深入浅出了解—冯·诺依曼体系结构

一、什么是冯·诺依曼体系结构？

 我们现代的计算机、服务器等设备。大部分都遵守冯·诺依曼体系。

如下图就是我们常见的体系结构

通常有一个输入设备、一个输出设备、存储器、运算器、控制器等。其中运算器和控制器等组成了我们熟知的cpu。

二、深度理解冯·诺依曼体系结构的组成

1.存储器指的是内存。

2.输入设备：鼠标，键盘，摄像头，话筒，磁盘，网卡....

3.输出设备：显示器，播放器硬件，磁盘，网卡....

有些是设备是纯输入设备、输出设备。有些是输入设备有些是输出设备。

2.1CPU的功能

1. 程序控制
2. 操作控制
3. 时间控制
4. 数据处理

其中1，2，3都是控制器有实现的功能，4为运算器实现的功能。

2.1运算器

运算器是由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器、状态条件寄存器等组成。

2.1.1 算术逻辑单元(ALU)

主要负责处理数据，实现对数据的算数运算和逻辑运算。

2.1.2累加寄存器（AC）

AC通常简称为累加器，它是一个通用寄存器，其功能是当运算器的算术逻辑单元执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。例如，在执行一个减法运算前，先将被减数取出暂存在AC中，再从内存储器中取出减数，然后同AC的内容相减，将所得的结果送回AC中。运算的结果是放在累加器中的，运算器中至少要有一个累加寄存器。

2.1.3数据缓冲寄存器(DR)

在对内存进行读写的时候，用DR来暂存由内存读或写的指令或者数据，是CPU和内存、外部设备之间数据传送的中转站。

2.1.4状态条件寄存器（PSW）

保存由算术指令和逻辑指令运行以后建立的各种条件码内容。主要分为状态标志和控制标志。

2.2 控制器

控制器决定了计算机运行过程的自动化。同时还要能够处理异常事件。

2.2.1 指令寄存器（IR）

当CPU执行一条指令时，先把它从内存储器取到缓冲寄存器中，再送入IR暂存，指令译码器根据IR的内容产生各种微操作指令，控制其他的组成部件工作，完成所需的功能。

2.2.2 程序计数器(PC)

PC具有寄存信息和计数两种功能，又称为指令计数器。程序的执行分两种情况，一是顺序执行，二是转移执行。在程序开始执行前，将程序的起始地址送入PC,该地址在程序加载到内存时确定，因此PC的内容即是程序第一条指令的地址。执行指令时，CPU自动修改PC的内容，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单地对PC加1。

2.2.3 地址寄存器(AR)

AR保存当前CPU所访问的内存单元的地址。由于内存和CPU 存在着操作速度上的差异，所以需要使用AR保持地址信息，直到内存的读/写操作完成为止。

2.2.4 指令译码器(ID)

指令包含操作码和地址码两部分，为了能执行任何给定的指令，必须对操作码进行分析，以便识别所完成的操作。指令译码器就是对指令中的操作码字段进行分析解释，识别该指令规定的操作，向操作控制器发出具体的控制信号，控制各部件工作，完成所需的功能。

2.3 对内存的理解

2.3.1 一个程序要运行，必须先加载到内存中运行，这是为什么？

这个就和硬件有关，通常我们的CPU从输入设备读入数据是比从内存中读入数据会慢，为了加快IO的速度。所以程序应该先加载到内存中，与此同时，我们的冯·诺依曼体系结构也是这么规定。

2.3.2 存储介质的分级

L0,L1,L2,L3全部集成在现代CPU的内部。

主存就是我们的内存条，本地二级存储就是磁盘、硬盘。

整体从上到下价格越低容量越大速度越慢，同时离CPU越远。