核心配件，中央處理器（Central Processing Unit）。

電腦的所有“計算”都是由CPU來進行的。

• CPU是一個超級精細的印刷電路版
  

1.2 記憶體（Memory）

你撰寫的程式、打開的瀏覽器、運行的游戲，都要載入到記憶體里才能運行。

程式讀取的數據、計算得到的結果，也都要放在記憶體里。記憶體越大，能載入的東西自然也就越多。

記憶體通常直接可以插在主板上，存放在記憶體里的程式和數據，需要被CPU讀取，CPU計算完之後，還要把數據寫回到記憶體。然而CPU不能直接插到記憶體上，反之亦然。於是，就帶來了最後一個大件——主板（Motherboard）。

• 記憶體通常直接可以插在主板上
  

1.3 主板

主板是一個有著各種各樣，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，記憶體也要插在主板上。

主板的晶元組（Chipset）和匯流排（Bus）解決了CPU和記憶體之間如何通信的問題。

• 晶元組控制了數據傳輸的流轉，也就是數據從哪裡到哪裡的問題
• 匯流排則是實際數據傳輸的高速公路。匯流排速度（Bus Speed）決定了數據能傳輸得多快。
• 電腦主板上通常有著各種各樣的插槽

有了三大件，只要配上電源供電，電腦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電腦輸出的各種圖像、文字，這也就是所謂的輸出設備。

同樣的，滑鼠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，你自己配的個人電腦，還要配上一個硬碟。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，算不上是電腦的必備硬體，我們拿個紙板或者外面放個電風扇，也一樣能用。

顯示器、滑鼠、鍵盤和硬碟這些東西並不是一臺電腦必須的部分。

其實只需要有I/O設備，能讓我們從電腦里輸入和輸出信息就可以了。

很多網吧的電腦就沒有硬碟，而是直接通過區域網，讀寫遠程網路硬碟裡面的數據。

各類雲伺服器，只要讓電腦能通過網路，SSH遠程登陸訪問就好了，因此也沒必要配顯示器、滑鼠、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電腦，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，電腦一樣可以正常跑起來啊！那是因為，現在的主板都帶了內置的顯卡。

如果你用電腦玩游戲，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，是因為顯卡裡有除了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。

