冯诺依曼体系结构有以下特点：

冯诺依曼体系结构的计算机必须具有如下功能：

对于我们现代计算机来说，最关键的2个部件就是CPU和内存。内存存储了要执行的程序指令，而CPU就是用来执行这些指令。CPU首先要知道这些指定存放在存储器的那个区域，然后才能执行，并且把执行的结果写入到执行区域。

在了解CPU和存储器工作原理之前，先来了解一下CPU指令和我们编程语言之间的一些关系。

因为在计算机中指令和数据都用二进制来表示，也就是说它只认识0和1这样的数字。最早期的计算机程序通过在纸带上打洞来人工操操作的方式来模拟0和1，根据不同的组合来完成一些操作。后来直接通过直0和1编程程序，这种称之为机器语言。这里就会有一个疑问，计算机怎么知道你这些组合的意思？

于是就出现了CPU指令，我们现在买CPU都会听到指令集这一说。CPU指令其实就对应了我们这里说的0和1的一些组合。每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。有了CPU指令集的文档你就可以通过这个编写CPU认识的机器代码了。所以对于不同CPU来说可能会有不同的机器码。比如下面我们就定义了一套我们CPU硬件电路可以完成的CPU指令。

随着计算机的发展，CPU支持的指令也越来越多，功能也越来越强，上图就是现在Core I5处理器支持的指令集。

使用0和1这样的机器语言好处是CPU认识，可以直接执行，但是对于程序本身来说，没有可读性，难以维护，容易出错。所以就出现了汇编语言，它用助记符(代替操作码指令，用地址符号代替地址码。实际是对机器语言的一种映射，可读性高。

把汇编语言转换为机器语言需要一个叫做汇编器的工具。对于目前的CPU厂商，在推出的CPU指令时都会同时退出新的汇编器。如果你还在使用老版本的汇编器那么只能使用机器码来使用新的指令了。

汇编语言的出现大大提高了编程效率，但是有一个问题就是不同CPU的指令集可能不同，这样就需要为不同的CPU编写不同的汇编程序。于是又出现了高级语言比如C，或者是后来的C++,Java,C#。 高级语言把多条汇编指令合成成为了一个表达式，并且去除了许多操作细节（比如堆栈操作，寄存器操作），而是以一种更直观的方式来编写程序，而面向对象的语言的出现使得程序编写更加符合我们的思维方式。我们不必把尽力放到低层的细节上，而更多的关注程序的本身的逻辑的实现。

对于高级语言来说需要一个编译器来完成高级语言到汇编语言的转换。所以对比不同的CPU结构，只需要有不同编译器和汇编器就能使得我们的程序在不同CPU上都能运行了。如下图在VS2010中，我们可以选择程序编译的目标平台，X86，X64，ARM等。当然除了这些编译类的语言之外还有解释类型的语言如JS，就不在此讨论范围内。

到这里有一个疑问：当CPU的指令集更新后高级语言会有什么影响和变化？对于目前来说，一般出现了新的指令，会有对应的新的汇编器和编译器。所以编译器可以把一些高级语言的表达式编译成新的汇编指令，这样对于高级来说不会有任何变化； 当然还有一种情况就是高级语言会增加新的语法来对应一些新的汇编语言和指令。但是这种情况出现的几率很小。所以如果编译器不支持新的指令，那么只有只用汇编会来实现了。

从上面的我们可以看出，我们写的程序最终都将变成机器认识的二进制可执行程序，然后加载到内存顺序的执行。 从机器码到汇编到高级语言，我们可以看到计算机中无处不在的分层，抽象的思想。不光光是软件，硬件同样适用。最后留下一个问题在这里： C#和Java程序编译出来的文件不是二进制的机器码，而是中间语言，那么他们又是怎么运行的呢？

前面已经了解了现代计算机的大致结构，也知道CPU是按照CPU指令来执行操作，那么就看看CPU的结构和他是如何执行顺序操作的。

以前CPU主要由运算器和控制器两大部分组成，随着集成电路的发展，目前CPU芯片集成了一些其它逻辑功能部件来扩充CPU的功能，如浮点运算器、内存管理单元、cache和MMX等。下面2张图分别是8086和Pentium CPU的结构图。

 .

