编程必备基础知识|计算机组成原理篇(03)：计算机的体系与结构

计算机基础方面的知识，对于一些非科班出身的同窗来说，一直是他们心中的痛，而对于科班出身的同窗，不少同窗在工做以后，也意识到自身所学知识的不足与欠缺，想回头补补基础知识。关于计算机基础的课程不少，内容繁杂，但不管是相关书籍仍是大学课程，都有点脱离工做。特别地，计算机基础知识体系庞杂，想要从零学习或者复习都耗时耗力。

有鉴于此，本系列文章将带你更快的补足编程必备基础知识，涵盖计算机领域三大基础知识：计算机组成原理、操做系统、计算机网络，文章选取了做为程序员最应该掌握的那部分知识，取其精华，弃之于程序员不重要的那部份内容。

目的是：

• 帮助你们造成计算机知识的结构体系
• 帮助你们理解计算机底层原理
• 帮助你们在工做实践中借鉴其中的优秀设计

本篇是计算机组成原理之计算机的体系与结构。

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冯诺依曼体系

冯诺依曼体系，用一句话来归纳就是：将程序指令和数据一块儿存储的计算机设计概念结构。

在前面学习计算机的发展历史的时候，咱们知道，早期的计算机只能运行固定用途的程序，怎么理解？举个例子：有个计算机它只能运行数学运算的程序，那么它就不能运行文字处理的软件，也不能拿来玩游戏，若是要让它可以进行别的功能，就须要改变计算机的程序，而在当时，所谓的重写程序并非指如今的从新编译一个程序那么简单，而是必须更改电路或者说更改结构，甚至从新设计这个机器。

这样就很坑爹了啊。若是说计算机只能用来打游戏，不能用来写代码，或者说只能用来写代码，不能用来玩游戏，那么咱们就不能先玩一会游戏再写一会代码了，这样子是很是不合理的。因而冯诺依曼就想着将程序存储起来，而后在设计底层硬件的时候，再也不是设计专有的电路，而是设计一个通用电路，当咱们须要运行某种程序的时候，咱们先把这段程序翻译成电路可以理解的语言，而后让通用电路去执行相关的逻辑。

这就是冯诺依曼体系的核心概念——存储程序指令，设计通用电路。

了解了冯诺依曼体系是怎样诞生的，若是可以理解冯诺依曼体系给计算机领域带来的巨大改变，咱们就能明白冯诺依曼体系为何这么重要了。由冯诺依曼体系所延伸的存储型计算机的概念，改变了以前糟糕的一切，皆由创造一种通用的指令集结构，并将所谓的运算转化为一串程序指令的运行，使整个计算机更有弹性。借助将指令当成一种特殊类型的计算数据，一台存储型的计算机能够轻易地改变其程序，而且在程序的控制下，改变运行的内容，改变的时候不须要从新设计电路，不须要从新改变计算机的结构，这就是冯诺依曼体系所带来的巨大贡献。

由冯诺依曼体系指导完成的计算机包含五大组件：

1. 存储器：用来存放程序和数据
2. 控制器：用来控制程序的流转和数据的输入运行，以及处理运算结果
3. 运算器：主要运行算数运算和逻辑运算，并将中间结果暂存到运算器中
4. 输入设备：用来将人们熟悉的信息形式转换为机器可以识别的信息形式，常见的有键盘，鼠标等
5. 输出设备：能够将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机输出，显示器输出等

咱们现代全部使用的计算机，从本质上讲，都是冯诺依曼机，包括笔记本电脑、台式电脑、普通服务器、迷你计算机等等。由冯诺依曼体系所指导完成的计算机，必须有如下的几点功能：

1. 可以把须要的程序和数据送至计算机中（由输入设备完成）
2. 可以长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力（由存储器完成）
3. 可以具有算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力（由运算器、控制器完成）
4. 可以按照要求将处理结果输出给用户（由输出设备完成）

冯诺依曼体系结构示意图：

咱们能够看到，存储器和CPU是分开的，这就致使一个问题：CPU和存储器速率之间的问题没法调和。由于CPU是高速运算的，处理速率极快，而存储器没有CPU快，到CPU的数据传输速度慢，这会致使CPU常常空转等待数据传输，这样子是很是浪费资源的。

既然咱们都知道了冯诺依曼体系存在的性能瓶颈，那么，如何解决呢？

现代计算机的结构

现代计算机在冯诺依曼体系结构基础上进行了修改，解决了CPU和存储设备之间的性能差别问题。下面是现代计算机的结构示意图：

能够看到，跟前面不同的是，运算器、控制器和存储器组成了现代计算机的CPU。

存储器，从广义上，能够理解为存储数据的介质，包括磁带和硬盘。可是，这里的存储器主要是指围绕CPU的高速设备，包括寄存器和内存。现代计算机的结构，能够理解为以存储器为核心的结构。

关于存储器，还有不少须要理解的知识，咱们会在后续文章里详细介绍。

总结

这一节，咱们须要了解冯诺依曼体系的含义和它是如何产生的，还须要了解现代计算机的结构和特色以及它解决了什么问题。

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