1.1.2 冯诺伊曼架构

现在让我们想象自己还活在 1930 年代，今天电脑还没有出现。人们想要把计算过程自动化，研究员们想出了各种法子来达到目的。常见的例如 Church 的 Lambda 演算或者图灵机器。这些都是典型的抽象机器，描述了假想的计算机形式。

很快一种机器就变成了主流：冯诺伊曼架构的计算机。

计算机架构一般会描述一台机器的功能，组织和系统的实现。相比计算模型来说是较高层级的描述，而后者则重点都在各种细粒度的描述上。

冯诺伊曼架构最关键的进步有两点：一是其鲁棒性(要知道这是一个电子元件非常不稳定而且快速损坏的世界)，二是其编程的简易性。

简单来说，这是一台包含了一个处理器和一个内存“银行”，且被连接到一个通用的总线上的计算机。中央处理器(CPU)可以执行指令，这些指令是用控制单元(control unit)从内存中获取到的。计算逻辑单元(ALU)的职责则是进行计算。内存里除指令之外还会存储数据，参见图 1-1 和图 1-2。

下面是该架构的几个核心特性：

• 内存只存储 bit (一个信息单元，取值范围是 0 或者 1)
• 内存既存储编码后的指令，也存储需要操作的数据。从表现形式上没有办法区分数据和代码：因为二者皆是以 bit 串的形式存储
• 内存以单元进行组织，这些单元以其相对位置进行自然标记(e.g. 单元 #43 跟在单元 #42 之后)。索引是从 0 开始，单元的大小不一(冯诺伊曼认为每一个 bit 都有对应的地址)；不过现代计算机实际上是以 byte (8 bit) 作为内存单元大小的。因此，第 0 个字节指向的位置也是内存中的最前面 8 个 bit 的内存
• 程序由指令组成，指令是一条一条按顺序获取。指令的的执行也是按顺序进行，除非有 jump 这样的指令被执行

图 1-1.冯诺伊曼架构--总览

汇编语言是处理器相关的一种特殊语言，汇编语言对每一条具体的机器码都做了助记处理。有了汇编之后进行机器码的编程容易了很多，程序员不需要去记住那些二进制的机器码，而只需要知道其在汇编中的指令名字和参数就可以了。

需要注意，指令之间的参数，大小和格式都可以彼此不同。

架构并不总会对精确的指令进行定义，而不像计算模型。

常见的现代计算机就是从传统的冯诺伊曼架构进化而来，所以我们就来研究研究现代的计算机和图 1-2 中的简单模型有什么样的不同。

图 1-2.冯诺伊曼架构---内存

■Note 内存状态和寄存器的值完整地描述了 CPU 的状态(从程序员的视角来看)。理解一条指令，需要同时理解其对寄存器和内存分别产生了什么影响。