冯诺依曼计算机的基本原理

#头条创作挑战赛#

前言

大家好，我是呼噜噜，软件行业非常迅速，以前流行C,C++java,spring，现在springcloud,docker,微服务，k8s云原生等概念火热，还有各种各样的新技术在不断的涌现出来。但是计算机底层原理 这几十年一直并没有太大的变化，与其不断去尝试新技术，不如耐住性子，深入学习底层的知识，好好修炼“内功”。

计算机的软硬件概念

计算机系统由"软件"和"硬件"2大部分组成

其中软件如果按应用范围分类，一般分为系统软件和应用软件：

系统软件是各类操作系统，如windows、Linux、UNIX等，还包括操作系统的补丁程序及硬件驱动程序，都是系统软件类。

应用软件可以细分的种类就更多了，如工具软件、游戏软件、管理软件等都属于应用软件类。

其中计算机硬件经过发展历程：

电子管时代，速度每秒几千次~几万次

晶体管时代，速度每秒几万次~几十万次

中小规模集成电路时代，速度每秒几十万次~几百万次

大规模、超大规模集成电路时代，速度每秒上千万次~万亿次

冯·诺依曼体系结构

1946年，第一台计算机ENIAC诞生，人类进入计算机时代，冯诺依曼和其他计算机科学家们 提出了计算机"存储程序"的计算机设计理念，即将计算机指令进行编码后存储在计算机的存储器中，需要的时候可以顺序地执行程序代码，从而控制计算机运行。还定义计算机基本结构为 5 个部分，分别是运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，这就是冯.诺依曼计算机。

实线箭头表示 数据线，虚线箭头表示 控制线和反馈线

冯·诺依曼计算机特点：

计算机由 运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备 五大部件组成， 侧重于硬件抽象

将计算机的计算和记忆分开，负责计算的部分由运算器和控制器组成，负责记忆的部分称为存储器

指令和数据均用 二进制数 表示

指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可 按地址寻访

指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置

指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序

以运算器为中心

现代计算机系统与冯·诺依曼计算机差别不大，最大的区别冯·诺依曼计算机 是

以运算器为中心的

，而现代计算机

以储存器为中心：

这张图很重要，大家得记住，我们后文会对其，进行讲解和补充！

接下来，我们分别介绍一下这几个重要组成部分

存储器

存储器是用来存放数据和程序。存储器 包含主存和辅存

主存：直接与CPU交换信息，就是我们熟悉的内存。常见的有内存条

辅存：辅存可作为主存的后备存储器，不直接与CPU交换信息，容量比主存大，但速度比主存慢。比如机械硬盘、固态硬盘等

我们得注意一下：

能和CPU直接交换信息的只有主存，辅存是不直接与CPU交换信息

运算器

运算器也叫算数逻辑单元，是进行算数运算和逻辑运算的部件，在控制器的控制下，对取自内存储器的数据进行算术运算或逻辑运算，并将运算的结果送到内存储器。

控制器

控制器用来控制、指挥程序和数据的输人、运行以及处理运算结果。计算机在工作时，控制器首先从内存储器中按顺序取出一条指令，并对该指令进行译码分析，根据指令的功能向相关部件发出操作命令，使这些部件执行该命令所规定的任务，执行之后再取出第二条指令进行分析执行。如此反复，直到所有指令都执行完成。

输入设备

输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见的有键盘、鼠标等

输出设备

输出设备可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。

中央处理器(CPU)

由于

运算器

和

控制器

在逻辑关系和电路结构上联系十分精密，特别是大型集成电路时代的到来，所以现如今往往会

将运算器和控制器集成到同一个芯片

上，统称 在中央处理器(CPU)，其功能是从内存储器中取出指令、解释指令并执行指令。

现代CPU内部 还有一个常见的组件，寄存器

寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型的存储区域

，用来暂时存放参与运算的数据以及运算结果。寄存器由电子线路组成，存取速度非常快，与CPU的速度相当，寄存器的成本较高，因而数量较少。

在CPU中至少要有六类寄存器: 指令寄存器(IR)、程序计数器(PC)、地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、累加寄存器(AC)、程序状态字寄存器(PSW)。

具体见： 聊聊计算机中的寄存器

总线

总线是贯穿整个系统的是一组电子管道，称作总线，它携带信息字节并负责在各个计算机部件间传递。通常总线被设计成传送定长的字节块，也就是字（word）。字中的字节数（即字长）是一个基本的系统参数，各个系统中都不尽相同。

现在的大多数机器字长要么是4个字节（32位），要么是8个字节（64位）。本文我们不对字长做任何固定的假设

另外计算机最小的存储单位是

字节（

，1 字节等于 8 位（1Byte=8bit），而

位/比特（bit）

是计算机最小的数据传输单位。

1 字节等于 8 位(1Byte=8bit）这个换算规则大家需要牢记

我们顺便把内存相关的知识串起来：计算机将8个bit归为一组，为字节，每一个字节都对应一个内存地址。内存的地址是从0 开始编号的，然后自增排列，最后一个地址为内存总字节数 – 1。CPU只需要知道某个数据类型的地址, 就可以直接去到对应的内存位置去提取数据了。

总线可分为 3 种：

地址总线

，一般用于指定 CPU 将要操作的内存地址；

数据总线

，一般用于读写内存的数据；

控制总线

，一般用于发送和接收信号，比如中断、设备复位等信号，CPU 收到信号后，通过控制总线进行响应；

计算机为什么普遍采用二进制？

这是一个很常识性但非常重要的问题，冯.诺依曼计算机也叫存储程序 计算机，其中“存储程序”的概念是 指

将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器

，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

我们更熟悉十进制的运算，0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十个数字，逢十进一。比如中国人从小背的“九九乘法表”其实就是十进制变种。但是计算机中使用二进制，只有0和1两个数字，逢二进一。

