电脑硬件入门——基础之计算机架构

谈电脑硬件的文章很多，但一般是从电脑有哪些配件说起。这篇文章我尝试从架构方面来阐述，希望更有助于萌新对电脑的各种配件的作用进行理解吧。

1、冯·诺依曼架构^[1]

现代计算机，常见的有两种架构，其中一种是冯·诺依曼架构。先看图：

想象一下我们在做数学考试：

输入设备就是考卷，题目都在卷子上。同样的计算机要计算哪些数据，怎么计算，都来自于输入设备。
内存就是草稿纸，我们会把要计算的题目抄写到草稿纸上，用草稿纸记录计算的中间过程。同样的，计算机要把来自输入设备的数据，以及要怎么计算这些数据的指令，从输入设备载入到内存中，并且把每一步计算的结果写入到内存。
运算单元是计算器，我们用计算器来计算每一步的加减乘除。同样的，计算机有专用的运算单元，来计算数据。（假设这次数学考试允许带计算器）
控制单元就是我们自己了。我们根据试卷上的算式，来决定第一步是算乘法还是加法，乘法是哪两个数相乘，加法又是哪两个数相加。
输出设备就是答题卡。我们计算完一道题后，需要把草稿纸上的结果抄写在答题卡上。
其中，我们自己+计算器的组合，在计算机里面是同一个设备——CPU（Central Processing Unit，中央处理器）。

2、哈佛架构^[2]

另一种计算机架构，是哈佛架构。先看图：

可以看出来，哈弗架构和冯·诺依曼架构最大的不同就是内存分为独立的指令内存和数据内存。这个怎么理解呢？我们换个例子，假设我们毕业了，现在的工作是一名会计。我们的工作是根据一份财务报表制作指南，对账本上的数字进行计算各种指标，制作财务报表。

哈弗架构中指令内存中存放的，就是这份制作指南，告诉我们财务报表上的每一个指标要怎么计算；数据内存中存放的，就是我们计算指标需要用到的账本上的数据。当我们计算报表上的某个指标的时候，如果我们发现手上的账本没有相关的数据，我们可以先根据指南计算报表上的其它指标，让其它同事帮忙去找相关的账本，不用停下来浪费时间。

所以，和冯·诺依曼架构相比，哈佛架构因为指令内存的读取和数据内存的读写分开，一定程度上可以保证指令的连续性，不会因为需要访问内存上的数据造成指令堵塞。

3、改进型哈佛架构^[3]

那么我们现在的计算机，到底是那种呢？其实是这两种架构的混合体。对于一台计算机的整体来说，我们可以认为是冯·诺依曼架构，计算机中的内存是统一的，并没有明确分为指令内存还是数据内存。

但是现代计算机中，相对于CPU的速度来说，从内存读取数据和写入数据都很慢的，因此CPU内部有另外一种速度更快的存储介质来存放数据和指令，我们称之为缓存（Cache）。打个比方，存储在内存中的数据就是我们书包里面的书，在缓存中的数据就是放在桌面上的书。我们要看一本书，需要把书从书包里面拿出来，放到桌子上摊开才能看。但是桌子的大小是有限的，我们只能在桌上摊开两三本书，更多的书我们只能放到书包里面。现代计算机中缓存通常有多层，每一层都比下一层快，但比下一层可以存放的数据少。如下图：

在内存(Main Memory RAM)之上，有三层CPU内部缓存(Cache)

而CPU内部，控制单元和运算单元直接访问的缓存，我们称之为一级缓存（Level 1 Cache，L1 Cache）。现代CPU的一级缓存，都是分为一级指令缓存、一级数据缓存两部分，这个可以通过CPU-Z检测软件看出来。所以事实上我们可以认为现代计算机，其真正的架构是哈佛架构。

Intel i9-9900K的CPU-Z检测结果

从上图红框内容可以看到，Intel的i9-9900K，一共有8个核心，每个核心有32KB的一级数据缓存，32KB的一级指令缓存；每个核心有256KB的二级缓存，不再分为指令缓存还是数据缓存；整个CPU还有一层16MB的三级缓存。

这样的架构，称之为改进型哈佛架构。

4、丰富多样的输入/输出设备

前面提到的输入、输出设备有很多种具体的设备，最常见的输入设备有：

键盘：我们通过键盘向计算输入各种指令和数据。
鼠标：我们通过鼠标告诉计算机，在计算机显示出来的图像中，我们想对哪个元素进行什么样的操作。
硬盘：计算机运行存储在硬盘上的各种程序，对存放在硬盘上的各种数据进行计算。
网卡：我们可以直接执行来自于网上的程序，也可以直接对网上的数据进行计算。

除此之外，还有很多其它专用的输入设备，例如麦克风、摄像头、扫描仪、视频采集卡、各种传感器等等。

比较常见的输出设备有：

显示器：计算机把处理结果显示出来给我们看。
硬盘：我们把处理完毕的数据存放到硬盘上。
网卡：我们把处理完毕的数据传到网上。
打印机：把处理完毕的结果打印到纸上。

除此之外，还有其它专用的输出设备，例如音箱、各种控制器。

可以看到，上面的输入/输出设备中，像网卡、硬盘都是同时作为输出设备和输入设备存在的，而其它即使看上去是纯粹的输入设备，绝大部分都会需要接受CPU输出的控制指令、工作参数输入；纯粹的输出设备，也需要向CPU报告设备信息（例如设备类型、型号，工作状态等），所以统称为IO设备（Input/Output Devices）或者输入输出设备。