3.计算机体系与结构

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冯诺依曼体系

冯诺依曼体系，用一句话来概括就是：将程序指令和数据一起存储的计算机设计概念结构。

在前面学习计算机的发展历史的时候，我们知道，早期的计算机只能运行固定用途的程序，怎么理解？举个例子：有个计算机它只能运行数学运算的程序，那么它就不能运行文字处理的软件，也不能拿来玩游戏，如果要让它能够进行别的功能，就需要改变计算机的程序，而在当时，所谓的重写程序并不是指现在的重新编译一个程序那么简单，而是必须更改电路或者说更改结构，甚至重新设计这个机器。

这样就很坑爹了啊。如果说计算机只能用来打游戏，不能用来写代码，或者说只能用来写代码，不能用来玩游戏，那么我们就不能先玩一会游戏再写一会代码了，这样子是非常不合理的。于是冯诺依曼就想着将程序存储起来，然后在设计底层硬件的时候，不再是设计专有的电路，而是设计一个通用电路，当我们需要运行某种程序的时候，我们先把这段程序翻译成电路能够理解的语言，然后让通用电路去执行相关的逻辑。

这就是冯诺依曼体系的核心概念——存储程序指令，设计通用电路。

了解了冯诺依曼体系是怎样诞生的，如果能够理解冯诺依曼体系给计算机领域带来的巨大改变，我们就能明白冯诺依曼体系为什么这么重要了。由冯诺依曼体系所延伸的存储型计算机的概念，改变了之前糟糕的一切，皆由创造一种通用的指令集结构，并将所谓的运算转化为一串程序指令的运行，使整个计算机更有弹性。借助将指令当成一种特殊类型的计算数据，一台存储型的计算机可以轻易地改变其程序，并且在程序的控制下，改变运行的内容，改变的时候不需要重新设计电路，不需要重新改变计算机的结构，这就是冯诺依曼体系所带来的巨大贡献。

由冯诺依曼体系指导完成的计算机包含五大组件：

1. 存储器：用来存放程序和数据
2. 控制器：用来控制程序的流转和数据的输入运行，以及处理运算结果
3. 运算器：主要运行算数运算和逻辑运算，并将中间结果暂存到运算器中
4. 输入设备：用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能够识别的信息形式，常见的有键盘，鼠标等
5. 输出设备：可以将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机输出，显示器输出等

我们现代所有使用的计算机，从本质上讲，都是冯诺依曼机，包括笔记本电脑、台式电脑、普通服务器、迷你计算机等等。由冯诺依曼体系所指导完成的计算机，必须有以下的几点功能：

1. 能够把需要的程序和数据送至计算机中（由输入设备完成）
2. 能够长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力（由存储器完成）
3. 能够具备算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力（由运算器、控制器完成）
4. 能够按照要求将处理结果输出给用户（由输出设备完成）

冯诺依曼体系结构示意图：

我们可以看到，存储器和CPU是分开的，这就导致一个问题：CPU和存储器速率之间的问题无法调和。因为CPU是高速运算的，处理速率极快，而存储器没有CPU快，到CPU的数据传输速度慢，这会导致CPU经常空转等待数据传输，这样子是非常浪费资源的。

既然我们都知道了冯诺依曼体系存在的性能瓶颈，那么，如何解决呢？

现代计算机的结构

现代计算机在冯诺依曼体系结构基础上进行了修改，解决了CPU和存储设备之间的性能差异问题。下面是现代计算机的结构示意图：

可以看到，跟前面不一样的是，运算器、控制器和存储器组成了现代计算机的CPU。

存储器，从广义上，可以理解为存储数据的介质，包括磁带和硬盘。但是，这里的存储器主要是指围绕CPU的高速设备，包括寄存器和内存。现代计算机的结构，可以理解为以存储器为核心的结构。

关于存储器，还有很多需要理解的知识，我们会在后续文章里详细介绍。

总结

这一节，我们需要了解冯诺依曼体系的含义和它是如何产生的，还需要了解现代计算机的结构和特点以及它解决了什么问题。