計算機基礎方面的知識，對于一些非科班出身的同學來講，一直是他們心中的痛，而對于科班出身的同學，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。關于計算機基礎的課程很多，内容繁雜，但無論是相關書籍還是大學課程，都有點脫離工作。特别地，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。

有鑒于此，本系列文章将帶你更快的補足編程必備基礎知識，涵蓋計算機領域三大基礎知識：計算機組成原理、操作系統、計算機網絡，文章選取了作為程序員最應該掌握的那部分知識，取其精華，棄之于程序員不重要的那部分内容。

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鑒其中的優秀設計

本篇是計算機組成原理之計算機的體系與結構。

曆史文章：

更适合程序員的計算機組成原理基礎知識：計算機的發展曆史

編程必備基礎知識之計算機組成原理篇：計算機的分類

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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：将程序指令和數據一起存儲的計算機設計概念結構。

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存儲型計算機的概念，改變了之前糟糕的一切，皆由創造一種通用的指令集結構，并将所謂的運算轉化為一串程序指令的運行，使整個計算機更有彈性。借助将指令當成一種特殊類型的計算數據，一台存儲型的計算機可以輕易地改變其程序，并且在程序的控制下，改變運行的内容，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組件：

1. 存儲器：用來存放程序和數據
2. 控制器：用來控制程序的流轉和數據的輸入運行，以及處理運算結果
3. 運算器：主要運行算數運算和邏輯運算，并将中間結果暫存到運算器中
4. 輸入設備：用來将人們熟悉的信息形式轉換為機器能夠識别的信息形式，常見的有鍵盤，鼠标等
5. 輸出設備：可以将機器運算結果轉換為人們熟悉的信息形式，如打印機輸出，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，包括筆記本電腦、台式電腦、普通服務器、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. 能夠把需要的程序和數據送至計算機中（由輸入設備完成）
2. 能夠長期記憶程序、數據、中間結果及最終運算結果的能力（由存儲器完成）
3. 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）
4. 能夠按照要求将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，這就導緻一個問題：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，這會導緻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和存儲設備之間的性能差異問題。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、控制器和存儲器組成了現代計算機的CPU。

存儲器，從廣義上，可以理解為存儲數據的介質，包括磁帶和硬盤。但是，這裡的存儲器主要是指圍繞CPU的高速設備，包括寄存器和内存。現代計算機的結構，可以理解為以存儲器為核心的結構。

關于存儲器，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産生的，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。

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