计算机编程的原理（计算机系统的组成）

陈小速：一名职业技术学院计算机技术与应用专业的学生，他梦想成为一名程序员。

吴进：一所重点大学软件工程专业大三学生，编程经验丰富。

关于二人的故事，请参看历史文章：小速学编程：像我这样职业学院的学生，也能成为程序员吗？

陈小速上了一个月的课之后，觉得有好些问题搞不明白，于是专程跑去找吴进求教了。他们在食堂里边吃边聊。

吴进先问着：“小速，第一个月学什么课了？”

“基础课程，计算机系统组成原理。” 陈小速一边嚼着一块鸡肉，一边回答。

不等吴进继续问话，陈小速自己把话接上了：“吴大哥，我现在有个疑问啊，计算机不就是由CPU、内存条、主板、硬盘、显卡、声卡这些组成的吗？可我怎么听老师讲的都是寄存器、计算单元、系统总线、I/O总线，高速缓存，多级存储啊，这都是些啥玩意啊？”

即使沉稳镇定如吴进，闻言也忍不住笑出了声，这下让陈小速羞了个大红脸，局促不安地说：“让吴大哥笑话了啊，我确实不懂。”

“不懂就问明白，这是对的，”吴进先表示了肯定，接着说，“你的理解是从直观感觉出发，这也没什么不对的。一台计算机不就是这么攒出来的嘛。不过，既然是讲原理的课，那就不能只停留在攒机的程度上喽。”

“这个吴大哥说的是。” 陈小速放下了筷子，专心地听着。

吴进先提了个问题：“小速，你觉得，一台计算机要是把哪个部件去掉，就不能被称之为计算机了？”

陈小速认真地想了一会儿，说：“应该是中央处理器CPU，它是负责运算的，这个我知道。”

“对，没错，” 吴进点头表示肯定，“这个CPU就像我们的大脑一样，大脑停止工作，人也不存在了。”

“哈，我想到了<三体>里的云天明！” 平常爱看科幻小说的陈小速，这时候思维也跳跃起来，“他就是去掉了所有肢体和器官，就保留了一个大脑被送到三体人那儿去了。”

“那你知道世界上第一台PC机Altair吗？” 吴进继续提问。

陈小速摇了摇头，吴进笑着说：“那台机器就像云天明的大脑一样，没有屏幕，没有硬盘，没有声卡，没有鼠标和键盘，就是一个箱子。它的前面板上放了几个开关和一排会闪烁的红灯，作为输入输出设备。对了，这机器是1974年被制造出来的。”

陈小速听着瞪大了眼睛，张大了嘴巴，问：“那这样的机器有啥用？不能看电影、打游戏、听音乐。”

吴进解释说：“当时制造它的人也想不到微型计算机以后可以干什么，他只是想证明计算机并不是必须像房间一样高大，被重重保护起来，只是少数人使用的专利。普通人一样可以在家里就拥有一台计算机。”

“Altair最具革命性的意义，就在于它的设计者采用了总线式的结构。” 吴进渐渐进入正题，陈小速也听得入了神。

吴进开始了详细的解说。

CPU要进行计算，那么它就需要读取数据并进行运算，然后再输出结果。而数据要通过输入设备传输给CPU，就必须要有一条通道。总线就是这样一条用于数据传输的通道。

总线式的结构，就构造了一个开放式的架构。这意味着计算机可以通过扩展插槽的方式，将其他部件集成到机器中。这些插槽上的设备就通过总线与CPU相连，从而可以实现数据的输入输出处理了。

而CPU的处理速度是非常快的，要想将它的性能发挥出来，就必须做到尽快地给它提供数据。因此PC使用了分级存储式的结构。

计算单元是从寄存器取数据的，因此它访问寄存器的速度是最快的。CPU内部集成有L1，L2，L3三级高速缓存，在外部则是主存，再然后是硬盘。可以认为，越靠近CPU的存储，它的速度越快。

吴进拿来纸和笔，边说边画了下面这张图。

看着这幅图，陈小速先是沉思不语，然后猛地站起来，口中念念有词地来回走动。接着他两眼放光，大笑着对吴进说：“吴大哥，我明白了，计算机系统就像工厂生产一样。原材料通过各种运输途径运进来，例如高速公路、铁路、飞机。然后工厂把这些原材料一通加工，又把产品从各种途径给送出去，是这意思吧？哈哈！”

吴进赞许地点了点头，说：“你有听说过计算机主板上的南桥芯片与北桥芯片吧？现在有了这个知识你就好理解了。北桥芯片是靠近CPU的，系统总线就是由它来管理，负责CPU与高速设备打交道，例如主存、显示卡。南桥芯片则管理I/O总线，负责CPU与低速设备传输数据，例如硬盘、键盘和鼠标等。”

陈小速点头如捣蒜，兴奋地说：“今天真是太有收获了，回去我得好好跟同学们讲讲，他们也都是一头雾水呢。”

“对，这个很重要，” 吴进强调着，“学习知识，最好的方法就是讲解给别人听。所以我给你讲的过程中，也是在帮我复习基础知识。你自己只有完全弄明白，才能保证让别人听懂。那这次给你留个作业吧，就是你回去以后把今天的内容讲解给同学听，能回答他们提出的问题，让他们明白这个基本原理，可以吧？”

“收到！” 陈小速抬头挺胸一口答应下来。

“下次过来，我们就讨论一下CPU的工作原理，以及计算机程序的初步概念吧。”