簡(jiǎn)明圖解馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系

1 基本硬件組成

一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成至少如下：

CPU（Central Processing Unit）

中央處理器，計(jì)算機(jī)的所有計(jì)算由CPU執(zhí)行。

內(nèi)存（Memory）

撰寫的程序、打開的瀏覽器、運(yùn)行的游戲，都要加載到內(nèi)存里才能運(yùn)行。

程序讀取的數(shù)據(jù)、計(jì)算得到的結(jié)果，也都要放在內(nèi)存里。內(nèi)存越大，能加載的東西自然也就越多。

存放在內(nèi)存里的程序和數(shù)據(jù)，需要被CPU讀取，CPU計(jì)算完之后，還要把數(shù)據(jù)寫回到內(nèi)存。然而CPU不能直接插到內(nèi)存上，反之亦然。

主板（Motherboard）

一個(gè)有著各種各樣，有時(shí)候多達(dá)數(shù)十乃至上百個(gè)插槽的配件。CPU、內(nèi)存都要插在主板。

主板的芯片組（Chipset）和總線（Bus）解決了CPU和內(nèi)存之間如何通信的問題。

芯片組

控制數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)

總線

實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俟贰？偩€速度（Bus Speed）決定數(shù)據(jù)傳輸速度

輸入（Input）/輸出（Output）設(shè)備，即I/O設(shè)備。

顯示器這所謂的輸出設(shè)備。

鼠標(biāo)和鍵盤所謂的輸入設(shè)備。

硬盤，數(shù)據(jù)持久化。

顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤和硬盤這些東西并不是一臺(tái)計(jì)算機(jī)必須的部分。

其實(shí)只需要有I/O設(shè)備，能讓我們從計(jì)算機(jī)里輸入和輸出信息即可。云服務(wù)器，只要讓計(jì)算機(jī)能通過網(wǎng)絡(luò)，SSH遠(yuǎn)程登陸訪問就好了，因此沒必要配顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤。

顯卡（Graphics Card），使用圖形界面操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)必不可少。

有人可能要說了，我裝機(jī)的時(shí)候沒有買顯卡，計(jì)算機(jī)一樣可以正常跑起來啊！那是因?yàn)椋F(xiàn)在的主板都帶了內(nèi)置的顯卡。

如果玩游戲，做圖形渲染或者跑深度學(xué)習(xí)應(yīng)用，就需要買一張單獨(dú)顯卡，因?yàn)轱@卡里有GPU（Graphics Processing Unit，圖形處理器），GPU一樣可以做各種“計(jì)算”的工作。

鼠標(biāo)、鍵盤以及硬盤都是插在主板。作為外部I/O設(shè)備，它們通過主板上的南橋（SouthBridge）芯片組，來控制和CPU之間的通信的。

“南橋”芯片

它在主板上的位置，通常在主板的“南面”

它的作用就是作為“橋”，來連接鼠標(biāo)、鍵盤以及硬盤這些外部設(shè)備和CPU之間的通信。

以前的主板上通常也有“北橋”芯片，用來作為“橋”，連接CPU和內(nèi)存、顯卡之間的通信。不過現(xiàn)在的主板上的“北橋”芯片的工作，已經(jīng)被移到了CPU內(nèi)部。

2 馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

手機(jī)制造商們把CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)通信，乃至攝像頭芯片，都封裝到一個(gè)芯片，然后再嵌入到手機(jī)主板上，即SoC，System on a Chip（系統(tǒng)芯片）。

但無論是PC/服務(wù)器/手機(jī)都遵循馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)（Von Neumann architecture），也叫存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)，意味著“可編程”、“存儲(chǔ)”計(jì)算機(jī)。

計(jì)算機(jī)由各種門電路組成完成計(jì)算程序。一旦需要修改功能，就要重新組裝電路。這樣的話，計(jì)算機(jī)就是“不可編程”的，因?yàn)槌绦蛟谟?jì)算機(jī)硬件層面是“寫死”的。最常見的就是老式計(jì)算器，電路板設(shè)好了加減乘除，做不了任何計(jì)算邏輯固定之外的事情。

再看“存儲(chǔ)”計(jì)算機(jī)。程序存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存，可通過加載不同程序解決不同問題。

不能存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)

早年“Plugboard”這種插線板計(jì)算機(jī)，在板子上不同的插頭或者接口的位置插入線路實(shí)現(xiàn)不同功能。這樣的計(jì)算機(jī)“可編程”，但編寫好的程序不能存儲(chǔ)下來供下一次加載使用，不得不每次要用到和當(dāng)前不同的“程序”的時(shí)候，重新插板子，重新“編程”。

