編程必備基礎知識|電腦組成原理篇(03)：電腦的體系與結構
- 2019 年 10 月 3 日
- 筆記
電腦基礎方面的知識，對於一些非科班出身的同學來講，一直是他們心中的痛，而對於科班出身的同學，很多同學在工作之後，也意識到自身所學知識的不足與欠缺，想回頭補補基礎知識。關於電腦基礎的課程很多，內容繁雜，但無論是相關書籍還是大學課程，都有點脫離工作。特別地，電腦基礎知識體系龐雜，想要從零學習或者複習都耗時耗力。
有鑒於此，本系列文章將帶你更快的補足編程必備基礎知識，涵蓋電腦領域三大基礎知識：電腦組成原理、作業系統、電腦網路，文章選取了作為程式設計師最應該掌握的那部分知識，取其精華，棄之於程式設計師不重要的那部分內容。
目的是：
- 幫助大家形成電腦知識的結構體系
- 幫助大家理解電腦底層原理
- 幫助大家在工作實踐中借鑒其中的優秀設計
本篇是電腦組成原理之電腦的體系與結構。
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馮諾依曼體系
馮諾依曼體系，用一句話來概括就是：將程式指令和數據一起存儲的電腦設計概念結構。
在前面學習電腦的發展歷史的時候，我們知道，早期的電腦只能運行固定用途的程式，怎麼理解？舉個例子：有個電腦它只能運行數學運算的程式，那麼它就不能運行文字處理的軟體，也不能拿來玩遊戲，如果要讓它能夠進行別的功能，就需要改變電腦的程式，而在當時，所謂的重寫程式並不是指現在的重新編譯一個程式那麼簡單，而是必須更改電路或者說更改結構，甚至重新設計這個機器。
這樣就很坑爹了啊。如果說電腦只能用來打遊戲，不能用來寫程式碼，或者說只能用來寫程式碼，不能用來玩遊戲，那麼我們就不能先玩一會遊戲再寫一會程式碼了，這樣子是非常不合理的。於是馮諾依曼就想著將程式存儲起來，然後在設計底層硬體的時候，不再是設計專有的電路，而是設計一個通用電路，當我們需要運行某種程式的時候，我們先把這段程式翻譯成電路能夠理解的語言，然後讓通用電路去執行相關的邏輯。
這就是馮諾依曼體系的核心概念——存儲程式指令，設計通用電路。
了解了馮諾依曼體系是怎樣誕生的，如果能夠理解馮諾依曼體系給電腦領域帶來的巨大改變，我們就能明白馮諾依曼體系為什麼這麼重要了。由馮諾依曼體系所延伸的存儲型電腦的概念，改變了之前糟糕的一切，皆由創造一種通用的指令集結構，並將所謂的運算轉化為一串程式指令的運行，使整個電腦更有彈性。藉助將指令當成一種特殊類型的計算數據，一台存儲型的電腦可以輕易地改變其程式，並且在程式的控制下，改變運行的內容，改變的時候不需要重新設計電路，不需要重新改變電腦的結構，這就是馮諾依曼體系所帶來的巨大貢獻。
由馮諾依曼體系指導完成的電腦包含五大組件：
- 存儲器：用來存放程式和數據
- 控制器：用來控制程式的流轉和數據的輸入運行，以及處理運算結果
- 運算器：主要運行算數運算和邏輯運算，並將中間結果暫存到運算器中
- 輸入設備：用來將人們熟悉的資訊形式轉換為機器能夠識別的資訊形式，常見的有鍵盤，滑鼠等
- 輸出設備：可以將機器運算結果轉換為人們熟悉的資訊形式，如印表機輸出，顯示器輸出等
我們現代所有使用的電腦，從本質上講，都是馮諾依曼機，包括筆記型電腦電腦、台式電腦、普通伺服器、迷你電腦等等。由馮諾依曼體系所指導完成的電腦，必須有以下的幾點功能：
- 能夠把需要的程式和數據送至電腦中（由輸入設備完成）
- 能夠長期記憶程式、數據、中間結果及最終運算結果的能力（由存儲器完成）
- 能夠具備算術、邏輯運算和數據傳送等數據加工處理的能力（由運算器、控制器完成）
- 能夠按照要求將處理結果輸出給用戶（由輸出設備完成）
馮諾依曼體系結構示意圖：
我們可以看到，存儲器和CPU是分開的，這就導致一個問題：CPU和存儲器速率之間的問題無法調和。因為CPU是高速運算的，處理速率極快，而存儲器沒有CPU快，到CPU的數據傳輸速度慢，這會導致CPU經常空轉等待數據傳輸，這樣子是非常浪費資源的。
既然我們都知道了馮諾依曼體系存在的性能瓶頸，那麼，如何解決呢？
現代電腦的結構
現代電腦在馮諾依曼體系結構基礎上進行了修改，解決了CPU和存儲設備之間的性能差異問題。下面是現代電腦的結構示意圖：
可以看到，跟前面不一樣的是，運算器、控制器和存儲器組成了現代電腦的CPU。
存儲器，從廣義上，可以理解為存儲數據的介質，包括磁帶和硬碟。但是，這裡的存儲器主要是指圍繞CPU的高速設備，包括暫存器和記憶體。現代電腦的結構，可以理解為以存儲器為核心的結構。
關於存儲器，還有很多需要理解的知識，我們會在後續文章里詳細介紹。
總結
這一節，我們需要了解馮諾依曼體系的含義和它是如何產生的，還需要了解現代電腦的結構和特點以及它解決了什麼問題。
