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结构。数学家冯诺依曼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。🎯

现代计算机基于冯诺依曼提出的存储程序概念。在这种存储概念中，程序和数据存储在称为内存的单独存储单元中，并被同等对待。我们常见的计算机，如笔记本。不常见的计算机，如服务器，都是遵守冯诺依曼体系的。冯诺依曼的基本结构如下所示：

在这里插入图片描述

它也被称为ISA - Instruction set architecture (指令架构集)，有三个基本单元：

主存单元
中央处理器（CPU）：含有运算器和控制器等
输入/输出设备：输入(键盘、鼠标、扫描仪、写板等)，输出(显示器、打印机等)

关于冯诺依曼体系，需要知道的几点：

这里的存储器是指的内存。
不考虑缓存情况，这里CPU只能对内存进行读写，不能访问外设（输入或输出设备）。
外设要输入和输出数据，只能写入内存或者从内存中读取。
所有设备只能直接和内存交互。

冯诺依曼体系结构的思想实际上是一个相对简单的理解，它大致分为以下几个部分：

输入设备（Input Device）：输入设备即向计算机输入指令、数据或指令，如：键盘、鼠标、摄像头等。

输出设备（Output Device）：输出设别是计算机程序完成后最终使用的设备。显示器和打印机是最常见的列子。

中央处理器（Central Processing Unit）：中央处理单元由三个部分组成：控制单元、算术/逻辑单元和寄存器。CPU与内存单元交互。

控制单元（Control Unit）：控制逻辑单元并提供这些逻辑单元对程序指令做出响应的指令。还指导其它组件如何交互。

算术/逻辑单元（Arithmetic / Logic Unit）：负责算术和逻辑命令，控制这些操作如何工作。
寄存器（Registers）：寄存器允许在处理数据之前存储数据。有5中寄存器可以存储数据：内存地址寄存器、累加器、程序计数器、内存数据寄存器和当前指令寄存器。不同的数据类型将存储在不同的寄存器中。

内存单元（Memory Unit）：内存单元可以被CPU访问。数据可以加载进入和取出内存单元，方便存储和访问。

❓为什么需要有内存？

电脑是靠CPU处理数据而正常工作的，所有的存储数据都是存储在硬盘上的。但实际上，CPU的工作频率非常高，而硬盘的工作效率则相对低很多。因此，若CPU直接从硬盘读取数据，那么硬盘跟不上CPU的节奏，从而造成CPU的资源闲置。CPU在等待数据过程中处于闲置状态，造成了极大的资源浪费，为了解决这个问题，就有了后面内存的出现。

内存读取数据的效率要比硬盘高很多，因此能较好的适配CPU的工作，提高电脑运行效率以及资源利用率。

有了内存，电脑工作时所有的数据依旧存储在硬盘中，而一些正在使用的数据或者使用频率很高的数据就会加载到内存中，CPU处理数据时直接从内存中进行读取，一般不再与硬盘直接交互。

CPU的运算速率 > 寄存器的速度 > L1~L3Cache > 内存 >> 外设（磁盘）>> 光盘磁带

当你和你的好久进行聊天时数据的传送过程：
在这里插入图片描述
登录聊天软件并联网，你发送的聊天数据传送到朋友显示器的过程：键盘输入聊天数据，将消息加载到内存中，CPU从内存中读取数据并进行解码、封装等操作，然后将封装好的数据写回内存中，网络从内存中获取数据便通过网络进行传输，然后你朋友的内存中获取数据并进行解析等操作，后将数据写到内存中，显示器从内存中获取对应数据并进行显示。

🎯简单而言，冯诺依曼体系结构在当前的计算机中任然非常重要。它使得计算机价格相对便宜，从而能够普及便利人们生活，且相同的设备可以执行多个任务，因此需要的零件更少。同时提高了计算机的速度和效率。自冯诺依曼体系第一次开发以来，这种架构已经有了很大的发展。这种演变的例子包括更快、更小的部件以及用于输入和输出的组合总线。这些创新使得更快的计算机成为可能。

🎯冯诺依曼体系的瓶颈：
无论我们做什么来提高性能，都不能摆脱一个事实，即指令只能够执行一个，并且按照顺序执行。这两个因素限制CPU的能力。我们可以提供具有更多缓存、更多RAM或更快组件的冯诺依曼处理器，但是如果要在CPU性能方面取得原始收益，则需要对CPU配置进行更优的检查。