架构 -- 冯·诺伊曼体系结构

  1. 目标: 解决一切可以用计算解决的问题
  2. 组件: 中央处理器存储输入输出设备

组件

存储

  1. 存储负责存放计算涉及的相关数据,作为计算的输入参数和输出结果
  2. 中央处理器 的角度,存储可以分为两类
    • 一类是 内置存储 ,通过 常规的处理器指令 可以 直接 访问,例如寄存器、内存和主板上的ROM
    • 一类是 外置存储 ,中央处理器本身并不能直接读写其中的数据
  3. 冯·诺伊曼体系结构中涉及的存储指的是 内置存储

输入输出设备

  1. 输入输出设备是计算机 开放性 的体现,大大地 拓展 了计算机的能力
  2. 每个设备通过一个 端口 与中央处理器连接,通过这个端口,中央处理器可以和设备进行 数据交换
  3. 数据交换涉及的 数据格式设备定义 ,中央处理器并不能理解,但这不影响设备的接入
  4. 设备数据交换的发起方( 设备使用方 )通常 理解并可以解释 所接收的数据含义
    • 设备厂商或操作系统厂商通常会提供设备相关的 驱动程序 ,把 设备数据交换的细节 隐藏起来
    • 设备的使用方只需要调用相关的 接口函数 就可以操作设备

中央处理器

  1. 中央处理器负责程序(指令序列)的执行,指令序列存放在存储
  2. 计算机加电启动后,中央处理器会从一个 固定的存储地址 开始执行
  3. 中央处理器支持的指令分类: 计算类IO类指令跳转类

实现目标

  1. 目标:解决一切可以用计算解决的问题
  2. 需求的变化点:要解决的问题是五花八门的,需要以一种 稳定且可扩展的架构 来支持这种变化
  3. 需求的稳定点:电脑的核心能力是固定的,即 计算

实现计算

  1. 电脑的核心能力是 计算
  2. 计算: 对一个数据(输入)进行变换,变为另一个数据(输出) ,对应数学中的函数: y=F(x)
    • x和y都是数据,可能是一个简单的数值,也可能是文本、图片和视频等
    • 无论逻辑含义为何,物理上都可以用一段 连续的字节 来表达
    • x和y物理上存放在 存储

具体计算的表达

  1. 逻辑上来看,无论多么复杂的自定义函数,都是 内置函数、循环和条件分支、子函数组合 定义
  2. 对于任意的具体计算来说,都可以用 一组指令序列 来表达,并且以指令序列的形式存放在 存储 里面
    • 因此,存储不仅存放计算所要操作的数据,也存放”计算”本身
    • 只是存储里面存放的计算只是数据,需要中央处理器 理解并执行 这些数据背后的计算行为,才能变成真正意义的计算

CPU + 存储

中央处理器+存储,就能够支持 任意复杂 的计算了

实现IO

  1. 交互,抽象来看就是输入输出,对电脑来说,输入输出可能是千变外化的
  2. 除了纯正的 计算能力 之外,中央处理器还需要具备 IO能力
  3. 此时,电脑可以看成: 中央处理器 + 存储 + 一系列的输入输出设备

解决的根本问题

  1. 输入输出设备从根本上解决的是电脑 无限扩展的能力
  2. 输入输出设备和电脑是 完全异构 的,输入输出设备对电脑来说只是实现了某项能力的 黑盒子
  3. 可以只是一个原始的数字化元器件,也可以是另一台冯.诺依曼架构的电脑,还可以是完全 异构 的电脑(GPU电脑)
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