冯・诺伊曼计算机——一个程序员的基本修养（1）

一，基本概念
现代计算机之父-冯·诺依曼在1945年重新定义了计算机的架构，被称为“冯·诺依曼架构”，并开辟了现代计算机时代。人类沿用此架构至今。

二，冯·诺伊曼计算机的组成结构

• 输入/输出设备（IO设备）：人与计算机之间的桥梁。鼠标，扫描仪；显示器，打印机。输出设备：数字信号转换为光信号。
• 内部存储器（Memory）：外存与CPU进行沟通的桥梁，计算机里面的所有程序的运行都是在内存中进行的，又称主存储器。其作用是暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。只要计算机在运行，操作系统就会把需要运算的数据从内存调到CPU中进行运算，运算完成后，再将结果传送出来。就好比编辑文档的时候，敲字的时候是暂时存储到内存中，保存之后才会存储到外村中。
• 运算器（arithmetic unit）：计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作：加，减，乘，除四则运算，与，或，非，异或等逻辑操作以及移位，比较和传送等操作。也称为算术逻辑部件。是组成CPU的核心部分。
• 控制器（controller）：电脑的神经中枢，指挥电脑中各个部件自动协调工作。完成协调和指挥整个计算机系统的操作。主要分为逻辑控制器和微程序控制器
• 外部存储器：断电后依然可以保存数据。

计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自与存储器，处理数据后通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。

三，冯·诺依曼瓶颈
1.首先理解一下数据和指令：
指令和数据均用二进制表示，同地位存放在存储器中，按地址寻访。
指令由操作码（操作的性质）和地址码（操作数在存储器中的位置）组成，按顺序存放。
由于数据和指令无差别存放在存储器中，当CPU（控制器）从存储器中将某地址的数据取出来后，就要从以下两点进行区分应该放在指令寄存器还是数据寄存器。
a.时间：在取指周期（或取值微指令）取出的为指令，指令执行周期取出/写入的为数据。
b.空间（地址来源）：由PC提供存储单元地址的取出的是指令，由指令地址码部分提供存储单元地址的取出就是操作数。

内存取出指令送给控制器，而指令执行周期，从内存中取出的数据送给运算器，往内存写入的 数据也来自于运算器。

2.瓶颈
冯诺依曼架构不区分数据和指令，将两者放在同一内存中，相对的哈佛结构将两者分别存储到指令存储器和数据存储器。
取指令和取数据不能同时进行，否则会引起访存的混乱。但是发展到今天，CPU的运算速度已经远远超过了访存的速度，因此CPU必须浪费时间等数据，而哈佛架构由于指令和数据是分开的，等数据的同时可以预取指令，CPU的利用率更高。
由于指令与数据存放在同一内存带来的CPU利用率（吞吐率）的限制，在内存容量指数级提升以后，CPU 和内存之间的数据传输带宽成为了瓶颈，即冯诺依曼瓶颈。

四，中央处理器（CPU）
读取指令，解释指令，执行指令。
主要包括两部分，控制器和运算器

五，内存分配

原文链接：https://blog.csdn.net/jirryzhang/article/details/79518408

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分

1、内存栈区（stack）：程序运行时由编译器自动分配，存放函数的参数值，局部变量的值等。
其操作方式类似于数据结构中的栈。

2、内存堆区（heap）：在内存开辟另一块存储区域。存放new/malloc出来的对象，一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。
注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。

3、全局区（静态区）（static）：编译器编译时即分配内存。存放全局变量和静态变量。初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。
程序结束后由系统释放

4、文字常量区 ：常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放。

5、程序代码区—存放函数体的二进制代码。

注意：静态局部变量和静态全局变量

属于静态存储方式的量不一定就是静态变量。

例如：全局变量虽属于静态存储方式，但不一定是静态变量，必须由 static加以定义后才能成为静态外部变量，或称静态全局变量。

把局部变量改变为静态变量后是改变了它的存储方式，即改变了它的生存期。
把全局变量改变为静态变量后是改变了它的作用域，限制了它的使用范围。