冯诺依曼体系结构详解

      一.冯诺伊曼体系结构的概念：

       约翰·冯·诺依曼（John von Neumann，1903.1.28-1957.2.8），美籍匈牙利数学家，计算机科学家，物理学家。是20世纪最重要的数学家之一，后来被称为计算机之父。

       后来冯诺依曼在研究计算机的过程中，发明了一套专门的计算机体系结构，他提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），这套理论被称为冯·诺依曼体系结构。

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         (1)运算器:计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件 (ALU) ;

        (2)控制器:由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。运算器和控制器统称中央处理器，也叫做CPU。中央处理器是电脑的心脏。

        (3)存储器:存储器分为内存和外存。内存是电脑的记忆部件，用于存放电脑运行中的原始数据、中间结果以及指示电脑工作的程序。外存就像笔记本一样，用来存放一些需要长期保存的程序或数据，断电后也不会丢失，容量比较大，但存取速度慢。当电脑要按行外存里的程序，处理外存中的数据时，需要先把外存里的数据读入内存，然后中央处理器才能进行处理。外存储器包括硬盘、光盘和优盘;

        (4)输入设备:输入设备是向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，光笔等都属于输入设备。

        (5)输出设备:是计算机硬件系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也是把各种算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表现出来。常见的输出设备有显示器、打印机等。

二.冯诺依曼体系结构的理解：

1.运算器和控制器是CPU的核心部件；

2.存储器是用来存储程序和各种数据信息的记忆部件。存储器可分为内存(也可称主存)和辅助
存储器(简称外村或辅存)两大类，以内存为主。

3.外部设备包括输入和输出输出设备。存储器和外部设备之间的数据传输称为I/O(input/output)。

4.原本cpu是与外部设备(磁盘) 进行数据间的传输的，磁盘写入数据后传输给cpu，但CPU的运算速度是非常快的(运算及传输效率极高)，以纳秒为单位进行传输；而外部设备(磁盘等)的运算传输速度一般，以秒为单位进行传输。这两者相差几百万倍，但是cpu与磁盘传输时，只能按照磁盘的传输速率进行传输，这里参考木桶原理：

        木桶原理又称短板原理，木桶短板管理理论，其核心内容为：一只木桶盛水的多少，并不取决于桶壁上最高的那块木块，而恰恰取决于桶壁上最短的那块。

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        所以外部设备(磁盘为代表)的传输速度就是木桶中最短的那一个板，最长的那个板就是CPU，即使长板再长，木桶中的水若是到了那个短板的最高长度，也无济于事，再装水也只会白白流出！ CPU传输速度再快也是“一拳打在了棉花上”。

        基于此种情况，计算机科学家们发明了内存，发明内存的关键就在于可以让cpu和内存相互传输数据，内存的传输速率较快，比原来cpu和磁盘传输快多了，那么就提高了计算机整体的计算效率，这是十分重要的。那么内存的数据从哪来?

        从内存中拿，因为CPU只和内存打交道。但是内存天然情况下是没有数据的，内存的数据来源是外设的，外设将数据传给了内存，然后CPU再从内存中读取数据；CPU往外写数据也是一样，先写到内存，外设再从内存中读取数据。内存就相当于是一个大大的缓冲区,是两个偏远地区相联系的一座桥梁！

5.计算机是相当笨的，它被动的接受着别人给它的指令和数据，别人让它干什么，它就得去执行去计算。计算机和人类的语言并不相通，计算机是如何识别人类交给它的指令呢？其实计算机有自己的指令集(它相当于一本英汉字典)，计算机必须先将人类的指令进行编译汇编转换成只有计算机自己能认识的二进制语言，它才能进行对其进行处理计算。

人类也是如此，人从一生下来也是懵懂无知的，出于本能，婴儿也是只会哇哇大哭，睡觉吃饭，但他们不会走路，不会说话，不会思考，而父母和老师会教给他们这些东西，这些东西就相当于是指令集，去理解父母老师交给他们的知识。

全文总结：

        CPU只和内存打交道，而内存即可以和CPU打交道也可以和外设打交道，内存的出现就是为了解决CPU与外设数据传输速率不匹配的问题的。