冯诺依曼体系结构_转创国际教育

一.冯诺依曼体系结构的主要组成部分

当代的计算机，本质上都是一堆硬件的集合（CPU、内存、磁盘、显卡等），这些硬件并不是毫无章法的堆放在一起，而是以冯.诺依曼体系结构来构成计算机的基本单元。

在这里插入图片描述

1.输入设备 & 输出设备

在计算机中，都是以二进制形式进行交互，我们是无法直接与内存或者CPU交互的，所以需要有输入设备，而计算机将数据处理之后，也是二进制形式，所以也有了输出设备。

输入设备：键盘、鼠标、摄像头、磁盘、网卡等

输出设备：显示屏、音响、磁盘、网卡等

这两个都是属于计算机的外设。

2.存储器

一般来说，存储器指的是内存和外存，但是对于CPU而言，类似于磁盘、U盘这样的外存，是属于输入输出设备的，所以这里的存储器指的是内存。

3.运算器 & 控制器

在计算机，我们从外设将输入导入到内存中，然后再由运算器对我们的数据进行计算（算数运算、逻辑计算）

而什么时候将数据写入存储器，再又什么时候将数据导入中央处理器，或者又什么时候将处理完毕的数据传给存储器，再由存储器交给输出设备，这些过程都需要有硬件来进行控制，而控制器就是做这些工作。

这五大单元都各种有着各种的功能，都是独立的个体，然后用系统总线或I/O总线连接起来让其能交互，这就是冯.诺依曼结构的主要组成部分

二.为什么这么设计

在这里插入图片描述

通过存储器金字塔可以看出，离cpu越远，存储的容量越来大，效率越来越低，我们的输入输出设备，就处于金字塔的底层，他们的效率和cpu的效率完全不在一个级别，如果让他们直接和cpu交互，那势必会拖慢cpu的效率，从而我们计算机的整体效率就会以输入输出设备为主了，导致计算机的效率就会十分低下。

在此情况下，引入了一个比输入输出设备快，比cpu稍慢的内存，让输入设备先把数据读取到内存当中，然后cpu再从存储器拿数据，运算器将数据处理完毕之后，在交给存储器，最后再由存储器交给输出设备。那这样就能适配硬件层面上cpu和外设的速度差。

如果没有存储器，cpu直接对接输入输出设备，这种工作方式就是串行，一个环节影响着一个环节

有了存储器之后，数据可以预加载到内存中，要计算的时候就直接去内存拿数据即可，那这样就能加载数据和计算数据并行，从而在一定程度上提高效率。在这个过程中，存储器可以看成一个硬件级别的缓存空间。

那为何不将所有的存储设备造成寄存器级别的呢？

这在理论上可行，但势必会将计算机的造价变得十分高，过高的价格，那就不会被普及，不便于计算机的整体发展。有了内存的存在，就能以较小的成本，造出满足我们日常需求的计算机。

这就好比我们现在开的小汽车，基本就是烧油或者电驱动，这些每隔一段时间就要加油或者充电。要是用上核动力，那岂不美哉？那为何不普及呢？

这在技术层面是可以实现的，但是成本巨大，安全性不高，不利于小汽车的普及。

有了上述理论知识，就可以理解为什么程序要运行，必须先从磁盘加载到内存上当中

我们的代码在输入设备里面，要运行需要cpu的计算，这个过程就必须经过内存，这是冯诺依曼体系结构规定。

所有的软件都必须遵守硬件结构，硬件属于计算机下限和边界，软件是上限，不管软件多牛，都得遵守规定！

三.现实案例

假设我们使用微信和别人聊天，这整个数据是如何流动的呢（不考虑网络和软件）？

这两台计算机，都是冯诺依曼体系结构，所有可以看作两个冯诺依曼体系结构交互。

在这里插入图片描述

当我们要给对方发信息的时候，这时候的输入设备就是键盘

输入的内容加载到内存，发送的消息里面不仅仅有消息，还有是谁发送的消息、发送消息的时间等，这些数据经过cpu打包计算之后再写回内存，最后发送在输出设备里面。

这里的输出设备不仅仅是显示器，本质上是发送到了网卡当中，显示器只是顺便的

这样我们的消息就发送出去了，那这时候，对方的输入设备就是网卡，输入设备将数据加载到内存，经过cpu的处理（解包、解压）再返回内存，最后由内存发送给输出设备，这时候对方就能看到我们所发送的消息

再假设，我们平时可能要发送一些文件给对方，这个文件是存储在磁盘当中，当我们拖拽这个文件发送的时候，这时候的输入设备就是磁盘

再经过这个体系发送给对方，当对方收到之后，这个文件并不是打开的，只是有一个图标，需要对方接收下载才能查看

如果对方当时并没有接收，第二天才接收，这时候这个文件还是存在的，这说明这个文件并不是在内存或者cpu，因为内存或者cpu属于掉电易失性存储。所以这个文件其实是在我们的磁盘上，这时候磁盘就属于输出设备

这整个过程，就是冯诺依曼体系结构