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冯 • 诺依曼体系结构

news 来源：原创 2025/8/30 5:19:22

文章目录

- 冯 • 诺依曼体系结构的介绍
- - 冯 • 诺依曼体系结构的由来
  - 内存是如何提高冯•诺依曼体系结构效率的？
  - 为什么程序运行之前必须先加载到内存？
  - 从软件层面上再理解冯 • 诺依曼体系结构（QQ聊天的数据流动）
  - 一些知识的补充

冯 • 诺依曼体系结构的介绍

我们常见的计算机，如笔记本；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！
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我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成的，下面是我们对上图的一个补充：
1）输入设备：包括键盘、磁盘、鼠标、扫描仪、写板、网卡、显卡，话筒、摄像头等等。
2）存储器：其实就是内存！

注意：所谓的内存是内存，而外存通常就是指除了内存之外的其他具有永久性存储数据能力的设备，常见是就是磁盘。
磁盘是外存不是内存。
内存是易失性存储，断电后数据丢失，用于存储正在运行的程序和数据。
磁盘是非易失性存储，断电后数据仍然保留，用于存储操作系统、应用程序和用户数据这些大量数据。

3）中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器以及寄存器，各级别缓存等等。

注意：
1）我们经常说CPU当中有寄存器，实际上寄存器不仅仅在CPU当中存在,在其他外设当中也是有寄存器的。例如：当我们敲击键盘时，键盘是先将获取到的内容存储在寄存器当中，然后再通过寄存器将数据写入内存当中。
2）在物理层面上，各个硬件单元之间是通过总线连接的，外设与内存之间的总线叫做IO总线，内存与CPU之间的总线叫做系统总线。

4）输出设备：显示器、磁盘、网卡、扬声器、打印机等等。
小贴士： 同种设备在不同场景下可能属于输入设备，也可能属于输入设备。

冯 • 诺依曼体系结构的由来

我们都知道，计算机的作用就是为了解决人的问题的，而要解决问题，首先必须要将数据或者问题输入到计算机当中，因此计算机就必须要有输入设备了。其次，计算机解决完问题后还需要将计算结果输出显示出来，所以计算机也必须要有输出设备。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，于是就得到了以下操作图：
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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。对应如下：
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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，而根据木桶原理(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) ，可以知道最终整个体系所呈现出来的速度也将会是很慢的。

木桶原理图：

综上所述，显然目前这个体系结构是不合适的，于是前辈们就不让输入设备和输出设备直接与CPU进行交互，而是在这中间加入了内存。
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内存有个特点就是：比输入设备和输出设备要快很多，但是又比CPU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。
所以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。
这样子一系列下来就形成了最终的冯诺依曼体系结构了。如下：
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内存是如何提高冯•诺依曼体系结构效率的？

即使上面我们了解了冯•诺依曼体系结构，可能大家还是会有一个疑问：

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?
答案：是的。

1）首先我们要知道：内存是具有数据存储的能力的。虽然内存的大小只有 4G/8G/16G，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。
2）这里我们引用一下局部性原理：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。
所以内存提高冯•诺依曼体系结构效率的做法是：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。
3）输出数据的时候也一样的，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，而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。

为什么程序运行之前必须先加载到内存？

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根据冯 • 诺依曼体系结构图，我们知道，在硬件角度和数据层面上，cpu 只与内存打交道，外设(输入或输出设备)也只与内存打交道。由此我们就能解释：为什么程序运行之前必须先加载到内存？
因为可执行程序（文件）是在磁盘（外设）上的，而 CPU 只能从内存当中获取数据，所以必须先将磁盘上的数据加载到内存中，也就是必须先将程序加载到内存中，才能实现程序的运行。

从软件层面上再理解冯 • 诺依曼体系结构（QQ聊天的数据流动）

上面我们从硬件上了解了冯 • 诺依曼体系结构，下面我们会从问题：数据流是如何在不同的电脑中流动的 出发，以QQ聊天时的数据流动的例子来加深对冯 • 诺依曼体系结构的再理解。
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1）首先我们都知道，使用QQ时需要联网，而你和你的朋友的电脑都是冯诺依曼体系结构，在你向朋友发送消息这个过程中，你的电脑当中的键盘充当输入设备，显示器和网卡充当输出设备，你朋友的电脑当中的网卡充当输入设备、显示器充当输出设备。
2）其次刚开始你在键盘当中输入消息时，键盘会将消息加载到内存，此时你的显示器就可以从内存获取消息进而显示在你自己的显示器上，所以你就能在你自己的电脑上看到你所发的消息了，而在键盘将消息加载到内存后，CPU又会从内存获取到消息后对消息进行各种封装，然后再将其写回内存，此时你的网卡就可以从内存获取已经封装好的消息，然后在网络当中经过一系列处理（这里忽略网络处理细节），然后你朋友的电脑的网卡就可以从网络当中获取到你所发的消息，再将该消息加载到内存当中，此时你朋友的电脑的CPU就可以再从内存当中获取消息并对消息进行解包操作，然后将解包好的消息写回内存，所以最后你朋友的显示器从内存当中获取消息并刷新显示到他的电脑上。这就是你和你的朋友进行QQ聊天时的数据流动了。
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注意：上述的所有描述前提是：你和你的朋友都打开登录了各自的QQ程序，也就是将QQ程序加载到了内存，
而上面的所有收发数据，压包解包，加密解密等等操作实质上但是CPU在执行QQ程序的代码！

一些知识的补充

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对于冯 • 诺依曼体系结构，再次强调的几点：
1）这里的存储器指的是内存
2）不考虑缓存情况，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。