一套用了 70 年的计算机架构 —— 冯·诺依曼架构

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前言

大家好，我是小彭。

上一篇文章里，我们讨论了可计算问题与图灵机的计算机模型。在理解了图灵机模型后，我们将从和图灵同时代的另一位计算机科学家提出的 “冯·诺依曼架构” 开始，正式开始计算机组成原理的核心内容。

那么，冯·诺依曼架构是怎样的结构呢，冯·诺依曼架构是基于图灵机的吗，我们现在用的手机和电脑还在使用冯·诺依曼架构吗？今天我们将围绕这些问题展开。

学习路线图：

1. 计算机的早期历史

在 1936 年，艾伦·图灵在论文《论可计算数及其在可判定性问题上的应用》^[2]中开创性地提出了计算机的通用逻辑模型 —— 图灵机模型。这一理论深刻地影响了第一代计算机科学家，更多能够实现计算功能的计算机被制造出来，图灵也因此被誉为 “计算机科学之父”。

随着计算机的元器件从继电器升级到电子管（也叫真空管），计算机也从 “机电” 时代进入到 “电子” 时代。第一台电子计算机一般认为是 ABC（ Atanasoff-Berry Computer），然而它与其他早期的计算机一样，都是 不可重新编程 的（参考资料上的用词是 “不可编程”，我认为 “不可重新编程” 更恰当）。一台计算机只能执行一个特定的程序，如果需要修改程序功能，就需要将整个计算器拆开，然后重新组装电路。

到了 1943 年，Colossus Mark I 计算机（巨人 1 号）在英国 Bletchley 公园（二战时的密码破译机构）被建造出来，以破解纳粹通信，好家伙一口气造了 10 台。Colossus Mark I 被认为是第一台可编程的电子计算机，编程方法就是使用大量的开关和插线板（PlugBoards）。 但 Colossus Mark I 并不是通用计算机，它只被设计用于执行密码分析相关的计算。

Colossus Mark I

—— 图片引用自 Wikipedia

直到 1945 年，John Mauchly 和 J. Presper Eckert 在美国宾夕法尼亚大学建造了 ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer，中译：埃尼亚克）， ENIAC 被认为是第一台可编程的通用电子计算机，也被认为是第一台现代意义上的计算机。 但是，ENIAC 和 Colossus Mark I 一样都使用插线板编程，虽然不需要拆掉整台计算机来重新编程，但是编程效率依然非常低，据说一个简单程序在 ENIAC 上编程最多要花费三个星期。

这对于早期异常昂贵的计算机来说，需要停机这么长时间来重新编程是无法接受的。人们迫切需要一种更高效更灵活的编程方式，有人开始研究 使用存储器来保存程序和程序处理的数据。 在 1944 年，ENIAC 的发明者之一 J. Presper Eckert 发明了一种基于水银管的存储器，这为后来的存储程序概念提供了实现基础。

ENIAC

—— 图片引用自 Wikipedia

在建造 ENIAC 的同时，Mauchly 和 Eckert 也在同步研究一种新设计 EDVAC，并向 John von Neumann（冯·诺依曼）提出咨询。冯·诺依曼也参与到 EDVAC 项目中，并且写了一份著名的内部文档 《First Draft of a Report on the EDVAC》^[3] ，详细阐述了 “存储程序计算机（Stored-program Computer）” 的概念，这就是后来人们所说的 “冯·诺依曼架构”。

后来，他们在 1947 年对  ENIAC 进行诸多改进，ENIAC 也成为了世界上第一台存储程序计算机。而 1948 年建造完成的 Manchester Baby 则被认为是世界上第一台基于冯·诺依曼架构的通用计算机。从 Baby 到现在 70 多年的时间，所有的单片机、PC 电脑、智能手机、服务器依然在遵循这一计算机架构。现代所有的计算机科学上的发展都是在软件和硬件能力上做优化，根本上的计算机架构依然没有改变。 冯·诺依曼也因而被誉为 “电子计算机之父”。

2. 冯·诺依曼架构 —— 电子计算机的实现结构

2.1 什么是冯·诺依曼架构？

冯·诺依曼架构（Von Neumann Architecture） 是冯·诺依曼和其他人提出的电子计算机通用架构。冯·诺依曼架构将通用计算机定义为以下 3 个基本原则：

• 1、采用二进制： 指令和数据均采用二进制格式；
• 2、存储程序： 一个计算机程序，不可能只有一条指令，而是由成千上万条指令组成的。指令和数据均存储在存储器中，而不是早期的插线板中，计算机按需从存储器中取指令和取数据；
• 3、计算机由 5 个硬件组成： 运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。在最开始的计算机中，五个部件是围绕着运算器运转的，这使得存储器和 I/O 设备之间的数据传送也需要经过运算器。而现代计算机中，五个部件是围绕着存储器运转的，这使得存储器和 I/O 设备可以直接完成数据传送，而不需要经过 CPU。

冯·诺依曼架构

—— 图片引用自 Wikepedia

在冯·诺依曼架构之前还有一个哈佛架构，现在说的比较少。两者的区别在于冯·诺依曼是将指令和数据存储在同一个存储器的不同位置，存在争用问题；而哈弗架构将指令和数据存储在不同存储器中，规避了争用问题，与 CPU L1 缓存将指令和数据分离的思想类似。

2.2 冯·诺依曼瓶颈

冯·诺依曼瓶颈的概念最早由 John Backus 在 1977 年的图灵奖领奖演讲中提出：由于 CPU 和存储器之间共享同一个系统总线，并且 CPU 和存储器之间存在巨大的速度差，导致 CPU 需要不断地被迫等待数据读取或写入到存储器，因此遏制了 CPU 的吞吐量 （关于总线系统，我们后面会专门讲）。

要从根本上解决冯·诺依曼瓶颈，还是只能重新构建一套新的计算机体系，例如生物计算机、量子计算机。不过，目前它们都还处在非常原始的阶段。现代计算机体系只能采用优化策略来减弱冯·诺依曼瓶颈的影响，这些内容我们后面都会提到，例如：

• 1、增加一个位于 CPU 和主内存之间的高速缓存
• 2、将指令缓存和数据缓存分离
• 3、CPU 分支预测
• 4、将存储器集成到 CPU 芯片内部，以减少内存访问（SoC 芯片）

相关文章：

• 计算机的存储器金字塔长什么样？^[4]
• 我把 CPU 三级缓存的秘密，藏在这 8 张图里^[5]

3. 总结

如果说图灵机描述的是计算机的抽象模型，那么冯·诺依曼架构则是对图灵机这个抽象模型的实现架构。 冯诺依曼架构确立了现代电子计算机的基础和结构，学习计算机组成原理，其实就是学习和拆解冯诺依曼架构。计算机组成原理怎么学，我们下回说。关注我，带你了解更多。

参考资料

• Von Neumann architecture^[6] —— Wikipedia
• Von Neumann Bottleneck^[7] —— Wikipedia
• Harvard Architecture^[8] —— Wikipedia
• Stored-program Computer^[9] —— Wikipedia
• EDVAC^[10] —— Wikipedia
• EDIAC^[11] —— Wikipedia
• Delay-line memory^[12] —— Wikipedia
• Colossus Computer^[13] —— Wikipedia
• Manchester Baby^[14] —— Wikipedia

参考资料