計算機的基本硬件組成

說到計算機的基礎(chǔ)原理就躲不過 圖靈機 和 馮諾依曼模型高每。

圖靈機 定義了 計算機是如何進行運算的, 馮諾依曼模型 則 定義了 計算機的基本結(jié)構(gòu)。

圖靈機

1936 年棉磨，被譽為人工智能之父的阿蘭·圖靈提出了 圖靈機缤剧，根據(jù)wikipedia上的定義，圖靈機 可以看作 “等價于任何有限邏輯數(shù)學(xué)過程的終極強大邏輯機器”缎除。

簡單來說严就，圖靈機 是一個能夠在 有限邏輯步的驟內(nèi)解決 可計算問題 的抽象機器。

之所以說抽象器罐，是因為圖靈并沒有真的造出這臺機器梢为，而是把它當成理論去和大家探討 可計算問題。

圖靈認為如果一個問題是可計算的，那么它的解決方案就必須可以被具化成一條條的指令铸董，能夠被圖靈機所處理祟印。對于 可計算問題 和 不可計算問題 的定義，大家有興趣可以去了解下袒炉，最經(jīng)典的就是 停機問題旁理。

這里我們主要了解下圖靈機的基本思想（計算機是如何進行運算的）。

• 圖靈認為 圖靈機 的基本組成如下：

  1. 有一條無限長的「紙帶」我磁，紙帶由一個個連續(xù)的格子組成孽文，每個格子可以寫入字符。
  2. 有一個「讀寫頭」夺艰，讀寫頭可以讀取紙帶上任意格子的字符芋哭，也可以把字符寫入到紙帶的格子。
  3. 有一個「狀態(tài)寄存器」用來保存圖靈機當前所處的狀態(tài)郁副。
  4. 有一套「指令規(guī)則」减牺，圖靈機 能夠根據(jù) 當前的狀態(tài) 和 當前讀寫頭所指向格子上的符號 執(zhí)行指令規(guī)則的動作。

  除了「紙帶」是無限長外存谎，其他部分都是有限的拔疚，包括：狀態(tài)寄存器、指令規(guī)則集既荚。

• 我們可以通過 1+2 的簡單數(shù)學(xué)例子來看看 圖靈機是如何進行運算的：

  1. 首先稚失，紙帶上的初始格子符號應(yīng)該是 1、2恰聘、+句各，然后讀寫頭初始時停在 1 字符所在格子上。
  2. 接著讀寫頭開始進行讀入晴叨，將 1 存入狀態(tài)寄存器中凿宾。
  3. 然后，讀寫頭往右移動一格兼蕊，以同樣的方式將 2 存入狀態(tài)寄存器中初厚。
  4. 然后，讀寫頭繼續(xù)往右移動一格孙技，這時讀到 + 符號产禾，因為 + 是運算指令，作用是加和目前寄存器中的狀態(tài)值绪杏，運算完成后，讀寫頭將結(jié)果存入狀態(tài)寄存器中纽绍。
  5. 讀寫頭繼續(xù)繼續(xù)往右移動一格蕾久，發(fā)現(xiàn)是空格后，讀寫頭把結(jié)果 3 寫入到紙帶的格子中.

  通過上面的 圖靈機 計算 1 + 2 的過程拌夏，可以發(fā)現(xiàn) 圖靈機 是不斷往右讀取格子的內(nèi)容僧著，如果內(nèi)容是數(shù)字則存儲到狀態(tài)寄存器履因，如果是運算符合則進行運算。

  事實上盹愚，圖靈機這個看起來很簡單的工作方式栅迄，和我們今天的計算機是基本一樣的。

馮諾依曼模型

馮諾依曼模型 又被稱為 馮諾依曼結(jié)構(gòu) 皆怕、普林斯頓結(jié)構(gòu)毅舆，在wikipedia中被定義為 “一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的電腦設(shè)計概念結(jié)構(gòu)”。

與之對應(yīng)的是 哈佛結(jié)構(gòu)愈腾，在wikipedia中被定義為 “一種將程序指令儲存和數(shù)據(jù)儲存分開的存儲器結(jié)構(gòu)(Split Cache)”憋活。

