解剖“冯·诺依曼体系结构”

第94篇

极客时间《许式伟的架构课》课程笔记。

解剖架构的关键点

解剖架构的关键点，就是如何分析架构设计中涉及的每一个零部件，即当设计或分析一个零部件时，更关心哪些问题。

1、需求

• 零部件的作用是什么？
• 能被用来做哪些事情？
• 不会被用来做哪些事情？

2、规格

• 规格是零部件的连接需求的抽象
• 零部件的接口是什么样？
• 如何与其他零件连接在一起？

冯·诺依曼体系的需求

• 冯诺依曼体系结构是整个信息科技的地基
• 它的需求是解决一切可以用“计算”来解决的问题
• 计算终将解决智能的问题，只是不能确定什么时候达到

冯·诺依曼体系的规格

包含3类基础零部件：中央处理器、存储、输入输出设备

1、存储

• 负责存放计算涉及的相关数据，作为计算的输入参数和输出结果
• 存储可简单分为两类：一类是内置支持的存储，通过常规的处理器指令可直接访问。一类是外置存储，它们属于输入输出设备，中央处理器本身并不能直接读写其中的数据。
• 冯诺依曼体系中涉及的“存储”，指的是前一类，即中央处理器内置支持的存储

2、输入输出设备

• 计算机开放性的体现，可实现各类设备与中央处理器进行数据交换
• 数据交换涉及的数据格式由设备定义，中央处理器并不理解
• 设备数据交换的发起方（设备使用方）通常理解并可以解释所接收的数据含义
• 设备厂商或操作系统厂商通常把设备数据交换的细节隐藏，只需要调用相关的接口函数就可以操作设备，这些接口参数就是设备相关的驱动程序

3、中央处理器

• 负责程序（指令序列）的执行，指令序列存放在存储里面
• 中央处理器支持的指令包括3类：计算类（数学运算）、I/O类（读写数据）、指令跳转类

满足需求的过程

• 如何从零开始设计一个叫电脑的东西，目标是“解决一切可以用‘计算’来解决的问题”
• 需求的变化点：要解决的问题是五花八门包罗万象的；需求的稳定点：电脑的核心能力，“计算”
• 计算就是对一个数据（输入）进行变换，变为另一个数据（输出），在数学中我们把它叫“函数”，如y = F(x)
• x、y 是数据，它们可能是一个或多个或简单或复杂的数值，物理上都可以以一段连续的字节内容来表达
• x、y的物理位置如何表达？存储。就是存放计算所要操作的数据的所在
• F如何表达？自定义函数。无论多复杂，函数都可以通过【内置函数+循环和条件分支+子函数】的组合实现。F物理上以指令序列方式存放在存储里面
• 存储不只存放计算所需数据，也存放“计算”本身
• 谁来理解并执行这些数据背后的计算行为？中央处理器（CPU）。它支持很多计算指令，包括执行内置函数、循环和条件分支、执行子函数等
• 如何与现实世界进行交互？输入和输出。即定义好统一数据交换协议的各类设备
• 输入输出设备不仅仅可以交互，还显著提升电脑处理的数据体量，并且提供了无限可能的扩展能力
• 电脑= 中央处理器 + 存储 + 一系列的输入输出设备

电脑

架构思维总结

• 架构第一步是需求分析，抓住需求的稳定点和变化点
• 需求的稳定点，往往是系统的核心价值点
• 需求的变化点，则往往需要相应去做开放性设计
• 对于“电脑”，需求的稳定点是电脑的“计算”能力。需求的变化点，一是用户“计算”需求的多样性，二是用户交互方式的多样性