滑鼠、鍵盤以及硬碟都是插在主板上的。作為外部I/O設備，它們是通過主板上的南橋（SouthBridge）晶元組，來控制和CPU之間的通信的。

“南橋”晶元的名字很直觀

• 它在主板上的位置，通常在主板的“南面”
• 它的作用就是作為“橋”，來連接滑鼠、鍵盤以及硬碟這些外部設備和CPU之間的通信。

有了南橋，自然對應著也有“北橋”。

是的，以前的主板上通常也有“北橋”晶元，用來作為“橋”，連接CPU和記憶體、顯卡之間的通信。

不過，隨著時間的變遷，現在的主板上的“北橋”晶元的工作，已經被移到了CPU的內部，所以你在主板上，已經看不到北橋晶元了。

2 馮·諾依曼體繫結構

剛纔我們講了一臺電腦的硬體組成，這說的是我們平時用的個人電腦或者伺服器。那我們平時最常用的智能手機的組成，也是這樣嗎？

我們手機里只有SD卡（Secure Digital Memory Card）類似硬碟功能的存儲卡插槽，並沒有記憶體插槽、CPU插槽這些東西。

沒錯，因為手機尺寸的原因，手機製造商們選擇把

CPU、記憶體、網路通信，乃至攝像頭晶元，都封裝到一個晶元，然後再嵌入到手機主板上。

這種方式叫SoC，也就是System on a Chip（系統晶元）。

看起來，個人電腦和智能手機的硬體組成方式不太一樣。

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載入到記憶體里來執行。

無論是個人電腦/伺服器/智能手機，還是Raspberry Pi這樣的微型卡片機，都遵循著同一個“電腦”的抽象概念。

這是怎麼樣一個“電腦”呢？這其實就是，電腦鼻祖馮·諾依曼提出的馮·諾依曼體繫結構（Von Neumann architecture），也叫存儲程式電腦。

什麼是存儲程式電腦呢？這裡面其實暗含了兩個概念

• “可編程”電腦
• “存儲”電腦

什麼是“不可編程”？？？

電腦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，完成一個特定的計算程式。

一旦需要修改功能，就要重新組裝電路。這樣的話，電腦就是“不可編程”的，因為程式在電腦硬體層面是“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。

• 計算器的本質是一個不可編程的電腦
  

我們再來看“存儲”電腦。

程式本身是存儲在電腦的記憶體里，可以通過載入不同的程式來解決不同的問題。

有“存儲程式電腦”，自然也有不能存儲程式的電腦。

典型的就是早年的“Plugboard”這樣的插線板式的電腦。整個電腦就是一個巨大的插線板，通過在板子上不同的插頭或者介面的位置插入線路，來實現不同的功能。這樣的電腦自然是“可編程”的，但是編寫好的程式不能存儲下來供下一次載入使用，不得不每次要用到和當前不同的“程式”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”，都會讓使用電腦的效率大大下降。
  而這個對於效率的追求，也就是“存儲程式電腦”的由來。

馮，基於當時在秘密開發的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電腦應該長什麼樣。這篇報告在歷史上有個很特殊的簡稱，叫First Draft。這樣，現代電腦的發展就從祖師爺寫的一份草案開始了。

First Draft裡面說了一臺電腦應該有哪些部分組成

首先是一個包含

• 算術邏輯單元（Arithmetic Logic Unit，ALU）
• 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。

因為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）
• 程式計數器（Program Counter）

的控制器單元（Control Unit/CU），用來控製程序的流程，通常就是不同條件下的分支和跳轉。

在現在的電腦里，上面的算術邏輯單元和這裡的控制器單元，共同組成了我們說的CPU。

接著是用來存儲數據（Data）和指令（Instruction）的記憶體。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，現在通常就是硬碟。

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電腦，其實都是和輸入輸出設備在打交道。

• 個人電腦的滑鼠鍵盤是輸入設備，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
• 跑在各種雲上的伺服器，則是通過網路來進行輸入和輸出。這個時候，網卡既是輸入設備又是輸出設備

任何一臺電腦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，而所有的現代電腦也都是基於這個基礎架構來設計開發的

而所有的電腦程式，也都可以抽象為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里的程式，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式，也都是基於這樣一個抽象框架來進行運作的。

• 馮·諾依曼體繫結構示意圖
  

3 總結

馮·諾依曼體繫結構確立了我們現在每天使用的電腦硬體的基礎架構。

因此，學習電腦組成原理，其實就是學習和拆解馮·諾依曼體繫結構。

具體來說，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，以及為何這樣設計
• 學習記憶體的工作原理，從最基本的電路，到上層抽象給到CPU乃至應用程式的介面是怎樣的
• 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，從電路這樣的硬體，到最終開放給軟體的介面，是怎麼運作的，為什麼要設計成這樣，以及在軟體開發層面怎麼儘可能用好它。

4 推薦閱讀

• First Draft of a Report on the EDVAC
  對於工程師來說，直接讀取英文論文的原文，既可以搞清楚、弄明白對應的設計及其背後的思路來源，還可以幫你破除對於論文或者核心技術的恐懼心理。

5 思考

電腦行業的兩大祖師爺之一，除了馮·諾依曼機之外，還有一位就是著名的圖靈（Alan Mathison Turing）。對應的，我們現在的電腦也叫圖靈機（Turing Machine）。那麼圖靈機和馮·諾依曼機是兩種不同的電腦麽？圖靈機是一種什麼樣的電腦抽象呢？

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參考

深入淺出電腦組成原理