7、探索计算机架构：从基础到Hack计算机实现

探索计算机架构：从基础到Hack计算机实现

1. 计算机架构基础

计算机的显著特点是其惊人的通用性，这得益于存储程序概念。20世纪30年代，多位科学家和工程师独立提出该概念，它被视为现代计算机科学的深刻发明甚至基础。计算机基于固定硬件平台执行简单指令，这些指令可组合成复杂程序，且程序代码像数据一样临时存储在计算机内存中，形成软件。同一硬件平台加载不同程序可表现出不同行为。

存储程序概念是抽象和实用计算机模型的关键元素，如图灵机（1936）和冯·诺依曼机（1945）。图灵机主要用于理论计算机科学分析计算的逻辑基础，而冯·诺依曼机是构建现代计算机平台的实用模型。

冯·诺依曼架构基于中央处理器（CPU），与内存设备交互，从输入设备接收数据并向输出设备发送数据。其核心是存储程序概念，计算机内存不仅存储数据，还存储指令。

计算机的内存可从物理和逻辑角度讨论。物理上，内存是可寻址的固定大小寄存器的线性序列，每个寄存器有唯一地址和值。逻辑上，地址空间用于存储数据和指令，“指令字”和“数据字”都以位序列实现。访问特定内存寄存器时，提供其地址即可立即访问其数据，这就是随机访问内存（Random Access Memory）的要求。内存可分为数据内存和指令内存，在不同的冯·诺依曼架构变体中，它们的分配和管理方式不同。

数据内存用于存储高级程序中的抽象数据，如变量、数组和对象。在硬件层面，这些抽象数据通过内存寄存器中的二进制值实现。指令内存则存储程序的二进制指令，在程序运行前，需将其从大容量存储设备加载到计算机的指令内存中。

中央处理器（CPU）负责执行当前运行程序的指令，每个指令告诉CPU执行何种计算、访问哪些寄存器以及下一步要获取和执行的