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转载--计算机组成原理--冯·诺依曼体系结构

0. 前言

非科班出身,特此来补计算机基础知识。

本文为转载文章,原文地址:https://www.toutiao.com/i6722859061219426829/

1 计算机的基本硬件组成

早期,DIY一台计算机,要先有三大件

1.1 CPU

计算机最重要的核心配件,中央处理器(Central Processing Unit)。

计算机的所有“计算”都是由CPU来进行的。

1.2 内存(Memory)

你撰写的程序、打开的浏览器、运行的游戏,都要加载到内存里才能运行。

程序读取的数据、计算得到的结果,也都要放在内存里。内存越大,能加载的东西自然也就越多。

内存通常直接可以插在主板上,存放在内存里的程序和数据,需要被CPU读取,CPU计算完之后,还要把数据写回到内存。然而CPU不能直接插到内存上,反之亦然。于是,就带来了最后一个大件——主板(Motherboard)。

1.3 主板

主板是一个有着各种各样,有时候多达数十乃至上百个插槽的配件。

我们的CPU要插在主板上,内存也要插在主板上。

主板的芯片组(Chipset)和总线(Bus)解决了CPU和内存之间如何通信的问题。

计算机主板上通常有着各种各样的插槽

有了三大件,只要配上电源供电,计算机差不多就可以跑起来了。

但是现在还缺少各类输入(Input)/输出(Output)设备,也就是我们常说的I/O设备

如果你用的是自己的个人电脑,那显示器肯定必不可少,只有有了显示器我们才能看到计算机输出的各种图像、文字,这也就是所谓的输出设备

同样的,鼠标和键盘也都是必不可少的配件。这样我才能输入文本,写下这篇文章。它们也就是所谓的输入设备

最后,你自己配的个人计算机,还要配上一个硬盘。这样各种数据才能持久地保存下来。

绝大部分人都会给自己的机器装上一个机箱,配上风扇,解决灰尘和散热的问题。

不过机箱和风扇,算不上是计算机的必备硬件,我们拿个纸板或者外面放个电风扇,也一样能用。

显示器、鼠标、键盘和硬盘这些东西并不是一台计算机必须的部分。

其实只需要有I/O设备,能让我们从计算机里输入和输出信息就可以了。

很多网吧的计算机就没有硬盘,而是直接通过局域网,读写远程网络硬盘里面的数据。

各类云服务器,只要让计算机能通过网络,SSH远程登陆访问就好了,因此也没必要配显示器、鼠标、键盘这些东西。

这样不仅能够节约成本,还更方便维护。

还有一个很特殊的设备,就是显卡(Graphics Card)。

现在,使用图形界面操作系统的计算机,无论是Windows、Mac OS还是Linux,显卡都是必不可少的。

有人可能要说了,我装机的时候没有买显卡,计算机一样可以正常跑起来啊!那是因为,现在的主板都带了内置的显卡。

如果你用计算机玩游戏,做图形渲染或者跑深度学习应用,你多半就需要买一张单独的显卡,插在主板上。

显卡之所以特殊,是因为显卡里有除了CPU之外的另一个“处理器”,也就是GPU(Graphics Processing Unit,图形处理器),GPU一样可以做各种“计算”的工作。

鼠标、键盘以及硬盘都是插在主板上的。作为外部I/O设备,它们是通过主板上的南桥(SouthBridge)芯片组,来控制和CPU之间的通信的。

“南桥”芯片的名字很直观

有了南桥,自然对应着也有“北桥”。

是的,以前的主板上通常也有“北桥”芯片,用来作为“桥”,连接CPU和内存、显卡之间的通信

不过,随着时间的变迁,现在的主板上的“北桥”芯片的工作,已经被移到了CPU的内部,所以你在主板上,已经看不到北桥芯片了。

2 冯·诺依曼体系结构

刚才我们讲了一台计算机的硬件组成,这说的是我们平时用的个人电脑或者服务器。那我们平时最常用的智能手机的组成,也是这样吗?

