【计算机组成课程笔记】1.2 冯·诺伊曼结构

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现代的计算机形态各异，但究其本质，几乎全部采用了冯·诺依曼结构。要了解计算机，首先要知道什么是冯·诺依曼结构。

1. 冯·诺依曼结构的要点

要说冯·诺依曼结构，就得从《关于EDVAC的报告草案》说起。这份报告论述了两个重要的思想：1. 存储程序（而不是开关连线），2. 二进制（而不是十进制）。这份报告还明确了计算机的五个部分：运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备。

2. 冯·诺依曼计算机的类比

知道了冯·诺依曼计算机的基本结构以后，我们可以做一个有趣的类比。把冯·诺依曼计算机看成是一个餐馆。厨房就是CPU，其中大厨就是控制器，而他做菜的工具-锅就相当于运算器。仓库则是存储器，里面存放了做菜所需的原料和任务单。这个类比中没有包含输入输出设备，这部分我们后面再探讨。

注意，如果没有存储程序的概念，即任务单和原料不放在一起，任务单是由人来下达的，这样带来的问题就是，由于控制器和运算器运转很快，下达指令就会成为瓶颈，影响整体效率。

下面我们把计算机执行一条指令的过程来类比一下。计算机执行一条指令主要包含4个步骤：取指，译码，执行，回写。

1. 取指（Fetch）：相当于厨师知道了下张任务单的存放位置，然后向仓库发起请求：我需要第1格的东西。仓库收到命令以后取出所需东西，给厨师送回去，这就是第一步-取指。

2. 译码（Decode)：相当于厨师分析任务单，比如任务单上写了炒菜，原料放在仓库第6格，炒完以后给A号盘子（通用寄存器）

3. 执行（Execute)：按照任务的不同步骤，进行执行

4. 回写（Write-back)：将炒完的菜盛放到A号盘子里

3. 计算机结构的简化模型

通过餐馆的例子，我们形象地了解了冯·诺依曼计算机的基本结构和指令执行过程。通过这个餐馆的模型，我们几乎可以一一对应地构造出一个简化的计算机结构模型。首先看到有CPU和存储器两大部件，中间通过系统总线（控制总线，地址总线和数据总线）相连。

存储器中包含了很多存储单元。存储单元的位宽由设计计算机时对存储器的编址方法确定，比如如果存储器按字节编址，则每个存储单元存放8位二进制数。另外，存储单元的地址是唯一的，不同存储单元地址互不相同。CPU要想访问某个存储单元，必须通过地址总线给出相应的地址，因此如果地址总线宽度为n，则CPU能管理的存储单元最多为2^n个。除了存储单元以后，存储器里还有MAR（Memory Address Register，存储器地址寄存器）和MDR（Memory Data Register，存储器数据寄存器），分别用于存放CPU正在读或写的存储单元的地址和数据。

再来看一下CPU。CPU中的控制器用于控制计算机各部件完成取指令，分析指令和执行指令等功能。主要组成部分包括IR（Instruction Register，指令寄存器），PC（Program Counter，程序计数器），MAR，MDR，指令译码部件，控制电路。IR存放“正在执行或即将执行的指令”，PC存放“下一条指令的存储单元地址”，具有自动增量计数功能。MAR在访存时用于存放“存储单元的地址”，和存储器上的MAR通过地址总线相连。MDR在访存时用于存放“对存储单元读或写的数据”，和存储器上的MDR通过数据总线相连。指令译码部件对IR中的指令进行译码，以确定IR中存放的是哪一条指令。当确定了是哪条指令之后，控制电路就可以产生对应的控制信号，在时序脉冲的同步下控制各个部件的动作。

CPU中的运算器用于算术运算和逻辑运算。核心部件ALU用于完成计算，X,Y,Z是ALU的数据暂存器，可视为ALU的一部分，F用于存放运算结果的状态（零/正负/进位/溢出）。R0~Rn-1是n个通用寄存器，用于临时存放数据，数据可以来自存储器，也可以来自于其他通用寄存器或ALU的输出。不同寄存器之间传递数据通过CPU的内部总线传递。

4. 计算机执行指令的过程

根据上述的计算机简化模型，我们再来重温一下计算机执行指令的过程。之前我们提到，计算机执行一条指令主要包含4个步骤：取指，译码，执行，回写。我们假设现在执行的指令是ADD R0, [6]，表示把通用寄存器R0的内容和地址为6的存储单元的内容相加，运算结果更新到R0中。

1. 取指（Fetch）：控制器发出控制信号，将PC寄存器中的内容通过内部总线传递到MAR中。MAR将存储的地址通过地址总线传到存储器的MAR中。与此同时，控制电路会在控制总线上发出相应的控制信号（READ）到存储器的控制逻辑单元，代表这次访问存储器的操作是要读数据。存储器通过地址译码器查找到对应存储单元的内容，并将此内容送到存储器的MDR。然后存储器的控制逻辑单元通过控制总线发送控制信号（READY）给CPU。同时MDR的数据通过数据总线送到CPU的MDR上。然后MDR中的内容通过内部总线传递到IR中。最后PC计数器更新为下一条指令所需要访问的地址。到此，取指阶段完成。

