計算機基礎方面的知識，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。關於計算機基礎的課程很多，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，計算機基礎知識體系龐雜，想要從零學習或者複習都耗時耗力。

有鑑於此，本系列文章將帶你更快的補足程式設計必備基礎知識，涵蓋計算機領域三大基礎知識：計算機組成原理、作業系統、計算機網路，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：

• 幫助大家形成計算機知識的結構體系
• 幫助大家理解計算機底層原理
• 幫助大家在工作實踐中借鑑其中的優秀設計

本篇是計算機組成原理之計算機的體系與結構。

歡迎關注、轉發、收藏、評論

馮諾依曼體系

馮諾依曼體系，用一句話來概括就是：將程式指令和資料一起儲存的計算機設計概念結構。

在前面學習計算機的發展歷史的時候，我們知道，早期的計算機只能執行固定用途的程式，怎麼理解？舉個例子：有個計算機它只能執行數學運算的程式，那麼它就不能執行文書處理的軟體，也不能拿來玩遊戲，如果要讓它能夠進行別的功能，就需要改變計算機的程式，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。如果說計算機只能用來打遊戲，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儲存起來，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，當我們需要執行某種程式的時候，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——儲存程式指令，設計通用電路。

瞭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計算機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儲存型計算機的概念，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執行，使整個計算機更有彈性。藉助將指令當成一種特殊型別的計算資料，一臺儲存型的計算機可以輕易地改變其程式，並且在程式的控制下，改變執行的內容，改變的時候不需要重新設計電路，不需要重新改變計算機的結構，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計算機包含五大元件：

1. 儲存器：用來存放程式和資料
2. 控制器：用來控制程式的流轉和資料的輸入執行，以及處理運算結果
3. 運算器：主要執行算數運算和邏輯運算，並將中間結果暫存到運算器中
4. 輸入裝置：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
5. 輸出裝置：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計算機，從本質上講，都是馮諾依曼機，包括膝上型電腦、臺式電腦、普通伺服器、迷你計算機等等。由馮諾依曼體系所指導完成的計算機，必須有以下的幾點功能：

1. 能夠把需要的程式和資料送至計算機中（由輸入裝置完成）
2. 能夠長期記憶程式、資料、中間結果及最終運算結果的能力（由儲存器完成）
3. 能夠具備算術、邏輯運算和資料傳送等資料加工處理的能力（由運算器、控制器完成）
4. 能夠按照要求將處理結果輸出給使用者（由輸出裝置完成）

馮諾依曼體系結構示意圖：

我們可以看到，儲存器和CPU是分開的，這就導致一個問題：CPU和儲存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，而儲存器沒有CPU快，到CPU的資料傳輸速度慢，這會導致CPU經常空轉等待資料傳輸，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效能瓶頸，那麼，如何解決呢？

現代計算機的結構

現代計算機在馮諾依曼體系結構基礎上進行了修改，解決了CPU和儲存裝置之間的效能差異問題。下面是現代計算機的結構示意圖：

可以看到，跟前面不一樣的是，運算器、控制器和儲存器組成了現代計算機的CPU。

儲存器，從廣義上，可以理解為儲存資料的介質，包括磁帶和硬碟。但是，這裡的儲存器主要是指圍繞CPU的高速裝置，包括暫存器和記憶體。現代計算機的結構，可以理解為以儲存器為核心的結構。

關於儲存器，還有很多需要理解的知識，我們會在後續文章裡詳細介紹。

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，還需要了解現代計算機的結構和特點以及它解決了什麼問題。

相關推薦