揭秘计算机的神经系统：探索计算机的基本组成

计算机的基本硬件组成

CPU被比喻为人类大脑，其作用是指挥和控制人体的各项功能。而内存和硬盘则相当于大脑中的记忆板块，用于记录和存储信息。主板则类似于人的神经系统，起到连接和协调人体各个部分的作用。显卡则类似于人的眼睛，负责显示图像和视频。而计算机的电源则类似于人的心脏，只有启动电源才能进行各种活动。

CPU

CPU，全称为中央处理单元 (Central Processing Unit)，是电脑中最重要的组件之一，可以说是电脑的核心。它扮演着让电脑真正成为计算机的角色。CPU 就像人的大脑一样，是电脑的智慧和计算能力的源泉。CPU 主要负责执行计算机程序和应用程序中的指令。这个过程可以分为三个关键阶段，即指令提取、解码和执行。首先，CPU 从主存中提取指令，然后解码这些指令的实际内容，最后由 CPU 的各个部分执行这些指令。这样，CPU 就能够实现各种计算和操作，从而驱动整个计算机系统的运行。

内存

内存（Memory），作为计算机中至关重要的组件之一，扮演着程序与CPU之间的桥梁。它充当着计算机系统中所有程序运行的平台，因此内存对计算机的性能和运行效果有着巨大的影响。内存也被称为主存，其主要功能是存储CPU需要进行运算的数据，同时也用于与硬盘等外部存储设备进行数据的交换。在计算机运行过程中，CPU会将需要运算的数据调入主存中进行计算，待计算完成后，CPU再将结果传送出来。因此，主存的运行状态直接决定了计算机的稳定运行。可以说，内存在计算机系统中扮演着举足轻重的角色，是计算机正常运行所必不可少的部分。

主板

主板（Motherboard）是计算机系统中的核心组件之一，它集成了各种电子元件、插槽和接口等，为CPU、内存和各种功能卡（如声卡、网卡等）提供了安装插槽，同时也为各种多媒体和通信设备提供了接口。主板的作用类似于人体的神经系统，将计算机系统中的各个部分连接起来，实现数据的传递和通信。

需要注意的是，不同的主板所支持的CPU、内存等硬件规格也是不同的，因此选择合适的主板对于构建一台高性能的计算机至关重要。一般来说，主板会标明支持的CPU型号和插槽类型，以及支持的内存频率和容量等信息。因此，在选择主板时，需要根据自己的需求和所使用的硬件规格进行匹配，以确保主板能够正常运行并提供最佳性能。

下图展示了主板的结构图，可以清晰地看到主板上的各个组件、插槽和接口的布局。这些组件的合理设计和布局，能够为计算机系统的稳定运行和扩展性提供良好的支持。

北桥芯片：在主板芯片组中，北桥芯片扮演着至关重要的角色。它是主板中最重要的芯片之一，负责控制CPU、内存和显卡等核心组件的工作。因此，北桥芯片的性能直接影响着主板的整体性能表现。为了保证北桥芯片在高负载情况下的稳定工作，一般会在其上方安装散热片，以降低其工作时产生的热量。

南桥芯片：南桥芯片是主板芯片组中的第二大芯片，它主要负责控制输入/输出设备和外部设备。南桥芯片承担着管理和控制USB设备、IDE设备、SATA设备、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器和高级电源管理等设备的功能。它为这些设备提供了稳定的连接和数据传输，确保计算机系统的正常运行和外部设备的兼容性。

主板是一个配件，它拥有各种各样的插槽，有时候甚至多达数十乃至上百个。在主板上，我们需要将 CPU 和内存插入其中。为了解决 CPU 和内存之间的通信问题，主板的芯片组和总线发挥了重要作用。芯片组负责控制数据传输的流向，即确定数据从哪里到哪里。而总线则充当着实际数据传输的高速公路。因此，总线速度（Bus Speed）直接影响着数据传输的快慢程度。

