冯诺依曼

波函数坍缩 - 玻姆力学 专栏 https://zhuanlan.zhihu.com/c_186387023 来源 https://zhuanlan.zhihu.com/p/53193425 “Solipsism may be logically consistent with present Quantum Mechanics, Monism in the sense of Materialism is not.” “唯我论或许可以逻辑上能够与量子力学兼容，但是纯粹的唯物主义显然不能。” - 魏格纳 1956年，也就是伟大的爱因斯坦去世后的第二年，一个尚在攻读博士学位的学生，休.艾弗莱特（Hugh Everett）想到了一个问题：“现在的量子力学中，观察导致波函数坍缩。那么在薛定谔猫实验中，猫的观察到底有没有同样的功能呢？我们没有办法向猫求证这件事，因为猫没有办法告诉我们它的感受，但是如果是一个人呢？”于是，为了回答这个问题，他把薛定谔猫实验给改动了一下： 比如说，还是在薛定谔猫的实验中，为了便于对猫的监控，我们把一个朋友和猫一起关进盒子。当然，为了这个可怜的朋友免于被毒死的厄运，我们可以给他一副防毒面具。我们的朋友向我们保证，他绝不是一个动物保护主义者，在全部的实验过程中，他只在那儿静静地观察，不论猫死还是或，他都会保持冷眼旁观，而不会采取任何对实验的干涉行为。然后，实验开始了

现代计算机，大部分都是基于冯诺依曼体系结构， 冯诺依曼的核心是：存储程序，顺序执行 。所以不管计算机如何发展，基本原理是相同的。计算机程序实际上是告诉计算机做什么。 （1）冯诺依曼体系结构有以下特点： 计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示； 指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中； 顺序执行程序的每一条指令； 计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。 （2）冯诺依曼体系结构的计算机必须具有如下功能： 把需要的程序和数据送至计算机中； 必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力； 能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力； 能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作； 能够按照要求将处理结果输出给用 哈佛结构处理器有两个明显的特点：使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存；使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。 哈佛 结构是为了高速数据处理而采用的，因为可以同时读取指令和数据（分开存储的）。大大提高了数据吞吐率，缺点 是结构复杂 。通用微机指令 数据是混合存储的，结构上简单，成本低。假设是哈佛结构：你就得在电脑安装两块硬盘 ，一块装程序，一块装数据，内存装两根，一根储存指 令 和 ， 一根存储数据 文章来源

　　我们现在日常所接触的计算机，几乎全部都是冯·诺依曼结构，都遵循着存储程序的基本原理。 那这些计算机的具体实现，和当年冯·诺依曼的设计方案有哪些区别和联系呢。 这就需要我们来对比分析了。 　　冯·诺依曼计算机的主要构成，我们现在已经非常熟悉了，包括运算器CA，控制器CC，存储器M， 输入设备I和输出设备O。 此外，还有在计算机外部的记录介质R。那这样原理性的框图和现在计算机的具体实现是如何来对应的呢。 　　我们还是拿个人计算机作为例子来进行讲解，在这块个人计算机的主板上， 可以插上CPU芯片，存储（我们也常称为内存条）再 接上硬盘，连上键盘，插上显卡，连上显示器， 最后再接上电源，这样就构成了一台可以正常运行的计算机。 那CPU对应的是运算器CA和控制器CC，主存对应的是存储器M。 这些我们已经比较清楚了，那CPU是如何获取指令，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。 所以CPU对外会连接的一块芯片，叫做北桥。 这是在主板上非常明显的一块芯片，CPU想要访问主存， 就得通过北桥芯片。但是我们还要注意，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从哪里获得指令呢？ 我们也可以看到北桥下方，还有一块比较大的芯片。 它就是南桥。 我们已经知道南桥内部，集成了很多输入输出设备的控制器

如果一开始就深入到计算机内部的复杂结构中，也许会让人有些迷惘。我们还是用一个轻松愉快的方式来入手。通过一个餐馆的小故事来了解冯诺依曼结构是如何运转的。 冯诺依曼结构的计算机就好比这个餐馆，CPU就是厨房，而主存就是仓库，仓库里的货架就好比主存当中的存储单元，我们为货架的每一格都编上了一个序号，相当于主存当中的地址，货架上存放的物品相当于存储单元当中的内容，主存中会存放着计算机的指令，还有数据，对于这个餐馆来说就是厨师需要执行的任务和做菜所用的原料，那厨房当中承担主要控制任务的就是这位大厨了，它也是控制器，而运算器则是炊具。那我们还需要一些附加的设备。这个厨师记性很不好，他必须要在身边 有一张纸，上面写着下一张任务单的位置，这里这张纸上写了1，厨师就知道我下一张任务单放在仓库的第一格，那么如果把任务单取回来以后还需要放在身边随时的查看所以他还可以有一个放置当天任务单的位置。如果取来了任务单就放在这。那厨师做菜，做完了菜放哪呢，不能直接端着锅冲到仓库去吧。所以他身边操作台上总得放几个盘子，相当于CPU当中我们就称这些盘子为通用寄存器。 用于临时存放计算器的运算结果或者要送到运算器的操作数。我们有可能从主存当中事先会取来一些操作数，当然也需要执行指令去取来一些操作数，先放到通用寄存器当中，那好这个餐馆是如何运转的呢？ 　　我们就让它像计算机的运转一样，计算机运转的核心内容就是执行指令

　　现在的计算机形态各异，但是究其本质，几乎全部采用了冯诺依曼结构，要了解计算机，首先要知道什么是冯诺依曼结构。当然，冯诺依曼结构的内涵是非常丰富的。在这一节，我们先来探究其中的一些要点。 　　要说冯诺依曼结构，我们就要从《EDVAC的报告草案》中说起。在冯诺依曼署名编写的这份报告中详细描述了EDVAC这台计算机的设计方案。从那之后一直到现在，绝大多数计算机都基于这个结构进行设计。这样的结构就被称为冯诺依曼计算机结构，简称冯诺依曼结构。这份报告主要论述了两个重要的思想： 　　第一，控制计算机的程序应该存放在存储器中，而不是有开关连线来实现。开关连线会大大降低计算机的运行效率； 　　第二，计算机应该采用二进制，而不是十进制。十进制的的方式会导致计算机的内部结构变得异常的复杂。 这份报告还明确了计算机的内部结构应该有五个部分组成。包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。我们想要了解这五个部分的含义，不妨先来看一个小例子。让我们跨越到70年代。在1971年，诞生了世界上第一个商业微处理器。Intel4004，它的面积很小。采用了10微米的制造工艺。内部晶体管2250个，主频最高740KHz，字长是4位。那么跟今天相比，它的各项指标都显得非常落后了。现在的微处理器制造工艺已经达到了10纳米这个量级，晶体管数量甚至可以达到数十亿。而主频也提高了几千倍。字长现在常用的是64位或者32位