虚拟世界的创世哲学——冯诺依曼体系

越是我们习以为常的事情中，可能往往蕴藏着伟大的哲学，越是简单的事情当中，可能往往蕴藏着巨大的智慧。

今天我们就来讲一讲支撑起整个计算机虚拟世界，支撑起整个互联网，支撑起我们耳熟能详的腾讯，阿里，微软，谷歌这些互联网巨头的基础——冯诺依曼体系。

我们一起看看它有多简单，但同时又是多么的伟大，一起感受其中的哲学。

冯诺依曼体系是什么

我们现在常说，有两个世界，一个是现实世界，一个是虚拟世界，现实世界是大自然的产物，是造物主的杰作，它自带无穷无尽的规律，比如同性相斥，异性相吸，万有引力，光速不变等等。但是这些规律不是我们制造的，只是我们发现的。

而虚拟世界不同，我们就是虚拟世界的造物主，虚拟世界的规则是我们制定的而不是发现的，而这个世界最基础的规则之一就是冯诺依曼体系。

当我们去审视整个信息科技时，仅把它形容为一座大厦显得如此不贴切，甚至你也不能用“一个城市”去形容它，事实上，它更像是一个无中生有的全新世界：是冯诺依曼体系从虚无中造出了虚拟世界。

用道家的话“道生一，一生二，二生三，三生万物”，这个冯诺依曼体系就是这个道，我们平时所接触的具体的信息时代的产物就是这个万物。

为解决一切问题而生

冯·诺依曼体系结构的迷人之处在于，从需求来说，它想解决一切问题。解决一切可以用“计算”来解决的问题。这是一个多么伟大的而又令人着迷的出发点。

“计算”的边界在哪里？今天我们还没有人能够真正说得清。计算能不能解决“智能”的问题？通过计算能力，计算机是否终有一天可以获得和人类一样的智能？

今天人工智能热潮的兴起，证明对于这个问题我们很乐观：计算终将解决智能的问题。尽管我们不能确定什么时候能够达到，但是让人欣慰的是，我们一直在进步 —— 如果人类智能无法完成进一步的进化，那么我们就一直一直在前进，最终无限逼近甚至超越人类智能。

冯诺依曼体系的规格

为了实现“解决一切可以用‘计算’来解决的问题”这个目标，冯·诺依曼引入了五类基础零部件：

• 运算器

• 控制器

• 存储器

• 输入设备

• 输出设备

中央处理器就是我们平时所说的CPU，它内部集成了运算器，控制器，等等，

冯诺依曼体系中的存储器指的是我们CPU可以直接读取的存储器，指的是内存，分为两部分，RAM和ROM，其中ROM是只读的，也就是出场后就不能改了，一般用于存储我们的BIOS，也就是我们按下开机键，CPU就会从这里读取系统启动程序，RAM则是我们平时所说的内存，比如电脑卡了你会说内存不够了，其实指的就是这个RAM。

而输入输出设备就是我们平时的鼠标键盘显示器等等，不过要注意一点，那就是我们的硬盘，U盘，其实对于冯诺依曼体系而言，并不是存储器，而是输入输出设备。

冯诺依曼体系是如何解决一切问题的

这一部分内容涉及到了软件开发领域的另一个核心问题，需求分析。

但这个问题的解决思路并不仅仅适用于软件开发领域，它的思路更像是哲学，一种信息时代的哲学，也就是遇到一个问题，我要怎么分析出它的解决方案。

比如现在，我的需求就是，我需要一种机制，可以解决一切问题（现在是不是更加感受到冯诺依曼体系的伟大之处？从无到有，并且能解决一切，所以说它从虚无中创造了虚拟世界）。

让我们一起分析一下。

首先，需求可以大致分为两部分，一部分是变化的需求，另一部分是稳定的需求。

对于这个问题，需求的变化点在于，要解决的问题是五花八门包罗万象的。如何以某种稳定但可扩展的架构来支持这样的变化？而另一方面，需求的稳定之处在于，电脑的核心能力是固定的，怎么表达电脑的核心能力？