系统总线和IO总线

一般来说，主机板上的芯片组分为北桥和南桥。北桥是主要的系统总线，负责连接CPU、内存和显卡等主要组件，因此其传输速度较快。而南桥则是输入输出(I/O)总线，主要负责连接硬盘、USB、网络卡等外围设备，其中最常见的是PCI总线。这两条总线通过桥接芯片或电路相互连接。

可以用一个形象的例子来解释，就好比一个城市中有两条主干道，一条属于行政区，一条属于商业区，而中间有一个环岛将这两条主干道连接在一起。系统总线就好比行政区的主干道，而I/O总线则类似于商业区的主干道。虽然系统总线和I/O总线的带宽都以Gbyte为单位衡量，但显而易见的是，行政区的主干道相对于商业区的主干道来说更为核心、更宽阔、更顺畅，因此对于设计要求也更高。

CPU总线的功能

CPU总线，也被称为FSB（前端总线，Front Side Bus），是PC系统中速度最快的总线，也是芯片组和主板的核心。通常，总线可以分为三类：数据总线，地址总线和控制总线，这对于CPU总线也适用。在微型机中，CPU作为总线的主控，通过控制总线向各个部件发送控制信号，通过地址总线指定需要访问的部件，如存储器，数据总线则用于传送数据信息。数据总线是双向的，即数据信息可以由CPU发送至其他部件（写），也可以由其他部件发送至CPU（读）。CPU总线位于芯片组和CPU之间，负责CPU与外界所有部件的通信，因为CPU是通过芯片组来连接各个部件的。此外，CPU总线还负责CPU与Cache之间的通信。就像之前提到的，CPU总线就像是一条主干道，数据和信号从这条主干道上流向各个部件和外部设备，同时也从各个部件流回CPU（主要是数据）。

I/O 设备

在拥有了主板、CPU和内存这三大核心组件，并接上电源供电后，计算机基本上就可以开始运行了。然而，此时还缺少各种输入/输出（I/O）设备，这些设备对于计算机的正常运作来说是至关重要的。

如果你使用的是个人电脑，那么显示器是必不可少的。只有通过显示器，我们才能看到计算机输出的各种图像和文字，因此显示器被称为输出设备。

同样地，鼠标和键盘也是不可或缺的配件。它们是我们输入文本和执行各种操作的工具，例如写下这篇文章。因此，鼠标和键盘被称为输入设备。

显卡

除了显示器、鼠标和键盘之外，还有一个非常特殊的设备，那就是显卡（Graphics Card）。在如今使用图形界面操作系统的计算机中，无论是Windows、Mac OS还是Linux，显卡都是必不可少的。有人可能会说，在组装计算机时没有购买独立的显卡，计算机仍然可以正常运行！这是因为现在的主板通常都内置了显卡。然而，如果你使用计算机进行游戏、图形渲染或深度学习等应用，那么很可能需要购买一块独立的显卡，并将其插入主板上。显卡之所以特殊，是因为它内部除了CPU之外，还有另一个处理器，即GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器）。GPU能够执行各种计算任务，使其在游戏、图形渲染或深度学习等方面发挥重要作用。

冯若依曼和哈佛

冯·诺依曼体系结构概述

冯·诺依曼提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制、程序存储和顺序执行。他还提出了计算机的五个组成部分，包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。这套理论被称为冯·诺依曼体系结构，而根据这一原理制造的计算机则被称为冯·诺依曼结构计算机。

冯·诺依曼最早提出了程序存储的概念，并成功地将其应用于计算机的设计中。冯·诺依曼体系结构成为现代计算机的基础，至今大多数计算机仍然采用冯·诺依曼计算机的组织结构。因此，冯·诺依曼被誉为“现代计算机之父”。他的贡献为计算机科学的发展奠定了坚实的基础。

