計算機的基本硬體組成

CPU被比喻為人類大腦，其作用是指揮和控制人體的各項功能。而記憶體和硬碟則相當於大腦中的記憶板塊，用於記錄和儲存資訊。主機板則類似於人的神經系統，起到連線和協調人體各個部分的作用。顯示卡則類似於人的眼睛，負責顯示影象和視訊。而計算機的電源則類似於人的心臟，只有啟動電源才能進行各種活動。

CPU

CPU，全稱為中央處理單元 (Central Processing Unit)，是電腦中最重要的元件之一，可以說是電腦的核心。它扮演著讓電腦真正成為計算機的角色。CPU 就像人的大腦一樣，是電腦的智慧和計算能力的源泉。CPU 主要負責執行計算機程式和應用程式中的指令。這個過程可以分為三個關鍵階段，即指令提取、解碼和執行。首先，CPU 從主記憶體中提取指令，然後解碼這些指令的實際內容，最後由 CPU 的各個部分執行這些指令。這樣，CPU 就能夠實現各種計算和操作，從而驅動整個計算機系統的執行。

記憶體

記憶體（Memory），作為計算機中至關重要的元件之一，扮演著程式與CPU之間的橋樑。它充當著計算機系統中所有程式執行的平臺，因此記憶體對計算機的效能和執行效果有著巨大的影響。記憶體也被稱為主記憶體，其主要功能是儲存CPU需要進行運算的資料，同時也用於與硬碟等外部儲存裝置進行資料的交換。在計算機執行過程中，CPU會將需要運算的資料調入主記憶體中進行計算，待計算完成後，CPU再將結果傳送出來。因此，主記憶體的執行狀態直接決定了計算機的穩定執行。可以說，記憶體在計算機系統中扮演著舉足輕重的角色，是計算機正常執行所必不可少的部分。

主機板

主機板（Motherboard）是計算機系統中的核心元件之一，它整合了各種電子元件、插槽和介面等，為CPU、記憶體和各種功能卡（如音效卡、網路卡等）提供了安裝插槽，同時也為各種多媒體和通訊裝置提供了介面。主機板的作用類似於人體的神經系統，將計算機系統中的各個部分連線起來，實現資料的傳遞和通訊。

需要注意的是，不同的主機板所支援的CPU、記憶體等硬體規格也是不同的，因此選擇合適的主機板對於構建一臺高效能的計算機至關重要。一般來說，主機板會標明支援的CPU型號和插槽型別，以及支援的記憶體頻率和容量等資訊。因此，在選擇主機板時，需要根據自己的需求和所使用的硬體規格進行匹配，以確保主機板能夠正常執行並提供最佳效能。

下圖展示了主機板的結構圖，可以清晰地看到主機板上的各個元件、插槽和介面的佈局。這些元件的合理設計和佈局，能夠為計算機系統的穩定執行和擴充套件性提供良好的支援。

北橋晶片：在主機板晶片組中，北橋晶片扮演著至關重要的角色。它是主機板中最重要的晶片之一，負責控制CPU、記憶體和顯示卡等核心元件的工作。因此，北橋晶片的效能直接影響著主機板的整體效能表現。為了保證北橋晶片在高負載情況下的穩定工作，一般會在其上方安裝散熱片，以降低其工作時產生的熱量。

南橋晶片：南橋晶片是主機板晶片組中的第二大晶片，它主要負責控制輸入/輸出裝置和外部裝置。南橋晶片承擔著管理和控制USB裝置、IDE裝置、SATA裝置、音訊控制器、鍵盤控制器、實時時鐘控制器和高階電源管理等裝置的功能。它為這些裝置提供了穩定的連線和資料傳輸，確保計算機系統的正常執行和外部裝置的相容性。

主機板是一個配件，它擁有各種各樣的插槽，有時候甚至多達數十乃至上百個。在主機板上，我們需要將 CPU 和記憶體插入其中。為了解決 CPU 和記憶體之間的通訊問題，主機板的晶片組和匯流排發揮了重要作用。晶片組負責控制資料傳輸的流向，即確定資料從哪裡到哪裡。而匯流排則充當著實際資料傳輸的高速公路。因此，匯流排速度（Bus Speed）直接影響著資料傳輸的快慢程度。