2. 译码（Decode)：当前IR寄存器中的指令被送到指令译码器，译出这是一条“ADD R0, [6]”的指令）。这时发现其中一个操作数[6]还在存储器中，因此把要取的地址（0110）放到MAR中，随后的过程类似于第1步，取回来的数据放到MDR上。然后由于后面要进行ADD的操作，因此把两个操作数放到ALU的暂存器处，即R0的数据放到X，MDR的数据放到Y，这样计算所需的操作数就准备好了。

3. 执行（Execute)：在控制电路的控制下，ALU就会进行运算，将X和Y的内容执行加法，结果写到Z。

4. 回写（Write-back)：将运算结果写入到通用寄存器或存储器。对于这条指令是写到R0上，那么控制电路会给出控制信号，把Z的结果通过内部总线传递到R0上。

5. 计算机的输入输出

前面的模型我们只讲到了运算器，控制器和存储器，本节我们引入另外两个部分：输入输出设备。毕竟如果没有输入输出设备，即使我们的cpu再强大，也没什么用。

现在我们考虑在模型机上加上输入输出设备，这里我们添加一个简化的输入输出设备——输入通过手动开关控制，输出通过小灯泡表示。这就是第一台微型计算机牛郎星8800所用到的输入输出设备。

现在我们把这样的输入输出设备接到我们的模型机上。我们可以设想这是一个类似于存储器结构的输入输出芯片，它内部有2个存储单元，每个单元都有自己的地址。这里设定的地址是1110和1111，和存储器里的地址都不相同，因此可以相互区分。

那么这个输入输出设备是如何和计算机的其他部分交互的呢？和存储器类似，也是通过系统总线相连。下面我们通过输入，输出两个简单场景来理解这一过程。

输入的简单场景：CPU通过地址总线发送要读取的地址（1111），地址总线上会有简单的分流逻辑，判断当前访问的对象是输入输出设备而不是存储器。同时控制电路通过控制总线发送READ信号，表示此次操作为一个读操作。然后和之前的指令执行过程类似，1111地址的内容11100000通过MDR返回给数据总线。

输出的简单场景：CPU通过地址总线发送要写入的地址（1110），同时控制电路通过控制总线发送WRITE信号，表示此次操作为一个写操作。然后11001100通过数据总线传送给输入输出设备的MDR，再写入到1110存储单元的位置。

6. 冯·诺依曼结构和具体实现

现在我们对冯·诺依曼结构已经非常熟悉了，包括五个部分: 运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备。

那这样原理性的框图和现代计算机的具体实现是如何对应的呢？以个人计算机为例，CPU代表的是运算器CA和控制器CC，主存（也常称为内存条）代表存储器M。那么CPU是如何获取指令并开始执行的呢？这块主板上采用的是个人计算机上长期占据主导地位的南北桥结构。CPU对外连接的一块芯片叫做北桥，CPU想要访问主存，就得通过北桥芯片。但这里我们还要注意，计算机刚启动的时候，主存里面是没有信息的，因为当计算机断电之后，主存的信息都会丢失。那在系统启动之后，CPU从哪里获取指令呢？我们可以看到北桥下方还有一块比较大的芯片，它就是南桥，南桥内部集成了很多输入输出设备的控制器，其中包括BIOS芯片，这个芯片存储容量很小，会保存一段比较简单但是十分重要的程序，包括检查主板上有哪些设备（显卡，键盘等），是否工作正常，这颗芯片是一颗只读存储器，当系统断电之后，只读存储器中保存的信息是不会丢失的。所以当CPU启动后，CPU可以依次通过北桥，南桥来访问BIOS芯片，从里面取得指令。

整个南北桥的结构在现代计算机的演进中发生着快速的变化。下图和上图是同一个结构，图中红色的箭头代表传输压力大，为了减少性能瓶颈，南北桥的结构发生了一些演变。

首先，北桥中的主存控制器被移到了CPU芯片当中，这样CPU就能直接访问主存而不需要通过北桥，这样可以大大提高数据的传输率，进而提升系统的性能。现在，显示的这条通道就成了下一个要解决的问题。

因此在最新的个人计算机的CPU设计中，不仅包括了主存控制器，还包括PCIe控制器，可以直接连接显卡。这样北桥中最重要的部件都被集成到了CPU中，这样北桥就没有存在的必要了。将北桥中剩余的一些功能和南桥整合到一起之后，所谓南北桥的架构其实已经消失了，整个个人计算机的主板由3片式的架构缩减成了2片式。由于没有了北桥，南桥这个名字也显得有些奇怪了，所以它现在往往有一些不同的名字（如PCH）。现在CPU直接连接了主存和显卡，还与原先的南桥直接相连，这样就将原先通过主板的复杂的通路大多移到了芯片的内部，而芯片内部的数据传输率是远远高于主板的，这样就大大地提升了系统的性能。