冯诺依曼体系结构【详解】

什么是冯诺依曼体系结构

冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同。

截至目前，我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成：
1.输入单元：包括键盘, 鼠标，扫描仪, 写板等
2.中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等
3.输出单元：显示器，打印机等

关于冯诺依曼，必须强调几点：

1.这里的存储器指的是内存 不考虑缓存情况，
2.这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)
3.外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。
4. 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道

冯诺依曼体系结构的推导

计算机的作用就是为了解决人的问题，而要解决问题，首先需要将数据或是问题输入到计算机当中，所以计算机必须要有输入设备。计算机解决完问题后还需要将计算结果输出显示出来，所以计算机必须要有输出设备。计算机通过输入设备得到数据，数据在计算机当中进行一系列的算术运算和逻辑运算后，通过输出设备进行输出，于是就得到了以下流程图。

但是计算机当中只有算术运算功能和逻辑运算功能是不够的，还需要有控制功能，控制何时从输入设备获取数据，何时输出数据到输出设备等。对应到C语言当中，算术运算就完成一系列的加减乘除，而逻辑运算就对应于一系列的逻辑与逻辑或等，控制功能就对应于C语言当中的判断、循环以及各个函数之间的跳转等等。

而我们后人就将这个具有算术运算功能、逻辑运算功能以及控制功能的这个模块称为中央处理器，简称CPU。

但是输入设备和输出设备相对于中央处理器来说是非常慢的，于是在当前这个体系整体呈现出来的就是，输入设备和输出设备很慢，而CPU很快，根据木桶原理，那么最终整个体系所呈现出来的速度将会是很慢的。

所以当前这个体系结构显然是不合适的，于是我们就不让输入设备和输出设备直接与CPU进行交互，而在这中间加入了内存。

内存有个特点就是，比输入设备和输出设备要快很多，但是比CPU又要慢。现在内存就处于慢设备和快设备之间，是一个不快也不慢的设备，能够在该体系结构当中就起到一个缓冲的作用。

现在该体系的运行流程就是：用户输入的数据先放到内存当中，CPU读取数据的时候就直接从内存当中读取，CPU处理完数据后又写回内存当中，然后内存再将数据输出到输出设备当中，最后由输出设备进行输出显示。于是就形成了最终的冯诺依曼体系结构。

注意： 这里存储器只是内存，不包括外存。

内存提高冯?诺依曼体系结构效率的方法

在这里大多数人有一个疑惑就是，先将输入设备的数据交给内存，再由内存将数据交给CPU，这个过程真的比CPU直接从输入设备获取数据更快吗？

说明这个问题之前，我们首先需要知道：内存具有数据存储的能力。虽然内存的大小只有4G/8G，但是既然内存有大小，那么它就有预装数据的能力，而这就是提高该体系结构效率的秘诀。

这里不得不说到的就是局部性原理：根据统计学原理，当一个数据正在被访问时，那么下一次有很大可能会访问其周围的数据。所以当CPU需要获取某一行数据时，内存可以将该行数据之后的数据一同加载进来，而CPU处理数据和内存加载数据是可以同时进行的，这样下次CPU就可以直接从内存当中获取数据。

输出数据的时候也一样，CPU处理完数据后直接将数据放到内存当中，当输出设备需要时再在内存当中获取即可，这也就有了我们平常所说的缓冲区的概念。例如，缓冲区满了才将数据打印到屏幕上，使用fflush函数将缓冲区当中的数据直接输出之类的，都是将内存当中的数据直接拿到输出设备当中进行显示输出。

你用QQ和朋友聊天时数据的流动过程

使用qq都需要联网，你和你朋友的电脑都是冯诺依曼体系结构，在发送信息这个过程中：
你的输入设备：键盘， 输出设备：显示器和网卡。
你朋友的输入设备：网卡， 输出设备：显示器。

你发送“你好”，存储器存储“你好”，经过运算器和控制器，再给输出设备：网卡， 经过网络…，“你好”传给 你朋友的电脑：输入设备：网卡， 将“你好”传给存储器，然后经过运算器和控制器 传给输出设备，输出“你好”。

注意： 程序在运行之前，必须的先加载到内存，为什么？？？
程序 = 代码 + 数据，最终都要cpu来执行处理，cpu先读取到这些代码和数据，而cpu和内存有“数据”（二进制层面）层面的交互，但是形成了一个exe，本质就是一个文件，只能在磁盘(外设)中保存。