软硬件融合技术内幕 基础篇 (1) —— 小霸王学习机能当服务器吗？

在上期，我们研究了鹿晗和黄子韬如何在小霸王学习机里面化身超级战士“魂斗罗”打败外星人，拯救地球，也打开了一段尘封已久的回忆。

话分两头，某军事论坛由于经常故障无法登录，被网友们嘲讽为使用小霸王学习机做服务器。那么，实际上如果真的使用小霸王学习机作为服务器，会怎么样呢？

在不懈的努力之下，方老师的学生小V搞到了一张小霸王学习机的电路图纸，如下图：

贴错图了，是这个图：

这张图太复杂啦，让我们简化一下：

图中的CPU和PPU的作用，在上一期已经进行了解释。CPU和PPU上各挂载了2KB的SRAM(静态RAM，和我们现在常见的DDR DRAM区别以后再讲)，分别作为主运行内存和显存。

在CPU的地址总线和数据总线上还挂着ROM，也就是游戏卡里面的黑色芯片。

出于成本考虑，小霸王学习机是没有磁盘系统的，运行的程序烧写在ROM里面。同样，由于降成本的要求，小霸王学习机的系统资源非常紧张，无法运行操作系统 (哪怕是最简单的uC-OS这样的操作系统)，系统复位后会从ROM固定的地址读取程序指令开始运行。如果插入的游戏卡上的ROM内容是《魂斗罗》，那么系统运行的就是《魂斗罗》游戏。

此外，小霸王学习机还有键盘和游戏手柄等外部IO设备，用这些设备可以操纵游戏的角色。

我们再对比一下Intel V7服务器的内部框图：

这台服务器的处理器是两块Intel Xeon Scalable 3代 Gold 5318Y，每块处理器有24个物理内核，48个硬件线程 (Hyper-Thread，这个概念会在以后解释)。

每颗Intel Xeon Scalable 3代 CPU有8个DRAM通道，支持DDR4 DRAM标准，每个DRAM通道支持2个DRAM模组(大白话曰：内存条)，整机可支持32条内存，总计6TB RAM。

两颗CPU之间的通道叫做UPI(Ultra Path Interconnect)，可以让一颗CPU上的指令访问另一颗CPU上挂载的内存或其他PCIE、IO设备(实际上都是通过地址空间访问，这个问题以后会讲到)，也就是所谓的跨NUMA访问。

CPU对外设的标准接口叫做PCI-E接口。PCI-E是Peripheral Component Interconnect-Express的缩写，从1992年诞生以来逐渐改进，从并行总线演进为高速串行总线，目前的PCI-E 4.0标准支持单向32GB/s，双向64GB/s的传输。

我们知道，服务器实质上也是一台计算机。按照大前辈冯·诺依曼的理论，计算机除了控制器、运算器(在CPU内部)和存储器(也就是DDR内存)以外，还需要输入输出设备。服务器的输入输出设备有几种：

1. 系统盘，操作系统程序储存在系统盘中，启动时BIOS从系统盘的0扇区(MBR, Main Boot Record)读取并执行引导程序，引导程序再读取操作系统可执行文件，引导操作系统；
2. 数据盘，操作系统及应用的数据会利用数据盘进行存储(如TDSQL的索引文件和数据库文件)；
3. 键盘，鼠标，显示器等用户界面设备；
4. BMC(Baseboard Manager Controller，基板管理控制器)，用于对服务器进行远程管理，即使服务器的CPU/RAM等关键部件故障，BMC也可以监控这些组件的状态并上报给远程管理员；

在出现NVMe技术以前，所有的系统盘和数据盘分为两种接口。一种是SATA接口，经过IO Hub(俗称南桥)，再经过PCI-E总线，挂载到CPU上，另一种是SAS接口，需要经过HBA控制器，再经过PCI-E总线，挂载到CPU上，如下图所示：

而在NVMe技术出现后，可以直接将SSD固态盘通过PCI-E总线挂在CPU上：

我们在前期也给大家解析过NVMe技术，链接在此：《云存储技术硬核内幕(33) ——旧制度与大革命》

此外，键盘、鼠标和BMC等外设也都挂载在南桥芯片上。

显示器接在哪里呢？

由于Intel Xeon处理器没有集成Intel的核芯GPU，服务器是通过BMC芯片上集成的VGA控制器输出VGA信号的。出于成本考虑，服务器不会自带HDMI等高清显示能力，除非增加相关的GPU卡。

好了，让我们看一看现代的服务器和小霸王学习机的部件对比：

可见，现代服务器运行程序所依赖的硬件部件，在小霸王学习机里面都是具备的。

那么，小霸王学习机能不能真的充当服务器(如果能忍受缓慢的运行速度)呢？

答案是肯定的。

1936年，著名计算机科学家图灵发表了一篇论文《On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem》，在论文中提出了一个计算模型——图灵机。只要一台计算机能够实现图灵机的功能，也就是所谓的“图灵完备”的，就能够完成所有的计算任务。

由于小霸王学习机是图灵完备的，因此，它可以运行服务器所需要的指令(只是速度很慢)。

对图灵完备的解释是一个很有意思的话题，请看下期。