开篇词 | 为什么你需要学习计算机组成原理？

深入 “底层知识”，是提升自己的根骨和资质。

底层原理知识在学习和工作中会带来复利效应。

计算机组成原理隔离硬件和软件，软件无需关心硬件就能直接操作硬件的接口。

计算机体系结构TUPIAN

Coursera 上北京大学的《计算机组成》开放课程。
图灵奖作者写的《计算机组成与设计：硬件 / 软件接口》

01 | 冯·诺依曼体系结构：计算机组成的金字塔

计算机的基本硬件组成

CPU：计算机所有计算。
内存：程序加载到内存才能运行，内存和CPU之间进行程序和数据交互。
主板：芯片组：控制数据传输流向。总线：控制数据传输速度。
电源：供电。
IO设备。
显卡：CPU +GPU 主要用于并行计算。
南桥：控制IO设备和CPU之间的通信。
北桥：连接 CPU、内存和显卡。
北桥已经移动到CPU内部。

冯 · 诺依曼体系结构

手机的SD卡：硬盘。
SoC：CPU、内存、网络通信、摄像头芯片，封装到一个芯片，嵌入到手机主板上。

冯 · 诺依曼体系结构（存储程序计算机）：
可编程：各种门电路组合不固定。
存储：程序存储在计算机内存中，加载不同的程序解决不同的问题。

First Draft：First Draft of a Report on the EDVAC

• 处理器单元：算术逻辑单元 + 处理器寄存器，完成算术和逻辑运算。
• 控制器单元：指令寄存器 + 程序计数器，控制程序流程。
• 现代计算机中的CPU：算术逻辑单元 + 控制器单元。
• 内存：存储数据和指令。
• 外存：硬盘。
• 输入设备和输出设备。

任何一台计算机：运算器 + 控制器 + 存储器 + 输入设备 + 输出设备。

计算机程序抽象：输入设备读取输入信息，通过运算器和控制器执行存储器中的程序，输出结果到输出设备。

冯 · 诺依曼体系结构示意图TUPIAN

总结延伸

学习计算机组成原理就是学习和拆解冯 · 诺依曼体系结构。
控制器、运算器工作原理，CPU如何工作？如何设计？为什么这样设计？
学习内存的工作原理，基本电路，如何抽象给CPU和应用程序接口？
CPU和输入设备、输出设备如何打交道。

理解控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备从电路到软件接口如何运行？，为什么设计成这样？软件开发层面怎么尽可能用好？

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读读经典的论文，是从一个普通工程师迈向优秀工程师必经的一步。

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课后思考

图灵机和冯·诺依曼机是两种不同的计算机么？图灵机是一种什么样的计算机抽象呢？