计算机的构成
复习
- 计算机的历史：计算机从算盘、机械计算机发展到电子计算机，核心动力是让繁琐计算自动化
TL;DR
- 计算机需要输入、输出、存储和处理四类功能；负责处理的 CPU 由 ALU（算术逻辑单元）、控制器和寄存器等部件构成
- 计算机内部采用二进制表示所有信息，包括数字、文字和指令等等
- 冯·诺依曼体系结构是现代计算机的基础框架
正文
在了解了计算机的诞生历史后，我们来探索它的构成。站在设计者的角度思考：如果要设计一台计算机，需要什么？
思考题
假设你是一名工程师，需要设计一台能自动解决数学问题的机器。这台机器需要：1）接收问题 2）进行计算 3）输出结果。你会如何设计它的基本组成部分？
基本组成
一台计算机需要具备以下基本功能：
- 输入功能：接收用户的数据和指令
- 存储功能：保存数据和中间计算结果
- 运算功能：进行各种数学和逻辑运算
- 输出功能：展示计算结果
今天的计算机由若干部件共同承担这些功能：
- 输入设备：键盘、鼠标等，屏幕可以点击的话，屏幕也可以作为输入设备，还有各种外设：麦克风、摄像头等
- 存储器：内存用来保存正在运行的程序和数据；硬盘等设备用来长期保存数据
- 中央处理器（CPU）：负责按指令处理数据，其中的运算器（ALU）负责算术和逻辑运算，控制器负责协调步骤，寄存器负责暂存少量数据
- 输出设备：显示器、打印机等
现在先对这些有一个基本了解就可以，看不懂术语也不要紧。知道现在的电脑组成部分对应着哪一类即可。
当然以前设备没有这么好，输入输出设备可能只是简单的灯泡，显像管等等。以后也许我们能看到全息影像，那个时候玻璃也许就可以成为输出设备了。
协同工作
把一堆齿轮、螺丝、马达这种零件凑到一起，他们不会自动成为一辆车。计算机也是这样。为了让他们协同工作，冯·诺依曼体系结构提出了一个基本框架：
- 采用二进制表示数据和指令
- 将程序和数据统一存储
- CPU 从存储器取出指令，由控制器协调 ALU、寄存器和其他部件完成指令
- 指令通常按程序顺序执行，遇到跳转时可以改变顺序
这个框架被称为冯·诺依曼体系结构，至今仍是计算机设计的基础。
其中还有很多东西不知道，比如二进制、程序、数据、ALU、控制器和寄存器，不要紧，接下来的章节都会讲。
小结
知识点
- 计算机的基本组成部分
- 二进制表示方法
- 冯·诺依曼体系结构
- 数据存储和处理方式
参考资料
- Wikipedia(zh)：冯·诺依曼体系结构：现代计算机的基本架构
思考题答案（仅供参考）
一个基本的设计方案：需要输入装置（接收问题）、存储单元（保存程序和中间结果）、中央处理器（按指令处理数据）和输出装置（显示结果）。中央处理器内部还需要运算器、控制器和寄存器配合工作。这恰好对应了现代计算机的基本组成。
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封面图
设计师 | 南国微雪