系統匯流排和IO匯流排

一般來說，主機板上的晶片組分為北橋和南橋。北橋是主要的系統匯流排，負責連線CPU、記憶體和顯示卡等主要元件，因此其傳輸速度較快。而南橋則是輸入輸出(I/O)匯流排，主要負責連線硬碟、USB、網路卡等外圍裝置，其中最常見的是PCI匯流排。這兩條匯流排通過橋接晶片或電路相互連線。

可以用一個形象的例子來解釋，就好比一個城市中有兩條主幹道，一條屬於行政區，一條屬於商業區，而中間有一個環島將這兩條主幹道連線在一起。系統匯流排就好比行政區的主幹道，而I/O匯流排則類似於商業區的主幹道。雖然系統匯流排和I/O匯流排的頻寬都以Gbyte為單位衡量，但顯而易見的是，行政區的主幹道相對於商業區的主幹道來說更為核心、更寬闊、更順暢，因此對於設計要求也更高。

CPU匯流排的功能

CPU匯流排，也被稱為FSB（前端匯流排，Front Side Bus），是PC系統中速度最快的匯流排，也是晶片組和主機板的核心。通常，匯流排可以分為三類：資料匯流排，地址匯流排和控制匯流排，這對於CPU匯流排也適用。在微型機中，CPU作為匯流排的主控，通過控制匯流排向各個部件傳送控制訊號，通過地址匯流排指定需要存取的部件，如記憶體，資料匯流排則用於傳送資料資訊。資料匯流排是雙向的，即資料資訊可以由CPU傳送至其他部件（寫），也可以由其他部件傳送至CPU（讀）。CPU匯流排位於晶片組和CPU之間，負責CPU與外界所有部件的通訊，因為CPU是通過晶片組來連線各個部件的。此外，CPU匯流排還負責CPU與Cache之間的通訊。就像之前提到的，CPU匯流排就像是一條主幹道，資料和訊號從這條主幹道上流向各個部件和外部裝置，同時也從各個部件流回CPU（主要是資料）。

I/O 裝置

在擁有了主機板、CPU和記憶體這三大核心元件，並接上電源供電後，計算機基本上就可以開始執行了。然而，此時還缺少各種輸入/輸出（I/O）裝置，這些裝置對於計算機的正常運作來說是至關重要的。

如果你使用的是個人電腦，那麼顯示器是必不可少的。只有通過顯示器，我們才能看到計算機輸出的各種影象和文字，因此顯示器被稱為輸出裝置。

同樣地，滑鼠和鍵盤也是不可或缺的配件。它們是我們輸入文字和執行各種操作的工具，例如寫下這篇文章。因此，滑鼠和鍵盤被稱為輸入裝置。

顯示卡

除了顯示器、滑鼠和鍵盤之外，還有一個非常特殊的裝置，那就是顯示卡（Graphics Card）。在如今使用圖形介面作業系統的計算機中，無論是Windows、Mac OS還是Linux，顯示卡都是必不可少的。有人可能會說，在組裝計算機時沒有購買獨立的顯示卡，計算機仍然可以正常執行！這是因為現在的主機板通常都內建了顯示卡。然而，如果你使用計算機進行遊戲、圖形渲染或深度學習等應用，那麼很可能需要購買一塊獨立的顯示卡，並將其插入主機板上。顯示卡之所以特殊，是因為它內部除了CPU之外，還有另一個處理器，即GPU（Graphics Processing Unit，圖形處理器）。GPU能夠執行各種計算任務，使其在遊戲、圖形渲染或深度學習等方面發揮重要作用。

馮若依曼和哈佛

馮·諾依曼體系結構概述

馮·諾依曼提出了計算機制造的三個基本原則，即採用二進位制、程式儲存和順序執行。他還提出了計算機的五個組成部分，包括運算器、控制器、記憶體、輸入裝置和輸出裝置。這套理論被稱為馮·諾依曼體系結構，而根據這一原理製造的計算機則被稱為馮·諾依曼結構計算機。

馮·諾依曼最早提出了程式儲存的概念，併成功地將其應用於計算機的設計中。馮·諾依曼體系結構成為現代計算機的基礎，至今大多數計算機仍然採用馮·諾依曼計算機的組織結構。因此，馮·諾依曼被譽為「現代計算機之父」。他的貢獻為電腦科學的發展奠定了堅實的基礎。

