1 基本硬件组成

一台计算机组成至少如下：

CPU（Central Processing Unit）中央处理器，计算机的所有计算由CPU执行。
内存（Memory）撰写的程序、打开的浏览器、运行的游戏，都要加载到内存里才能运行。程序读取的数据、计算得到的结果，也都要放在内存里。内存越大，能加载的东西自然也就越多。存放在内存里的程序和数据，需要被CPU读取，CPU计算完之后，还要把数据写回到内存。然而CPU不能直接插到内存上，反之亦然。
主板（Motherboard）一个有着各种各样，有时候多达数十乃至上百个插槽的配件。CPU、内存都要插在主板。主板的芯片组（Chipset）和总线（Bus）解决了CPU和内存之间如何通信的问题。
- 芯片组控制数据流转
- 总线实际数据传输的高速公路。总线速度（Bus Speed）决定数据传输速度

输入（Input）/输出（Output）设备，即I/O设备。显示器这所谓的输出设备。鼠标和键盘所谓的输入设备。硬盘，数据持久化。

显示器、鼠标、键盘和硬盘这些东西并不是一台计算机必须的部分。

其实只需要有I/O设备，能让我们从计算机里输入和输出信息即可。云服务器，只要让计算机能通过网络，SSH远程登陆访问就好了，因此没必要配显示器、鼠标、键盘。

显卡（Graphics Card），使用图形界面操作系统的计算机必不可少。

有人可能要说了，我装机的时候没有买显卡，计算机一样可以正常跑起来啊！那是因为，现在的主板都带了内置的显卡。

如果玩游戏，做图形渲染或者跑深度学习应用，就需要买一张单独显卡，因为显卡里有GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器），GPU一样可以做各种“计算”的工作。

鼠标、键盘以及硬盘都是插在主板。作为外部I/O设备，它们通过主板上的南桥（SouthBridge）芯片组，来控制和CPU之间的通信的。

“南桥”芯片

它在主板上的位置，通常在主板的“南面”
它的作用就是作为“桥”，来连接鼠标、键盘以及硬盘这些外部设备和CPU之间的通信。

以前的主板上通常也有“北桥”芯片，用来作为“桥”，连接CPU和内存、显卡之间的通信。不过现在的主板上的“北桥”芯片的工作，已经被移到了CPU内部。

2 冯·诺依曼体系结构

手机制造商们把CPU、内存、网络通信，乃至摄像头芯片，都封装到一个芯片，然后再嵌入到手机主板上，即SoC，System on a Chip（系统芯片）。

但无论是PC/服务器/手机都遵循冯·诺依曼体系结构（Von Neumann architecture），也叫存储程序计算机，意味着“可编程”、“存储”计算机。

计算机由各种门电路组成完成计算程序。一旦需要修改功能，就要重新组装电路。这样的话，计算机就是“不可编程”的，因为程序在计算机硬件层面是“写死”的。最常见的就是老式计算器，电路板设好了加减乘除，做不了任何计算逻辑固定之外的事情。

再看“存储”计算机。程序存储在计算机内存，可通过加载不同程序解决不同问题。

不能存储程序的计算机早年“Plugboard”这种插线板计算机，在板子上不同的插头或者接口的位置插入线路实现不同功能。这样的计算机“可编程”，但编写好的程序不能存储下来供下一次加载使用，不得不每次要用到和当前不同的“程序”的时候，重新插板子，重新“编程”。

为了效率，有了“存储程序计算机”。冯基于在秘密开发的EDVAC写了一篇报告First Draft of a Report on the EDVAC，描述了一台计算机什么样。包含处理器单元（Processing Unit）：

算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）
处理器寄存器（Processor Register）

完成各种算术和逻辑运算。

因为它能够完成各种数据的处理或者计算工作，因此也有人把这个叫作数据通路（Datapath）或者运算器。

包含控制器单元（Control Unit/CU）：

指令寄存器（Instruction Reigster）
程序计数器（Program Counter）

控制程序的流程，通常就是不同条件下的分支和跳转。算术逻辑单元和控制器单元组成CPU。

存储器

存储数据（Data）和指令（Instruction）的内存。以及更大容量的外部存储，在过去，可能是磁带、磁鼓这样的设备，现在通常就是硬盘。

层次结构

原理

缓存-主存层次

局部性原理。即在CPU与主存之间增加一层速度快(容量小)的Cache，以解决主存速度不足问题。

主存-辅存层次

局部性原理。在主存之外增加辅助存储器(磁盘、SD卡、 U盘等)，以解决主存容量不足的问题。

输入和输出设备

无论是使用什么样的计算机，都是和输入输出设备打交道。

个人电脑的鼠标键盘是输入设备，显示器是输出设备
我们用的智能手机，触摸屏既是输入设备，又是输出设备
跑在各种云上的服务器，则是通过网络来进行输入和输出。这个时候，网卡既是输入设备又是输出设备

任何一台计算机的任何一个部件都可以归到运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备中，而所有的现代计算机也都是基于这个基础架构来设计开发的

而所有的计算机程序，也都可以抽象为从输入设备读取输入信息，通过运算器和控制器来执行存储在存储器里的程序，最终把结果输出到输出设备中。而我们所有撰写的无论高级还是低级语言的程序，也都是基于这样一个抽象框架来进行运作的。

通用设计

数据线

I/O设备与主机之间进行数据交换的传送线。

分为：

单向传输数据线
双向传输数据线

状态线

I/O设备状态向主机报告的信号线查询设备是否已经正常连接并就绪查询设备是否已经被占用

命令线

CPU向设备发送命令的信号线
发送读写信号
发送启动停止信号

设备选择线

主机选择I/O设备进行操作的信号线对连在总线上的设备进行选择

CPU与IO设备的通信

程序中断

当外围IO设备就绪时，向CPU发出中断信号。CPU有专门的电路响应中断信号。提供低速设备通知CPU的一种异步的方式，CPU可以高速运转同时兼顾低速设备的响应。

程序中断的一个简单流程

不过频繁切换 CPU 也会降低性能。所以又有如下方式

DMA (直接存储器访问)

DMA直接连接主存与I/O设备

当主存与I/O设备交换信息时，无需中断CPU，可提高 CPU 利用率

CPU速度与I/O设备速度不一致。硬盘与外接显卡里都有。

原文地址：https://cloud.tencent.com/developer/article/2181178

简明图解冯·诺依曼计算机体系