进程开始——冯诺依曼体系结构

1、初始冯诺依曼体系结构

冯诺依曼体系结构，描述的是组织计算机硬件的方法。

以下是网络上一张冯诺依曼体系结构的简单示意图：

这是一个题外话

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计算机的芯片架构，分为Intel, ARM等。
整个计算机的体系架构，就包含冯诺依曼体系结构。

图中，输入设备是输入数据、指令、文本内容以及其他内容的设备，包括键盘、麦克风、扫描仪、手写板…

输出设备是输出字符、音频以及其它内容的设备，包括显示屏、音响…

输入设备和输出设备，都属于外部设备，简称外设。

中央处理器，就是我们常说的CPU。CPU包含两个非常重要的部分：

• 运算器：进行算术运算、逻辑运算
• 控制器：控制硬件、进程…

2、存储器(内存)

示意图中还有一个存储器，存储器又是什么？

我们可以把存储器理解为之前提及的内存。

注意有的同学可能会把磁盘与存储器的概念搞混，认为磁盘也是存储器的一种。

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实际上磁盘不是冯诺依曼体系结构中的存储器，磁盘也属于外部设备。实际操作中，磁盘可以被写入内容，比如创建文本并保存，此时磁盘就是输入设备；我们也可以读取磁盘上的内容，比如打印到显示屏，此时磁盘就是输出设备。这就意味着，磁盘不仅拥有存储数据的功能，某些情境下磁盘既可以是输入设备，也可以是输出设备。

那么有人就有疑问：**为什么需要内存？**我们用输入设备输入内容，直接经过CPU处理，然后输出到输出设备上不行吗？

2.1、数据在体系结构中的流动

我们可以在上面的冯诺依曼体系结构示意图中，抠出一个数据在体系结构中流动的简单示意图：

分析图片，我们可以发现两点：

• 数据在计算机内部流动的时候，CPU不与外部设备直接进行交互。
• CPU需要读取数据，只会在内存中读取；CPU需要写数据，也只会写入到内存中。

简单来说，CPU只与内存进行互动。这又是为什么？

2.2、存储分级

这是网络上关于存储器分级的金字塔示意图：

我们可以分析得出：

• 越往塔顶，存储器越靠近CPU，存储效率就越快，但是成本会越高。
• 越往塔底，存储器越远离CPU，存储效率就越慢，但是成本会越低。

实际上，现在的输入、输出设备的响应时间是毫秒级别的，存储器的响应时间是介于微秒和纳秒级别的，而CPU的响应时间是纳秒级别的。

如果我们将计算机直接设计成：输入设备 —> CPU —> 输出设备。因为输入、输出设备的响应时间肯定大于CPU，根据“木桶效应”，整体的效率就应该更接近输入、输出设备的响应时间，这样运行速度就有代差，太慢了！

我们可以理解为，

• 如果是“输入设备 —> CPU —> 输出设备”模式，内容就需要逐单位走过整个过程，效率比较慢。
• 如果是冯诺依曼体系结构，内容就可以先全部加载到内存中，统一经过CPU处理，再全部输出到输出设备中，效率更快。

需要注意的一点是，

• 我们对于“输入设备 —> 内存”这一过程，称为input；
• 我们对于“内存 —> 输入设备”这一过程，称为output。

所以与输入、输出设备有关的操作，我们可以称作IO操作。IO是效率比较慢的事。

温馨小提示

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数据的流动，本质是拷贝。所以，

• 整台计算机的效率由拷贝的效率决定；
• 我们之前谈到的效率的快慢，本质上是拷贝效率的快慢。

2.3、内存作用的简单总结

保证了性价比

综上所述，内存的引入，使得我们在尽可能降低计算机成本的情况下，还能保证计算机的运行效率是不错的，因为诸如寄存器、内存条等存储器虽然快但价格贵，而诸如机械硬盘、光盘等存储器虽然慢但价格亲民。

也就是说，内存的引入保证了计算机的“性价比”，普通老百姓才能买得起笔记本电脑；越来越多的人购买了计算机设备，那么上网的人就越来越多，于是形成了我们今天的互联网。

内存的存在，是体系结构决定的

我们写好的C/C++代码，经过编译后形成可执行文件，而可执行文件又是存储在磁盘上的。

我们之前应该都有听过，程序在运行之前，都必须加载到内存中。这是因为程序包括数据与指令，

• 指令需要CPU读取并进行处理
• 数据需要CPU读取并进行计算

所以程序需要CPU读取并处理，而CPU只能在内存中读取数据与指令，所以内存的存在是冯诺依曼体系结构决定的。

3、冯诺依曼体系结构在实际情境中的理解

对于冯诺依曼体系结构，我们不能仅仅停留在概念上的理解，还必须结合具体场景，搞清楚各个硬件发挥的作用。

场景一：张三在北京，李四在云南。有一天，张三在某聊天软件上与李四聊天，张三发送了一个“在吗”短语。那么这个“在吗”短语也是一个数据，数据在这个场景下是如何流动的？

我们可以认为，张三是有一台计算机的，那么张三就有一个冯诺依曼体系的硬件结构，其中键盘就是输入设备；张三在键盘上输入“你好”，“你好”字符串就输入到内存中，然后CPU读取到“你好”字符串，进行解析、加密、压缩等操作，将得到的数据写入回到内存中；由于此时进行的是网络通信，那么这份处理后数据就会输出到输出设备，此时的输出设备是网卡。

张三的网卡就可以通过网络，将处理后数据传输到李四计算机的网卡中，此时李四计算机的网卡就是输入设备；网卡将处理后数据输入到内存中，CPU读取数据，进行解压缩、解密等操作，将得到的“你好”字符串写入回内存中，最后显示屏读取到内存中的“你好”字符串并显示。最终，李四就看到了张三发送的“你好”。

场景二：此时，张三发送的不再是简单的一句话，而是一份文档。那么此时张三计算机的输入设备就是磁盘，李四计算机的输出设备也是磁盘，其它的过程都是一样的。