简明图解冯·诺依曼计算机体系

1 基本硬件组成

一台计算机组成至少如下：

CPU（Central Processing Unit）

中央处理器，计算机的所有计算由CPU执行。

内存（Memory）

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。

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。

主板（Motherboard）

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。CPU、内存都要插在主板。

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。

芯片组

控制数据流转

总线

实际数据传输的高速公路。总线速度（Bus Speed）决定数据传输速度

输入（Input）/输出（Output）设备，即I/O设备。

显示器这所谓的输出设备。

鼠标和键盘所谓的输入设备。

硬盘，数据持久化。

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即可。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，因此没必要配显示器、鼠标、键盘。

显卡（Graphics Card），使用图形界面操作系统的计算机必不可少。

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。

如果玩游戏，做图形渲染或者跑深度学习应用，就需要买一张单独显卡，因为显卡里有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。作为外部I/O设备，它们通过主板上的南桥（SouthBridge）芯片组，来控制和CPU之间的通信的。

“南桥”芯片

它在主板上的位置，通常在主板的“南面”

它的作用就是作为“桥”，来连接鼠标、键盘以及硬盘这些外部设备和CPU之间的通信。

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。不过现在的主板上的“北桥”芯片的工作，已经被移到了CPU内部。

2 冯·诺依曼体系结构

手机制造商们把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，即SoC，System on a Chip（系统芯片）。

但无论是PC/服务器/手机都遵循冯·诺依曼体系结构（Von Neumann architecture），也叫存储程序计算机，意味着“可编程”、“存储”计算机。

计算机由各种门电路组成完成计算程序。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。

再看“存储”计算机。程序存储在计算机内存，可通过加载不同程序解决不同问题。

不能存储程序的计算机

早年“Plugboard”这种插线板计算机，在板子上不同的插头或者接口的位置插入线路实现不同功能。这样的计算机“可编程”，但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”。

为了效率，有了“存储程序计算机”。冯基于在秘密开发的EDVAC写了一篇报告First Draft of a Report on the EDVAC，描述了一台计算机什么样。

包含处理器单元（Processing Unit）：

算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）

处理器寄存器（Processor Register）

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。

包含控制器单元（Control Unit/CU）：

指令寄存器（Instruction Reigster）

程序计数器（Program Counter）

控制程序的流程，通常就是不同条件下的分支和跳转。

算术逻辑单元和控制器单元组成CPU。

存储器

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。

分类

存储介质

半 导体存储器：

内存、U盘、固态硬盘

磁存储器：

磁带、磁盘

存取方式

随机存取存储器RAM（Random Access Memory），通过电容存储数据，必须隔一段时间刷新一次，如果掉电，那么一段时间后将丢失所有数据。

随机读取、与位置无关

串行存储器：

与位置有关、按顺序查找

只读存储器(ROM)：

只读不写

层次结构

原理

局部性原理。即在CPU与主存之间增加一层速度快(容量小)的Cache，以解决主存速度不足问题。

局部性原理。在主存之外增加辅助存储器(磁盘、SD卡、 U盘等)，以解决主存容量不足的问题。

输入和输出设备

无论是使用什么样的计算机，都是和输入输出设备打交道。

个人电脑的鼠标键盘是输入设备，显示器是输出设备

我们用的智能手机，触摸屏既是输入设备，又是输出设备

跑在各种云上的服务器，则是通过网络来进行输入和输出。这个时候，网卡既是输入设备又是输出设备

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

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，通过运算器和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。

通用设计

数据线

I/O设备与主机之间进行数据交换的传送线。

分为：

单向传输数据线

双向传输数据线

状态线

I/O设备状态向主机报告的信号线

查询设备是否已经正常连接并就绪

查询设备是否已经被占用

命令线

CPU向设备发送命令的信号线

发送读写信号

发送启动停止信号

设备选择线

主机选择I/O设备进行操作的信号线

对连在总线上的设备进行选择

CPU与IO设备的通信

程序中断

当外围IO设备就绪时，向CPU发出中断信号。CPU有专门的电路响应中断信号。

提供低速设备通知CPU的一种异步的方式，CPU可以高速运转同时兼顾低速设备的响应。

程序中断的一个简单流程

不过频繁切换 CPU 也会降低性能。所以又有如下方式

DMA (直接存储器访问)

DMA直接连接主存与I/O设备

当主存与I/O设备交换信息时，无需中断CPU，可提高 CPU 利用率

CPU速度与I/O设备速度不一致。

硬盘与外接显卡里都有。

硬件开发

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