• 從存儲設(shè)計上看，哈佛結(jié)構(gòu) 比 馮諾依曼結(jié)構(gòu) 更合理虱黄，因為在 純馮諾依曼架構(gòu) 下的 CPU 不能同時進行 指令讀取 和 數(shù)據(jù)訪問悦即，因此現(xiàn)代計算機都是這兩個設(shè)計模型結(jié)構(gòu)的綜合應(yīng)用。

  但是橱乱，哈佛結(jié)構(gòu) 只是一種將程序資料與普通資料分開存儲的設(shè)計概念辜梳，它并沒有完全突破 馮諾伊曼架構(gòu)，而 馮諾依曼結(jié)構(gòu) 之所以如此著名是因為泳叠，他是第一次明確提出 存儲程序計算機 這個概念設(shè)想作瞄。

• 為什么說 存儲程序計算機 是個劃時代的概念呢？ 因為在 存儲程序計算機 這個概念之前計算機是「不可以被編程的」析二。

  我們可以參考“計算器”粉洼，事實上它就是一個由各種門電路組合，組裝出來的一個固定的電路板叶摄，能夠完成特定計算邏輯的計算機属韧。

  它是「不可以被編程的」，因為它的程序在剛出生時就被設(shè)定好了蛤吓，如果要改變它的程序宵喂，就必須重新設(shè)計和組裝電路板。

  說到這里你應(yīng)該就知道 存儲程序計算機 這個概念会傲，在當時的計算機全都是只能做特定邏輯運算的時代是多么“顯眼包”了锅棕。

  可以說 馮諾依曼結(jié)構(gòu) 確定了我們現(xiàn)在所使用的計算機硬件的基本架構(gòu)，現(xiàn)在我們學(xué)習(xí) 計算機組成原理 就是在學(xué)習(xí)和拆解 馮諾依曼結(jié)構(gòu)淌山。

• 回到 馮諾依曼結(jié)構(gòu) 本身裸燎，這個概念是在1945年被馮祖師爺在 《First Draft of a Report on the EDVAC》論文中首次被正式提出， 它描述了一臺計算機應(yīng)該遵循的3大原則：

  • 采用二進制邏輯
  • 程序存儲執(zhí)行
  • 計算機由五個部分組成（運算器泼疑、控制器德绿、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備）
    • 運算器（算術(shù)邏輯單元移稳，Arithmetic Logic Unit蕴纳，ALU），用來完成各種算術(shù)和邏輯運算个粱。
    • 控制器（控制器單元古毛，Control Unit/CU），用來控制程序的流程都许，通常就是不同條件下的分支和跳轉(zhuǎn)稻薇。
    • 存儲器（Memory Unit），用來存儲數(shù)據(jù)（Data）和指令（Instruction）
    • 輸入設(shè)備（Input Device）梭稚，例如 鼠標鍵盤

    • 輸出設(shè)備（Output Device）颖低，例如 顯示器

      
      

• 現(xiàn)在再來看看我們?nèi)粘Ｊ褂玫挠嬎銠C的基本硬件組成，你就會發(fā)現(xiàn)與 馮諾依曼結(jié)構(gòu) 大差不差：

  • CPU
    通常包含 控制單元 和 邏輯運算單元 和 各種寄存器弧烤。
    • 控制單元: 負責(zé)根據(jù)指令控制CPU工作忱屑，例如從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)到寄存器，將寄存器中的兩個數(shù)據(jù)進行加和運算等暇昂。
    • 邏輯運算單元：負責(zé)計算莺戒。
    • 寄存器：通常包括 通用寄存器、程序計數(shù)器急波、指令寄存器从铲。
      • 通用寄存器：用于存放 程序指令 或 需要運算的數(shù)據(jù)。
      • 程序計數(shù)器 PC：用于存儲下一個要執(zhí)行指令的內(nèi)存地址澄暮。
      • 指令寄存器 IR：用于存放正在執(zhí)行的指令名段。
  • 內(nèi)存
    負責(zé)存儲程序和數(shù)據(jù)。是一個線性排列的連續(xù)空間泣懊。
  • 總線
    將 CPU伸辟、內(nèi)存、以及其他設(shè)備關(guān)聯(lián)起來馍刮，負責(zé)他們之間的通信信夫。
    • 地址總線：用于指定 CPU 將要操作的內(nèi)存地址。
    • 數(shù)據(jù)總線：用于讀寫內(nèi)存的數(shù)據(jù)卡啰。
    • 控制總線：用于發(fā)送和接收信號静稻。比如中斷、設(shè)備復(fù)位等信號匈辱，CPU 收到信號后自然進行響應(yīng)振湾，這時也需要控制總線。
  • 輸入設(shè)備
  • 輸出設(shè)備