冯·诺依曼体系结构的特点包括：

1. 计算机处理的数据和指令都使用二进制数表示。
2. 指令和数据混合存储在同一个存储器（如硬盘）中，没有区别对待。
3. 程序的指令按照顺序依次执行。

为了实现冯·诺依曼体系结构，计算机必须具备以下功能：

1. 能够将所需的程序和数据输入到计算机中进行处理。
2. 具备长期存储程序、数据、中间结果和最终运算结果的能力，通常通过硬盘来实现。
3. 能够执行各种算术、逻辑运算和数据传输等数据处理操作，这需要具备算术逻辑单元（ALU）。
4. 能够根据需要控制程序的执行流程，并根据指令协调机器的各个部件进行操作。
5. 能够按照要求将处理的结果输出给用户。

冯·诺依曼体系结构为计算机的设计和运行提供了基本原则和指导，使得计算机能够高效地处理数据和执行程序。这一体系结构的影响深远，至今仍然是现代计算机的基础。

冯·诺依曼体系工作原理（CPU工作原理）

程序的执行过程实际上是一个不断取出指令、分析指令、执行指令的循环。冯·诺依曼型计算机采用了串行顺序处理的工作机制，即使相关数据已经准备好，也必须逐条执行指令序列。如下图所示：

具体的执行过程如下：

1. 预先将指令序列（即程序）和原始数据输入到计算机内存中，每条指令都明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后将结果送到何处等步骤。
2. 在执行过程中，计算机首先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码器接收指令要求，再从存储器中获取数据进行指定的运算和逻辑操作，然后按照指定的地址将结果送回内存。如果需要将数据存储到硬盘等存储设备中，还需要将内存中的数据存储到硬盘中。接下来，计算机取出第二条指令，在控制器的指导下完成规定的操作，依次进行下去，直到遇到停止指令。
3. 在计算机中，基本上有两种信息在流动。一种是数据，包括各种原始数据、中间结果和程序等；另一种信息是控制信息，它控制计算机的各个部件执行指令规定的各种操作。

这种串行顺序处理的工作机制使冯·诺依曼型计算机能够高效地执行程序，并完成各种计算和数据处理任务。控制器起着关键的作用，根据指令的要求来控制计算机的各个部件，使其协调工作。整个过程中，数据和控制信息在计算机内部不断传递和交换，实现了计算机的功能。

哈佛结构

哈佛结构是一种存储器结构，将程序指令存储和数据存储分开。其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器。每个存储器都有独立的编址和访问方式，这样可以减轻程序运行时的访存瓶颈。

在哈佛结构中，程序存储器和数据存储器可以同时访问，提高了数据的读取和写入速度。由于程序和数据存储器是分开的，因此程序的指令和数据可以同时传输到CPU，这样可以提高计算机的并行性和执行效率。

哈佛结构和冯诺依曼结构区别

哈佛结构和冯诺依曼结构的主要区别在于它们是否区分指令和数据。在实际情况中，指令和数据存储在内存中的同一位置。然而，在CPU内部的缓存中，仍然会区分指令缓存和数据缓存，因此在执行时，指令和数据会从两个不同的地方获取。在CPU的外部，通常采用冯诺依曼模型，而在CPU的内部使用哈佛结构。大多数的DSP没有缓存，因此直接采用哈佛结构。虽然哈佛结构设计复杂，但效率较高，而冯诺依曼结构相对简单但速度较慢。为了提高处理速度，CPU制造商在CPU内部增加了高速缓存，同时基于相同的目的，区分了指令缓存和数据缓存。

总结

计算机的基本硬件组成包括中央处理器（CPU）、内存、主板、输入/输出设备和显卡等。中央处理器是计算机的核心，负责执行计算机程序和应用程序中的指令。内存用于存储和交换数据，对计算机的性能和运行效果具有重要影响。主板起到连接和协调计算机各个部件的作用。输入/输出设备包括显示器、鼠标和键盘等，用于输入和输出数据。显卡负责显示图像和视频。如果有条件，我认为自行组装一台电脑会提供更高的性价比，并且可以通过实践学习计算机的构成。