我们手机里只有SD卡(Secure Digital Memory Card)类似硬盘功能的存储卡插槽,并没有内存插槽、CPU插槽这些东西。

没错,因为手机尺寸的原因,手机制造商们选择把

CPU、内存、网络通信,乃至摄像头芯片,都封装到一个芯片,然后再嵌入到手机主板上。

这种方式叫SoC,也就是System on a Chip(系统芯片)。

看起来,个人电脑和智能手机的硬件组成方式不太一样。

可是,我们写智能手机上的App,和写个人电脑的客户端应用似乎没有什么差别,都是通过“高级语言”这样的编程语言撰写、编译之后,一样是把代码和数据加载到内存里来执行。

无论是个人电脑/服务器/智能手机,还是Raspberry Pi这样的微型卡片机,都遵循着同一个“计算机”的抽象概念。

这是怎么样一个“计算机”呢?这其实就是,计算机鼻祖冯·诺依曼提出的冯·诺依曼体系结构(Von Neumann architecture),也叫存储程序计算机

什么是存储程序计算机呢?这里面其实暗含了两个概念

什么是“不可编程”???

计算机是由各种门电路组合而成的,然后通过组装出一个固定的电路版,完成一个特定的计算程序。

一旦需要修改功能,就要重新组装电路。这样的话,计算机就是“不可编程”的,因为程序在计算机硬件层面是“写死”的。

最常见的就是老式计算器,电路板设好了加减乘除,做不了任何计算逻辑固定之外的事情。

计算器的本质是一个不可编程的计算机

我们再来看“存储”计算机。

程序本身是存储在计算机的内存里,可以通过加载不同的程序来解决不同的问题。

有“存储程序计算机”,自然也有不能存储程序的计算机。

典型的就是早年的“Plugboard”这样的插线板式的计算机。整个计算机就是一个巨大的插线板,通过在板子上不同的插头或者接口的位置插入线路,来实现不同的功能。这样的计算机自然是“可编程”的,但是编写好的程序不能存储下来供下一次加载使用,不得不每次要用到和当前不同的“程序”的时候,重新插板子,重新“编程”。

冯,基于当时在秘密开发的EDVAC写了一篇报告First Draft of a Report on the EDVAC,描述了他心目中的一台计算机应该长什么样。这篇报告在历史上有个很特殊的简称,叫First Draft。这样,现代计算机的发展就从祖师爷写的一份草案开始了。

First Draft里面说了一台计算机应该有哪些部分组成

首先是一个包含

处理器单元(Processing Unit),用来完成各种算术和逻辑运算。

因为它能够完成各种数据的处理或者计算工作,因此也有人把这个叫作数据通路(Datapath)或者运算器。

然后是一个包含

控制器单元(Control Unit/CU),用来控制程序的流程,通常就是不同条件下的分支和跳转。

在现在的计算机里,上面的算术逻辑单元和这里的控制器单元,共同组成了我们说的CPU。

接着是用来存储数据(Data)和指令(Instruction)的内存。以及更大容量的外部存储,在过去,可能是磁带、磁鼓这样的设备,现在通常就是硬盘。

最后就是各种输入和输出设备,以及对应的输入和输出机制。

我们现在无论是使用什么样的计算机,其实都是和输入输出设备在打交道。

任何一台计算机的任何一个部件都可以归到运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备中,而所有的现代计算机也都是基于这个基础架构来设计开发的

x> 而所有的计算机程序,也都可以抽象为从输入设备读取输入信息,通过运算器控制器来执行存储在存储器里的程序,最终把结果输出到输出设备中。而我们所有撰写的无论高级还是低级语言的程序,也都是基于这样一个抽象框架来进行运作的。

3 总结

冯·诺依曼体系结构确立了我们现在每天使用的计算机硬件的基础架构。

因此,学习计算机组成原理,其实就是学习和拆解冯·诺依曼体系结构。

具体来说,其实就是

学习组成原理,就是在理解从控制器、运算器、存储器、输入设备以及输出设备,从电路这样的硬件,到最终开放给软件的接口,是怎么运作的,为什么要设计成这样,以及在软件开发层面怎么尽可能用好它。

4 推荐阅读

5 思考

计算机行业的两大祖师爷之一,除了冯·诺依曼机之外,还有一位就是著名的图灵(Alan Mathison Turing)。对应的,我们现在的计算机也叫图灵机(Turing Machine)。那么图灵机和冯·诺依曼机是两种不同的计算机么?图灵机是一种什么样的计算机抽象呢?

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参考

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