01.计算机组成原理和结构

目录介绍

• 01.计算机底层知识
  • 1.1 计算机基础组成
  • 1.2 理论和实践相结合
• 02.计算机基本硬件
  • 2.1 基本硬件组成
  • 2.2 输入和输出设备
• 03.冯·诺依曼体系结构
  • 3.1 存储程序计算机
  • 3.2 冯·诺依曼描述计算机
  • 3.3 抽象计算机框架
  • 3.4 冯·诺依曼体系延伸
  • 3.5 综合案例理解概念
  • 3.6 数据交互层面设计
  • 3.7 数据流动层面设计
  • 3.8 控制层面设计思想
  • 3.9 来看一道练习题
• 04.计算机组成原理
  • 4.1 计算机知识地图
  • 4.2 计算机基本组成
  • 4.3 控制器
  • 4.4 存储器
  • 4.5 输入设备
  • 4.6 输出设备
  • 4.7 运算器
• 05.如何学习组成原理
  • 5.1 知识体系太大了
  • 5.2 如何学习该专栏

01.计算机底层知识

1.1 计算机基础组成

• 计算机是由 CPU、内存、显示器这些设备组成的硬件
  • 目前，大部分程序员都是从事各种软件开发工作。显然，在硬件和软件之间需要一座桥梁，而“计算机组成原理”就扮演了这样一个角色，它既隔离了软件和硬件，也提供了让软件无需关心硬件，就能直接操作硬件的接口。
  • 只需要对硬件有原理性的理解，就可以信赖硬件的可靠性，用高级语言来写程序。无论是写操作系统和编译器这样的硬核代码，还是写 Web 应用和手机 App 这样的应用层代码，都可以做到心里有底。
• 无论你想要学习计算机的哪一门核心课程，之前都应该先学习一下“计算机组成原理”，这样无论是对计算机的硬件原理，还是软件架构，对计算机方方面面的知识都会有一个全局的了解。
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1.2 理论和实践相结合

• 说了这么多计算机组成原理的重要性，但到底该怎么学呢？
  • “买书如山倒，读书如抽丝”。从业这么多年，周围想要好好学一学组成原理的工程师不少，但是真的坚持下来学完、学好的却不多。
• 对这些问题，从学习和工作的经验看，找到了三个主要原因。
  • 第一，广。组成原理中的概念非常多，每个概念的信息量也非常大。比如想要理解 CPU 中的算术逻辑单元（也就是 ALU）是怎么实现加法的，需要牵涉到如何把整数表示成二进制，还需要了解这些表示背后的电路、逻辑门、CPU 时钟、触发器等知识。
  • 第二，深。组成原理中的很多概念，阐述开来就是计算机学科的另外一门核心课程。比如，计算机的指令是怎么从你写的 C、Java 这样的高级语言，变成计算机可以执行的机器码的？如果我们展开并深入讲解这个问题，就会变成《编译原理》这样一门核心课程。
  • 第三，学不能致用。学东西是要拿来用的，但因为这门课本身的属性，很多人在学习时，常常沉溺于概念和理论中，无法和自己日常的开发工作联系起来，以此来解决工作中遇到的问题，所以，学习往往没有成就感，就很难有动力坚持下去。

02.计算机基本硬件

2.1 基本硬件组成

• 早年，要自己组装一台计算机，要先有三大件，CPU、内存和主板。
  • CPU，它是计算机最重要的核心配件，全名你肯定知道，叫中央处理器（Central Processing Unit）。为什么说 CPU 是“最重要”的呢？因为计算机的所有“计算”都是由 CPU 来进行的。自然，CPU 也是整台计算机中造价最昂贵的部分之一。
  • 内存（Memory），你撰写的程序、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。
  • 主板，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。于是，就带来了最后一个大件——主板（Motherboard）。

2.2 输入和输出设备

• 有了三大件，只要配上电源供电，计算机差不多就可以跑起来了。但是现在还缺