雜談

如果你自己組裝過計算機亡脸，你會發(fā)現(xiàn)你實際購買的明明只有 CPU + 內(nèi)存 + 主板 + 其他外設(shè)押搪，沒有 總線 這個東西佛南。

• CPU 和 內(nèi)存 的功能不用多說，你肯定知道是干嘛用的嵌言，那么 主板 呢？

  實際上及穗，主板是一個有著各種各樣插槽的配件摧茴，我們的CPU和內(nèi)存條都需要插到主板的上才能相互通信。

  可以說埂陆，是主板的芯片組(Chipset) 和 總線（Bus）解決了 CPU 和 內(nèi)存 之間如何通信的問題苛白。

  其中芯片組控制了數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鬓D(zhuǎn)，也就是數(shù)據(jù)從哪里到哪里的焚虱」喝梗總線則是實際數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>

  因此，總線速度（Bus Speed）決定了數(shù)據(jù)能傳輸?shù)枚嗫臁?/p>

• 當你擁有這3大件鹃栽，通電后計算機便已經(jīng)可以跑起來了躏率，當然如果你是個人電腦的話，那么 鍵盤鼠標顯示器 肯定是必不可少的輸入輸出設(shè)備民鼓。

  但是這些都不是必須的薇芝，你肯定用過各種云服務(wù)器吧，你只要通過ssh遠程登錄其實也能控制計算機丰嘉。

• 還有一個很特殊的設(shè)備夯到，就是顯卡（Graphics Card）。

  現(xiàn)在饮亏，使用圖形界面操作系統(tǒng)的計算機耍贾，無論是 Windows、Mac OS 還是 Linux路幸，顯卡都是必不可少的荐开。

  有人可能要說了，我裝機的時候沒有買顯卡劝赔，計算機一樣可以正常跑起來笆慕埂！那是因為着帽，現(xiàn)在的主板都帶了內(nèi)置的顯卡杂伟。

  如果你用計算機玩游戲，做圖形渲染或者跑深度學(xué)習(xí)應(yīng)用仍翰，你多半就需要買一張單獨的顯卡赫粥，插在主板上。

  顯卡之所以特殊予借，是因為顯卡里有除了 CPU 之外的另一個“處理器”越平，也就是GPU（Graphics Processing Unit频蛔，圖形處理器），GPU 一樣可以做各種“計算”的工作秦叛。

• 鼠標晦溪、鍵盤以及硬盤，這些都是插在主板上的挣跋。

  作為外部 I/O 設(shè)備三圆，它們是通過主板上的南橋（SouthBridge）芯片組，來控制和 CPU 之間的通信的避咆。

  “南橋”芯片的名字很直觀舟肉，一方面，它在主板上的位置查库，通常在主板的“南面”路媚。另一方面，它的作用就是作為“橋”樊销，來連接鼠標整慎、鍵盤以及硬盤這些外部設(shè)備和 CPU 之間的通信。

  有了南橋围苫，自然對應(yīng)著也有“北橋”院领。
  是的，以前的主板上通常也有“北橋”芯片够吩，用來作為“橋”比然，連接 CPU 和內(nèi)存、顯卡之間的通信周循。不過强法，隨著時間的變遷，現(xiàn)在的主板上的“北橋”芯片的工作湾笛，已經(jīng)被移到了 CPU 的內(nèi)部饮怯，所以你在主板上，已經(jīng)看不到北橋芯片了嚎研。