馮·諾依曼體系結構的特點包括：

計算機處理的資料和指令都使用二進位制數表示。
指令和資料混合儲存在同一個記憶體（如硬碟）中，沒有區別對待。
程式的指令按照順序依次執行。

為了實現馮·諾依曼體系結構，計算機必須具備以下功能：

能夠將所需的程式和資料輸入到計算機中進行處理。
具備長期儲存程式、資料、中間結果和最終運算結果的能力，通常通過硬碟來實現。
能夠執行各種算術、邏輯運算和資料傳輸等資料處理操作，這需要具備算術邏輯單元（ALU）。
能夠根據需要控制程式的執行流程，並根據指令協調機器的各個部件進行操作。
能夠按照要求將處理的結果輸出給使用者。

馮·諾依曼體系結構為計算機的設計和執行提供了基本原則和指導，使得計算機能夠高效地處理資料和執行程式。這一體系結構的影響深遠，至今仍然是現代計算機的基礎。

馮·諾依曼體系工作原理（CPU工作原理）

程式的執行過程實際上是一個不斷取出指令、分析指令、執行指令的迴圈。馮·諾依曼型計算機採用了序列順序處理的工作機制，即使相關資料已經準備好，也必須逐條執行指令序列。如下圖所示：

具體的執行過程如下：

預先將指令序列（即程式）和原始資料輸入到計算機記憶體中，每條指令都明確規定了計算機從哪個地址取數，進行什麼操作，然後將結果送到何處等步驟。
在執行過程中，計算機首先從記憶體中取出第一條指令，通過控制器的譯碼器接收指令要求，再從記憶體中獲取資料進行指定的運算和邏輯操作，然後按照指定的地址將結果送回記憶體。如果需要將資料儲存到硬碟等儲存裝置中，還需要將記憶體中的資料儲存到硬碟中。接下來，計算機取出第二條指令，在控制器的指導下完成規定的操作，依次進行下去，直到遇到停止指令。
在計算機中，基本上有兩種資訊在流動。一種是資料，包括各種原始資料、中間結果和程式等；另一種資訊是控制資訊，它控制計算機的各個部件執行指令規定的各種操作。

這種序列順序處理的工作機制使馮·諾依曼型計算機能夠高效地執行程式，並完成各種計算和資料處理任務。控制器起著關鍵的作用，根據指令的要求來控制計算機的各個部件，使其協調工作。整個過程中，資料和控制資訊在計算機內部不斷傳遞和交換，實現了計算機的功能。

哈佛結構

哈佛結構是一種記憶體結構，將程式指令儲存和資料儲存分開。其主要特點是將程式和資料儲存在不同的儲存空間中，即程式記憶體和資料記憶體是兩個獨立的記憶體。每個記憶體都有獨立的編址和存取方式，這樣可以減輕程式執行時的訪存瓶頸。

在哈佛結構中，程式記憶體和資料記憶體可以同時存取，提高了資料的讀取和寫入速度。由於程式和資料記憶體是分開的，因此程式的指令和資料可以同時傳輸到CPU，這樣可以提高計算機的並行性和執行效率。

哈佛結構和馮諾依曼結構區別

哈佛結構和馮諾依曼結構的主要區別在於它們是否區分指令和資料。在實際情況中，指令和資料儲存在記憶體中的同一位置。然而，在CPU內部的快取中，仍然會區分指令快取和資料快取，因此在執行時，指令和資料會從兩個不同的地方獲取。在CPU的外部，通常採用馮諾依曼模型，而在CPU的內部使用哈佛結構。大多數的DSP沒有快取，因此直接採用哈佛結構。雖然哈佛結構設計複雜，但效率較高，而馮諾依曼結構相對簡單但速度較慢。為了提高處理速度，CPU製造商在CPU內部增加了快取記憶體，同時基於相同的目的，區分了指令快取和資料快取。

總結

計算機的基本硬體組成包括中央處理器（CPU）、記憶體、主機板、輸入/輸出裝置和顯示卡等。中央處理器是計算機的核心，負責執行計算機程式和應用程式中的指令。記憶體用於儲存和交換資料，對計算機的效能和執行效果具有重要影響。主機板起到連線和協調計算機各個部件的作用。輸入/輸出裝置包括顯示器、滑鼠和鍵盤等，用於輸入和輸出資料。顯示卡負責顯示影象和視訊。如果有條件，我認為自行組裝一臺電腦會提供更高的價效比，並且可以通過實踐學習計算機的構成。

揭祕計算機的神經系統：探索計算機的基本組成