小速學編程：計算機系統的組成

陳小速：一名職業技術學院計算機技術與應用專業的學生，他夢想成為一名程式設計師。

吳進：一所重點大學軟體工程專業大三學生，編程經驗豐富。

關於二人的故事，請參看歷史文章：

問題

陳小速上了一個月的課之後，覺得有好些問題搞不明白，於是專程跑去找吳進求教了。他們在食堂裡邊吃邊聊。

吳進先問著：「小速，第一個月學什麼課了？」

「基礎課程，計算機系統組成原理。」 陳小速一邊嚼著一塊雞肉，一邊回答。

不等吳進繼續問話，陳小速自己把話接上了：「吳大哥，我現在有個疑問啊，計算機不就是由CPU、內存條、主板、硬碟、顯卡、音效卡這些組成的嗎？可我怎麼聽老師講的都是寄存器、計算單元、系統總線、I/O總線，高速緩存，多級存儲啊，這都是些啥玩意啊？」

即使沉穩鎮定如吳進，聞言也忍不住笑出了聲，這下讓陳小速羞了個大紅臉，局促不安地說：「讓吳大哥笑話了啊，我確實不懂。」

「不懂就問明白，這是對的，」吳進先表示了肯定，接著說，「你的理解是從直觀感覺出發，這也沒什麼不對的。一臺計算機不就是這麼攢出來的嘛。不過，既然是講原理的課，那就不能只停留在攢機的程度上嘍。」

「這個吳大哥說的是。」 陳小速放下了筷子，專心地聽著。

計算機最重要的部件

吳進先提了個問題：「小速，你覺得，一臺計算機要是把哪個部件去掉，就不能被稱之為計算機了？」

陳小速認真地想了一會兒，說：「應該是中央處理器CPU，它是負責運算的，這個我知道。」

「對，沒錯，」 吳進點頭表示肯定，「這個CPU就像我們的大腦一樣，大腦停止工作，人也不存在了。」

「哈，我想到了<三體>裡的雲天明！」 平常愛看科幻小說的陳小速，這時候思維也跳躍起來，「他就是去掉了所有肢體和器官，就保留了一個大腦被送到三體人那兒去了。」

「那你知道世界上第一臺PC機Altair嗎？」 吳進繼續提問。

陳小速搖了搖頭，吳進笑著說：「那臺機器就像雲天明的大腦一樣，沒有屏幕，沒有硬碟，沒有音效卡，沒有滑鼠和鍵盤，就是一個箱子。它的前面板上放了幾個開關和一排會閃爍的紅燈，作為輸入輸出設備。對了，這機器是1974年被製造出來的。」

陳小速聽著瞪大了眼睛，張大了嘴巴，問：「那這樣的機器有啥用？不能看電影、打遊戲、聽音樂。」

吳進解釋說：「當時製造它的人也想不到微型計算機以後可以幹什麼，他只是想證明計算機並不是必須像房間一樣高大，被重重保護起來，只是少數人使用的專利。普通人一樣可以在家裡就擁有一臺計算機。」

「Altair最具革命性的意義，就在於它的設計者採用了總線式的結構。」 吳進漸漸進入正題，陳小速也聽得入了神。

計算機系統結構

吳進開始了詳細的解說。

CPU要進行計算，那麼它就需要讀取數據並進行運算，然後再輸出結果。而數據要通過輸入設備傳輸給CPU，就必須要有一條通道。總線就是這樣一條用於數據傳輸的通道。

總線式的結構，就構造了一個開放式的架構。這意味著計算機可以通過擴展插槽的方式，將其他部件集成到機器中。這些插槽上的設備就通過總線與CPU相連，從而可以實現數據的輸入輸出處理了。

而CPU的處理速度是非常快的，要想將它的性能發揮出來，就必須做到儘快地給它提供數據。因此PC使用了分級存儲式的結構。

計算單元是從寄存器取數據的，因此它訪問寄存器的速度是最快的。CPU內部集成有L1，L2，L3三級高速緩存，在外部則是主存，再然後是硬碟。可以認為，越靠近CPU的存儲，它的速度越快。

吳進拿來紙和筆，邊說邊畫了下面這張圖。

看著這幅圖，陳小速先是沉思不語，然後猛地站起來，口中念念有詞地來回走動。接著他兩眼放光，大笑著對吳進說：「吳大哥，我明白了，計算機系統就像工廠生產一樣。原材料通過各種運輸途徑運進來，例如高速公路、鐵路、飛機。然後工廠把這些原材料一通加工，又把產品從各種途徑給送出去，是這意思吧？哈哈！」

吳進讚許地點了點頭，說：「你有聽說過計算機主板上的南橋晶片與北橋晶片吧？現在有了這個知識你就好理解了。北橋晶片是靠近CPU的，系統總線就是由它來管理，負責CPU與高速設備打交道，例如主存、顯示卡。南橋晶片則管理I/O總線，負責CPU與低速設備傳輸數據，例如硬碟、鍵盤和滑鼠等。」

學習的方法

陳小速點頭如搗蒜，興奮地說：「今天真是太有收穫了，回去我得好好跟同學們講講，他們也都是一頭霧水呢。」

「對，這個很重要，」 吳進強調著，「學習知識，最好的方法就是講解給別人聽。所以我給你講的過程中，也是在幫我複習基礎知識。你自己只有完全弄明白，才能保證讓別人聽懂。那這次給你留個作業吧，就是你回去以後把今天的內容講解給同學聽，能回答他們提出的問題，讓他們明白這個基本原理，可以吧？」

「收到！」 陳小速抬頭挺胸一口答應下來。

「下次過來，我們就討論一下CPU的工作原理，以及電腦程式的初步概念吧。」