采用二进制的原因：

二进制在自然界中最容易被表现出来。自然界中二值系统非常多，电压的高低、水位的高低、门的开关、电流的有无等等都可以组成二值系统，都可以用来做计算机。

计算机依靠电力工作，通过电子原件的电压高低反应，很容易就表现出二进制的特性。从某种意义上说，中国古人的八卦是利用符号的二元形态来表示事物，这一点与二进制颇为相同。

64位和32位CPU的区别

64位、32位指的是CPU寄存器的数据宽度，也叫 CPU 的位宽，他们最主要区别在于CPU一次能计算多少字节数据

32位CPU，表明处理器 一次可以计算 4 个字节(Byte)，即一次可以计算32位(bit)数据。

64位CPU，表明处理器 一次可以计算 8 个字节(Byte)，即一次可以计算64位(bit)数据。

CPU的位数越高也将会使它的寻址范围、最大内存容量、数据传输和处理速度、数值精度等指标成倍增加，也就是CPU的处理能力得到大幅提升

我们都知道，

32位CPU最大支持4G内存

,这是怎么算出来的？

2^32B = 4GB,2^35b = 4GB,

注意B和b的区别

"CPU中32位"中的"位"并不是 内存中的"位bit"的概念，对应到内存中其实是"字节Byte"

由于32位最大内存寻址能力只能达到是4G左右，我们就算给32位的电脑装8G的内存条，也无法提高其计算能力

计算机性能

接下来介绍一下关于计算机性能相关的基本概念：

储存器的性能指标

储存器的性能指标主要和以下3个方面有关：

存储容量：存储单元个数 * 储存字长（如1M*8bit）

其中：

MAR位数反映储存单元的个数，即最多能表示多少个不同的状态

n个2进制位能表示 2^n个状态， 2^10=1 K,2^20=1 M,2^30=1 G,2^40=1 T

MDR位数=储存字长=每个储存单元的大小

单位成本：每位价格=总成本/总容量。

存储速度：数据传输率=数据的宽度/存储周期

另外还有3个概念，再了解一下：

存取时间

又称存储器访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。

存储周期

又称为读写周期或访问周期。它是指存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次独立地访问存储器操作（读或写操作）之间所需的最小时间间隔。

存储器带宽

是单位时间里存储器所存取得信息量。

CPU的性能指标

当我们去京东淘宝上去买，CPU的时候，商家一般会写下面的信息：

12代 酷睿 i7-12700KF 处理器 12核20线程 单核睿频至高可达5.0Ghz 25M三级缓存 台式机CPU

其中除了一下CPU的型号，5.0Ghz是表示CPU性能的一个重要的指标

CPU主频：

CPU内核的时钟频率，表示在

CPU内数字脉冲信号震荡的频率

，常用单位为Hz。平时我们打游戏常说的超频，超的就是这个CPU主频。

CPU时钟周期

：通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数，它是CPU中基本时间单位。

执行一条指令的耗时

= CPI * CPU时钟周期, 其中CPI表示 执行一条指令所需的时钟周期数

一段程序的耗时

=指令数*CPI * CPU时钟周期， 如果我们想要提升CPU性能问题，其实就是要优化这三者。

系统整体的性能指标

计算机系统的性能主要受是下面3个指标

数据通路带宽

数据总线一次所能并行传送信息的位数（各硬件部件通过数据总线传输数据）

吞吐量 指系统在单位时间内处理请求的数量。 它取决于信息能多快地输入内存，CPU能多快地取指令，数据能多快地从内存取出或 存入，以及所得结果能多快地从内存送给一台外部设备。这些步骤中的每一步都关系 到主存，因此，系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。

响应时间 指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得它所需 要的结果的等待时间。 通常包括CPU时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储 器访问、I/O操作、操作系统开销等时间）

跑分软件，像鲁大师等，就是把多个预设好的程序(基准程序)在计算机上运行，然后根据运行需要 的时间，算出一个分数来评估计算机的性能，以便和其他计算机进行比较。

计算机功耗

通过上文CPU 执行时间 = 指令数*CPI * CPU时钟周期，我们知道程序的 CPU 的性能 受到 指令数、CPI 以及 CPU 主频 的影响， 指令数或者 CPI 工程师，由于影响条件复杂，没法直接干预，或者可能反向干预。主要手段是提高CPU的主频， CPU 变得更快，程序的执行时间自然就会缩短 ，

主频越高越好

？

答案是否定的 由本文一开始，我们知道现在的计算机里的CPU,都是超大规模集成电路，实际上都是一个个晶体管组合而成的。通过电路的开关的"打开"和"关闭",来实现计算和储存的能力。要想计算得更快，从硬件角度来说，就是单位体积多放一些晶体管。从软件角度，手动将CPU的主频提升。

但这2种手段，会增加CPU的耗电和散热，即功耗增加。 虽然可以通过降低电压来缓解功耗的问题，但是一味地提升主频，提升的性能效果日益衰弱。后面为了提升性能，不再依赖堆硬件方面，计算机采用了从单核CPU到多核CPU，将CPU执行任务流水线化，高并发多线程等等更多的手段

参考资料：

深入理解计算机系统

计算机组成原理

计算机组成原理(第2版)-唐朔飞

深入浅出计算机组成原理

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