我们取个巧，我们都知道电脑又叫计算机，它的核心能力是什么？就是计算。

什么是计算？就是针对一个输入进行变化，变为另一个输出，就像我们数学中的函数一样，实际上我们平时编码的东西也叫作函数。

到这里，我们分析出来了，我们需要一个计算的地方，就称之为运算器。

接下来，第二个问题，我们函数的输入和输出可以是任何数据，文本，图片，视频，等等，对于计算机而言，它们都是二进制，只不过我们通过一系列手段赋予了二进制特殊的意义，比如110…110这段二进制，让记事本读取就是一段文本，让爱奇艺读取就是一段视频。

我们可以把函数抽象为：

y = F(x)

第二个问题来了，x，y在哪里，这个问题就引申出了存储器的设计。

然后就是F是如何表达的，F是否能表达一切，就是是否能解决一切的关键。

逻辑上来看，无论多复杂的自定义函数，都可以通过下面这些元素的组合来定义：

• 内置函数，比如整数或小数运算（加减乘除、sin/cos 等）；

• 循环和条件分支；

• 子函数（也是自定义函数）。

这样一来，对于任意的一个具体的计算（自定义函数）来说，都可以用一组指令序列来表达。

那么函数 F 物理上在哪里？以指令序列形式存放在存储里面。所以，存储不只存放计算所要操作的数据，也存放“计算”本身。

而这也是冯诺依曼体系的伟大创举，因为在此之前，函数是没法存储在之前的计算机体系中的。

只是，存储里面存放的“计算”只是数据，需要有人理解并执行这些数据背后的计算行为，才变成真正意义的“计算”。这个执行者，就是中央处理器（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，而这就需要用到了控制器，帮助我们去执行存储的指令。

只是如果电脑只有“中央处理器 + 存储”，那它就如同一个人只有头脑而没有四肢五官，尽管很可能很聪明，但是这种聪明无法展现出来，因为它没法和现实世界发生交互。

交互，抽象来看就是输入和输出。对人来说，输入靠的是五官：眼睛看、耳朵听、鼻子闻、舌头尝，以及肌肤接触产生的触觉。输出靠语言（说话）和各种动作，如微笑、眨眼、皱眉、手势等等。

输入设备可以是鼠标键盘，也可以是触摸板，摄像头，等等，只要信息是向计算机流的，就算是输入设备。

输出设备可以是屏幕，音响，也可以是灯光，打印机等等。

也就是说，除了纯正的“计算”能力外，中央处理器还要有“数据交换”能力（或者叫 IO 能力）。最终，电脑可以被看做由 “中央处理器 + 存储 + 一系列的输入输出设备” 构成

输入输出设备从根本上解决的问题是什么？是电脑无限可能的扩展能力。

总结

我们为了从虚无中创造一个世界，那就必须让这个世界有能力去解决一切问题。

要解决一切，就要将所有问题抽象为最基础的几个问题，这几个基础的问题就是稳定的地方，而变化的地方在于，如何用这几个简单的问题组合出丰富的世界，去描述丰富的世界

解决一切问题的方法就是将问题抽象为一个个函数y=F(x)。

这就类似于现实世界我们要解决一个问题，就要知道我们有什么，这就是x，我们要什么，这就是y，F就是我们如何利用已有的去获得想要的。

现实世界的x，y都有自己的物质载体，虚拟世界也要有，于是就有了存储器。

现实世界的F是我们的做事方法，这个方法可能是很多的小步骤去组合完成的，在虚拟世界，这些小步骤就是简单地加减，我们需要运算器去做这些事，而我们需要有顺序地去做这些事，于是需要控制器。

最终，为了让我们的表达能力更丰富，我们需要更加丰富多彩的输入输出设备，来描述我们的世界，描述我们不同的问题，是输入设备将现实世界的信息转化为二进制交给了存储器，CPU从存储器读取二进制计算，然后再返回给存储器，最终输出设备讲这些二进制再解释为现实世界的信息。

整个问题不仅仅是冯诺依曼体系，还包括如何进行需求分析。