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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MARMemory Address Register存储器地址寄存器和MDRMemory 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IRInstruction Register指令寄存器PCProgram Counter程序计数器MARMDR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XMDR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。 那既然从3片缩减成了2片我们可不可以进一步缩减呢其实已经有人这么做了。这就是系统芯片的概念。
系统芯片System-on-a-Chip, SoC将计算机或其他电子系统集成为单一芯片的集成电路。 这是一个硬币大小的芯片但在这一颗芯片内部集中了冯·诺依曼结构的所有组件。所以我们可以用这样的芯片制造出非常小巧的计算机。这种计算机只有手掌大小但它的功能很完备并拥有丰富的外部接口与普通的计算机并没有什么差别。这样高集成度的优势就让系统芯片的技术广泛应用于智能手机/平板电脑等移动计算设备上。
那么原先计算机中那么多的芯片和板卡为什么能够集中到越来越少的芯片当中呢那就得说到一条著名的定律——摩尔定律当价格不变时集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍性能也将提升一倍。