為了效率，有了“存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)”。馮基于在秘密開發(fā)的EDVAC寫了一篇報(bào)告First Draft of a Report on the EDVAC，描述了一臺(tái)計(jì)算機(jī)什么樣。

包含處理器單元（Processing Unit）：

算術(shù)邏輯單元（Arithmetic Logic Unit，ALU）

處理器寄存器（Processor Register）

完成各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算。

因?yàn)樗軌蛲瓿筛鞣N數(shù)據(jù)的處理或者計(jì)算工作，因此也有人把這個(gè)叫作數(shù)據(jù)通路（Datapath）或者運(yùn)算器。

包含控制器單元（Control Unit/CU）：

指令寄存器（Instruction Reigster）

程序計(jì)數(shù)器（Program Counter）

控制程序的流程，通常就是不同條件下的分支和跳轉(zhuǎn)。

算術(shù)邏輯單元和控制器單元組成CPU。

存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（Data）和指令（Instruction）的內(nèi)存。以及更大容量的外部存儲(chǔ)，在過去，可能是磁帶、磁鼓這樣的設(shè)備，現(xiàn)在通常就是硬盤。

分類

存儲(chǔ)介質(zhì)

半 導(dǎo)體存儲(chǔ)器：

內(nèi)存、U盤、固態(tài)硬盤

磁存儲(chǔ)器：

磁帶、磁盤

存取方式

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM（Random Access Memory），通過電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，必須隔一段時(shí)間刷新一次，如果掉電，那么一段時(shí)間后將丟失所有數(shù)據(jù)。

隨機(jī)讀取、與位置無關(guān)

串行存儲(chǔ)器：

與位置有關(guān)、按順序查找

只讀存儲(chǔ)器(ROM)：

只讀不寫

層次結(jié)構(gòu)

原理

局部性原理。即在CPU與主存之間增加一層速度快(容量小)的Cache，以解決主存速度不足問題。

局部性原理。在主存之外增加輔助存儲(chǔ)器(磁盤、SD卡、 U盤等)，以解決主存容量不足的問題。

輸入和輸出設(shè)備

無論是使用什么樣的計(jì)算機(jī)，都是和輸入輸出設(shè)備打交道。

個(gè)人電腦的鼠標(biāo)鍵盤是輸入設(shè)備，顯示器是輸出設(shè)備

我們用的智能手機(jī)，觸摸屏既是輸入設(shè)備，又是輸出設(shè)備

跑在各種云上的服務(wù)器，則是通過網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行輸入和輸出。這個(gè)時(shí)候，網(wǎng)卡既是輸入設(shè)備又是輸出設(shè)備

任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)的任何一個(gè)部件都可以歸到運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備中，而所有的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)也都是基于這個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)來設(shè)計(jì)開發(fā)的

而所有的計(jì)算機(jī)程序，也都可以抽象為從輸入設(shè)備讀取輸入信息，通過運(yùn)算器和控制器來執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器里的程序，最終把結(jié)果輸出到輸出設(shè)備中。而我們所有撰寫的無論高級(jí)還是低級(jí)語言的程序，也都是基于這樣一個(gè)抽象框架來進(jìn)行運(yùn)作的。

通用設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)線

I/O設(shè)備與主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的傳送線。

分為：

單向傳輸數(shù)據(jù)線

雙向傳輸數(shù)據(jù)線

狀態(tài)線

I/O設(shè)備狀態(tài)向主機(jī)報(bào)告的信號(hào)線

查詢?cè)O(shè)備是否已經(jīng)正常連接并就緒

查詢?cè)O(shè)備是否已經(jīng)被占用

命令線

CPU向設(shè)備發(fā)送命令的信號(hào)線

發(fā)送讀寫信號(hào)

發(fā)送啟動(dòng)停止信號(hào)

設(shè)備選擇線

主機(jī)選擇I/O設(shè)備進(jìn)行操作的信號(hào)線

對(duì)連在總線上的設(shè)備進(jìn)行選擇

CPU與IO設(shè)備的通信

程序中斷

當(dāng)外圍IO設(shè)備就緒時(shí)，向CPU發(fā)出中斷信號(hào)。CPU有專門的電路響應(yīng)中斷信號(hào)。

提供低速設(shè)備通知CPU的一種異步的方式，CPU可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)兼顧低速設(shè)備的響應(yīng)。

程序中斷的一個(gè)簡(jiǎn)單流程

不過頻繁切換 CPU 也會(huì)降低性能。所以又有如下方式

DMA (直接存儲(chǔ)器訪問)

DMA直接連接主存與I/O設(shè)備

當(dāng)主存與I/O設(shè)備交換信息時(shí)，無需中斷CPU，可提高 CPU 利用率

CPU速度與I/O設(shè)備速度不一致。

硬盤與外接顯卡里都有。

硬件開發(fā)

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