一、冯诺依曼体系结构
我们现在常见的计算机，如笔记本，以及我们不常见的计算机，如服务器，它们本质都是一堆硬件（如：cpu、内存、网卡、磁盘等）的集合。并不是把这些硬件毫无章法的放在一起就能够组成计算机，各硬件之间首先要具备协同能力，这就要求硬件与硬件之间要组织好，构建成一个系统，这样才能对外提供计算输出服务。
我们现在常见的计算机，大部分都遵守冯诺依曼体系。
1.1 硬件介绍
📖输入、输出设备的理解
首先，计算机是为了给用户提供计算服务的。前提条件是，用户需要先把数据交给计算机，但是计算机只认识二进制0和1，并且是以各种电路信号来控制的，而用户的数据一般都是文字、图片、音频等，此时就需要有一些设备，能够把用户的数据转换成二进制，然后再交给计算机。这就决定了，用户是无法直接访问到内存、中央处理器等硬件，必须要经过输入设备。例如通过键盘上输入字母abcd，在用户看来，输入的是一个个的字符串，但在计算机看来，我们只是输入了一串01序列。计算机运算完毕时，也只能输出二进制，为了将这些二进制结果转换成文字、图片等用户可以看懂的形式，就需要经过输出设备的处理。因此，输入、输出设备一般是用来进行人和计算机，计算机和计算机之间互相传递信息的外部设备。
● 输入设备：鼠标、键盘、摄像头、磁盘、网卡等
● 输出设备：显示器、播放器硬件、磁盘、网卡等
小Tips：需要注意，磁盘属于外部设备，计算机可以从磁盘中读取数据进行运算，也可以把运算结果写入到磁盘当中。
📖存储器
这里的存储器就是我们平时所说的内存，它是一种硬件级别的缓存空间，在冯诺依曼体系结构中占据核心地位。
📖中央处理器CPU
中央处理器也叫做CPU，它由运算器和控制器共同组成。在不考虑缓存的情况下，CPU只能对存储器（内存）进行读写，不能访问外设（输入、输出设备）。其中运算器是对用户输入的数据执行计算任务，分为算数运算和逻辑运算，前者就是加减乘除，后者就是真假判断。控制器是对计算过程，即硬件流程进行控制，协调各组件与各单元间的工作。
📖总线概念
冯诺依曼体系结构中涉及的五大模块，输入设备、存储器、运算设备、控制器、输出设备，都是独立的个体，有各自独立的功能，这些独立的个体要共同组成一个计算机，就必须要将它们组织联系起来。输入设备需要把数据交给内存，CPU再从内存中读取数据进行运算，将运算结果再写入内存，内存最终再把数据交给输出设备，为了实现数据在五大模块间的流动，就需要把用“线”把各个硬件单元连接起来，这个“线”在计算机中就被称作总线，总线可分为系统总线和IO总线。前者是用于连接CPU和内存，后者是连接内存和外设（输入、输出设备）。有些总线在我们拆开计算机后可以直接看到，有些则是直接集成在硬件电路上。
1.2 内存的重要性
冯诺依曼体系结构要求，数据必须先从输入设备写入存储器，CPU再从存储器读取数据进行运算，CPU不能直接从输入设备读取数据，同样CPU的运算结果也不能直接写入到输出设备，而是要先写入存储器，再从存储器中将结果刷新到输出设备。
📖为什么CPU只能和内存打交道？
在一台计算机中，可以用来存储数据的硬件有多种，例如：寄存器、缓存、内存、硬盘、网盘等，它们按照访问速度的快慢形成了一个存储金字塔，如下图所示：
寄存器的读取速度是纳秒级别，内存的读取速度是微秒级别，外部设备（磁盘）的读取速度是毫秒级别的。由于CPU和外设之间的速度代差比较大，如果将CPU与外设直接进行连接，那么在木桶效应的影响下，会导致计算机整体的运算速度下降。
如果CPU直接和外设连接，尽管CPU的运算速度再怎么快，计算机整体的运算能力也会被外设的读取速度所限制。因此为了降低木桶效应对计算机整体运行速度的影响，引入了一种速度和容量都比较合适的存储设备——内存，冯诺依曼体系结构要求CPU只能和内存进行数据交互。
内存除了读取速度比较快以外，它还起着第三方中转站的作用，即我们可以把数据从输入设备先预加载到内存，等CPU空闲了，再直接到内存读取数据即可。CPU的运算和内存从外设读取数据是可以同时进行的。内存的工作就像菜鸟驿站，寄给我们包裹可以暂存在菜鸟驿站，等我们工作结束有空了再去将包裹取回来，假设没有菜鸟驿站，包裹就必须直接寄到收件人的手上，那就只能等收件人在家的时候再寄包裹。内存也是同理，假设没有内存，外设与CPU直连，那此时外设就只能等CPU当前的运算结束后，才能继续将数据喂给CPU。
小Tips：操作系统保证了CPU的运算和IO可以同时进行。
📖一个程序要运行，必须先加载到内存
以我们写的.c源文件为例，我们代码写好后，需要先编译生成一个.exe结尾的可执行程序，然后才能运行。我们写的源文件，以及编译得到的可执行文件，它们都是存在磁盘（外设）上的。运行就是让CPU来执行我们的代码，对我们的数据进行运算，而根据冯诺依曼体系结构的要求，CPU只能从内存中拿数据，因此就决定了，一个程序想要运行，就必须先加载到内存。
所有的软件设计，都必须遵守硬件结构，硬件是我们整个计算机的下线和边界，软件是上线和天花板，只要是硬件要求，所有的软件都必须要遵守。即所有的软件要想运行，必须先把数据加载到内存。
现在再来看我们之前写的进度条小程序，在不加\n的时候，输出信息会暂时存储在缓冲区中，只有当我们主动去刷新缓冲区才能把数据输出到显示器（外设）上。缓冲区就是内存的一部分，上面的现象就是冯诺依曼结构体系的侧面印证，CPU会将运算的结果先写入到内存，然后外设再从内存中拿数据。
小Tips：外设和CPU在数据层面不会直接交互，但是在信号控制阶段，CPU和外设是可以直接进行交互的。
📖QQ聊天时的数据流动
QQ聊天的第一步是打开QQ这款软件。在春人看来，打开QQ这款软件，就是点击它的应用图标，但是在计算机看来，本质上是把QQ这个可执行程序加载到内存当中，此时CPU就可以从内存中读取数据进行运算啦，运算的结果在春人看来，就是显示出了QQ的应用界面。
接下来，春人点开和你的对话框，通过键盘输入了“你好呀，伙计！”。因为这个对话框是QQ的，此时QQ已经被加载到了内存当中，所以春人通过键盘输入的内容，本质上会被加载到内存中。接下来CPU就闪亮登场啦，它从内从中将春人想要发送的消息拿出来，进行一系列的打包运算，再把它交还给内存，然后内存会将这个包交给输出设备（这里是网卡、显示器），输出设备再将包通过网络就可以发送给对方啦。
对方的计算机，要通过网卡从网络中获取春人发送的消息，此时网卡又充当了输入设备，网卡拿到的数据必须先交给内存，CPU从内存中把数据拿出来进行解包将结果再写入到内存，内存再将数据刷新到输出设备（显示器），此时你就能看到春人发送的消息啦。
