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冯.诺伊曼体系结构

为什么要有存储器(内存)

运算器和控制器

实例解剖

冯.诺伊曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。以及我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系结构。

冯诺依曼把计算机分为如下几个部分：

• 输入设备：键盘、话筒、摄像头、磁盘、网卡......
• 输出设备：显示器、音响、磁盘、网卡、显卡.....
• 存储器：指的就是内存
• 运算器+控制器(CPU、中央处理器)

为什么要有存储器(内存)

按照常规思路，计算机只要把数据通过输入设备交给CPU进行处理，处理完后再通过输出设备显示结果，整个过程中似乎并不牵涉内存，那为什么计算机中还要存在内存呢？？

下面我们将要从两个角度分析这个问题：

一、技术角度

• 在我们的CPU中存在寄存器，寄存器就是一些存储单元，并且其运算速度是非常快的，在我们计算机中：CPU运算速度>寄存器速度>L1~L3cache>内存>外设(磁盘)>光盘磁带。因此我们知道输入输出设备的速度相较于CPU来说是非常慢的，如果我们将数据通过输入设备交给CPU处理，并且处理后通过输出设备显示结果，那么就产生了木桶效应，大大降低了计算机的性能。

• 由此我们得知决定计算机性能效率的并非是CPU，而是由输入输出这两个外设决定的，这就导致了计算机的性能效率非常的差，所以我们不能只把外设和CPU进行对接起来，为了提高计算机性能效率，我们就在输入输出设备和CPU之间添加存储器来改变这一现状：

• 从数据角度看，外设不和CPU进行直接交互，而是和内存进行交互，CPU也是如此。添加完存储器这个媒介后解决效率低下的原因如下：1、从硬件角度，存储器的存在更好的适配了外设和CPU速度不均衡的弊端。2、因为存储器的存在，让软件的存在有了更好的生存空间和价值。

⭐：内存在我们看来，就是体系结构的一个大的缓存，用于适配外设和CPU速度不均衡的问题。

二、成本角度

• CPU中含有寄存器，寄存器和内存一样具有存储数据的能力，并且寄存器的运算速度还快，那我们为什么不用CPU的寄存器来充当内存呢？？这样我们就不需要存储器了。从技术层面来讲这样确实可以，但是我们并没有考虑成本，成本大小：寄存器>>内存>>磁盘(外设)。如果我们用寄存器充当内存作用，那么一台电脑的成本可能就是几十个W。而计算机要想成为大众产品，就必须满足便宜和有效的特点。因此我们使用内存是最优选，既适配了速度不均的问题，又达到了经济实惠。

⭐：使用内存可以达到用较低的成本来获取较高的性能的特点。

如何理解软件程序在运行时必须加载到内存

我们知道代码编译好后要运行，运行就必须要先加载到内存，但是为什么要先加载到内存呢？

• CPU和存储器进行交互的过程中需要不断读取数据，而这些数据必须是在内存里面，因为CPU只和内存进行打交道，对于我们编译好的.exe程序文件，文件编译好后是在磁盘这个外设上面，所以CPU会要求你把程序加载到内存，从而实现交互。而这个操作是操作系统帮你完成的，会自动加载到内存上面。

⭐：体系结构稳定，cpu只和存储器(内存)打交道，要先把数据加载到内存。

运算器和控制器

运算器：

• 计算机的计算方式有两种：算术运算（+、-、*/....)+逻辑运算（&&逻辑与、||逻辑或.....） 

控制器：

• 控制器也是一个硬件，虽然外设和中央处理器在数据上并没有交互，但在其他方面还是有交互的。我们在前面得知输入设备会将数据预装到内存里面，从而和cpu进行交互，但是我们怎么知道所有数据都被预装载了呢？针对没有预装载的数据，中央处理器就会和外界进行交互协商，而这个操作就是由控制器来进行完成，从而将数据尽可能加载到内存或者把数据从内存加载到外设。

⭐：几乎所有的硬件，只有被动的完成某种功能，不能主动的完成某种功能，一般都需要配合软件进行完成。(OS+CPU)

实例解剖

当我们用QQ和我们的朋友聊天时，聊天数据是怎么流动的呢？？

我们的电脑用的都是冯诺依曼体系，所以通信的本质就是从一个体系结构到另外一个体系结构，你从键盘上输入数据，随后数据预装载到内存中，CPU从内存中获取到消息后对其进行封装打包， 然后再将其写回内存，在内存中把数据刷新到外设（显示器），同样也刷新到网卡上，网卡在经过网络，此时数据就传到了你朋友的网卡上，对于你朋友来说网卡就充当输入设备，再把数据加载到内存，此时CPU进行数据的解包并交给存储器，此时再把存储器中的数据刷新到你朋友的外设即显示器上。