文章目录
- 何为冯·诺依曼体系
- 为什么要存在存储器(内存)
- 一、技术角度
- 二、成本角度
- 为什么软件程序在运行时必须加载到内存
- 运算器和控制器
- 运算器
- 控制器
- 解释你用QQ和朋友聊天的数据流动过程
何为冯·诺依曼体系
冯诺依曼体系结构是现代计算机的基础架构，它将计算机分为以下几个主要部分：
- 输入设备：键盘、鼠标、摄像头、磁盘、网卡等。
- 输出设备：显示器、音响、磁盘、网卡、显卡等。
- 存储器：内存。
- 运算器+控制器：CPU（中央处理器）。
为什么要存在存储器(内存)
按理说，计算机可以把要处理的数据通过输入设备交给 CPU 处理，处理好后再通过输出设备显示结果，但整个过程为何需要内存呢？
一、技术角度
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CPU 内部有寄存器，其速度非常快，而 CPU 的运算速度 > 寄存器速度 > L1 ~ L3 Cache > 内存 > 外设（磁盘）> 光盘、磁带。因此，输入输出设备的速度相较于 CPU 是很慢的，如果直接把数据通过输入设备交给 CPU 处理，处理好后再通过输出设备显示结果，就会产生木桶效应。
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计算机体系的效率不是由 CPU 决定的（尽管 CPU 很快），而是由输入输出这两个外设决定的，这就导致计算机的效率非常差，所以不能只把外设和 CPU 对接起来，这样的效率太低了。因此冯诺依曼就在输入输出和 CPU 之间添加了存储器来改变这一现状：
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从数据角度看，外设不和 CPU 直接交互，而是和内存交互，CPU 也是如此。仅是添加存储器这个媒介就能解决效率低的原因是：
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- 从硬件上，存储器的存在更好地适配了外设和 CPU 速度不均衡的特点。
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- 因为存储器的存在，让软件的存在有了更大的生存空间和价值。
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总结：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 速度不均的问题！
二、成本角度
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前面提到过，CPU 具有寄存器，而寄存器也具有存储数据的能力，为什么不用 CPU 的寄存器来充当这个内存呢，这样就不再需要单独添加内存了。从技术上谈是可以的，但这就要考虑成本了：寄存器的成本 >> 内存 >> 磁盘（外设）。如果用寄存器充当内存，光成本就要几十万元，真承担不起。而计算机之所以能蔓延全球，主要是其具有便宜和有效的特点。因此使用内存是最优选择，既适配了速度不均的问题，也经济实惠。
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总结：使用内存可以达到用较低的成本，来获得较高的性能的特点。
为什么软件程序在运行时必须加载到内存
我们都知道，写好的软件在编译好后，要运行，必须要先加载到内存，但是为什么要先加载到内存呢？
因为 CPU 在和存储器的交互中，要不断读取数据，这些数据必须是在内存里的，因为 CPU 只和内存打交道，但是你编译好的 .exe 程序是文件，而这个文件在编译好后是在磁盘这个外设上的，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（预加载）。
总结：体系结构规定，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
计算机的计算有两种：算数计算（+、-、*、/……）+ 逻辑计算（&&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没有交互，但并不代表它俩就没有交互。前面得知输入设备会把数据预装载到内存，如何和 CPU 进行交互，但是你怎么知道所有数据都被预装载了呢，针对没被预装载的数据，中央处理器就要和外设进行交互协商，而这个操作就是由控制器完成的，从而将数据尽可能加载到内存，或把数据从内存加载到外设。
几乎所有的硬件，只能被动地完成某种功能，不能主动地完成某种功能，一般都是要配合软件完成的（操作系统+CPU）
解释你用QQ和朋友聊天的数据流动过程
假设你和你的朋友进行 QQ 聊天，如何解释一个数据从你的输入到输出的整个数据流动过程呢？
因为你和朋友的计算机都是冯诺依曼体系，所以你们通信的本质就是从一个体系结构到另一个体系结构，你是从键盘上输入数据的，随后被读进（预装载）到内存中，CPU 从内存获取到消息后对消息进行各种封装（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），同样也刷新到了网卡上，网卡再经过内部的网络转换（忽略具体细节），此时这些数据传到了你朋友的网卡上，此时网卡就充当了输入设备，并把数据加载到内存，此时 CPU 进行数据的解包并交给存储器，此时再把存储器刷新到你朋友的外设，即显示器。