对于一个通用的CPU来说，我们只需要关注他的核心部件算数逻辑单元和操作控制单元。

1. 控制器的组成和功能： 控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成。它是计算机指挥系统，完成计算机的指挥工作。尽管不同计算机的控制器结构上有很大的区别，当就其基本功能而言，具有如下功能： 

2. 运算器的组成和功能： 运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件，完成计算机的各种算术和逻辑运算。相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。运算器有两个主要功能： 

CPU的基本工作是执行存储的指令序列，即程序。程序的执行过程实际上是不断地取出指令、分析指令、执行指令的过程。几乎所有的冯•诺伊曼型计算机的CPU，其工作都可以分为5个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存取数和结果写回。

从上面的定义可以知道，对于CPU来说取出和执行任何一条指令所需的最短时间为两个CPU周期。所以频率越高，那么时钟周期越短，这样CPU周期和指令周期也就越短，理论上程序执行的速度也越快。但是频率不能无限的提高，而且频率的提高也带来了功耗，发热等问题，所以目前也有超线程，流水线等技术来提高CPU执行的速度。

在这里有一个疑问：指令和数据都存放在内存中，那么CPU怎么区分是指令还是数据呢？

从时间上来说，取指令事件发生在指令周期的第一个CPU周期中，即发生在“取指令”阶段，而取数据事件发生在指令周期的后面几个CPU周期中，即发生在“执行指令”阶段。从空间上来说，如果取出的代码是指令，那么一定送往指令寄存器，如果取出的代码是数据，那么一定送往运算器。

通过以上我们了解了CPU的工作过程。简单来说就是CPU要顺序执行一个程序的指令，首先是控制器获得第一条指令的地址，当CPU取得这个指令并执行后，控制器需要生成下一条要执行的指令的地址。ALU单元负责一些运算操作。下面的FLASH演示了CPU执行一个加法操作的流程。

CPU工作流程FLASH: http://218.5.241.24:8018/C35/Course/ZCYL-HB/WLKJ/jy/Chap05/flash-htm/5.6.swf

本文主要是简单介绍了计算机的一些发展历史和通用CPU的结构以及工作流程。加深了我们对冯诺依曼体系的储存程序，顺序执行的理解。无论硬件是什么样子，冯诺依曼计算机的基本原理就是这样。

前面我们以一个简单通用的计算机模型来介绍了CPU的工作方式，CPU执行指令，而存储器为CPU提供指令和数据。 在这个简单的模型中，存储器是一个线性的字节数组。CPU可以在一个常数的时间内访问每个存储器的位置，虽然这个模型是有效的，但是并不能完全反应现代计算机实际的工作方式。

在前面介绍中，我们一直把存储器等同于了内存，但是实际上在现代计算机中，存储器系统是一个具有不同容量，不同访问速度的存储设备的层次结构。整个存储器系统中包括了寄存器、Cache、内部存储器、外部存储。下图展示了一个计算机存储系统的层次图。层次越高速度越快，但是价格越高，而层次越低，速度越慢，价格越低。

相对于CPU来说，存储器的速度是相对比较慢的。无论CPU如何发展，速度多块，对于计算机来说CPU总是一个稀缺的资源，所以我们应该最大程度的去利用CPU。其面我们提到过CPU周期，一个CPU周期是取1条指令的最短的时间。由此可见，CPU周期在很大程度上决定了计算机的整体性能。你想想如果当CPU去取一条指令需要2s，而执行一个指令只需要2ms，对于计算机来说性能是多么大的损失。所以存储器的速度对于计算机的速度影响是很大的。

对于我们来说，总是希望存储器的速度能和CPU一样或尽量的块，这样一个CPU周期需要的时钟周期就越少。但是现实是，这样的计算机可能相当的昂贵。所以在计算机的存储系统中，采用了一种分层的结构。速度越快的存储器容量越小，这样就能做到在性能和价格之间的一个很好的平衡。

计算机的发展离不开存储器的发展，早起的计算机没用硬盘，只有几千字节的RAM可用。而我们现在4G,8G的内存已经随处可见，1T的大硬盘以及上百G的固态硬盘，而价格也比10年，20年前便宜的很多很多。所以我先大概了解下各种存储技术。目前存储技术大致分为SRAM存储器、DRAM存储器、ROM存储器和磁盘。

在上一篇文章的图中我们有看得CPU内部有很多寄存器，而上一张图也显示，寄存器在存储层次结构的顶端。它也叫触发器，它往往和CPU同时钟频率，所以速度非常快。但是一个寄存器需要20多个晶体管，所以如果大量使用，CPU的体积会非常大。所以在CPU中只有少量的寄存器。而每个寄存器的大小都是8-64字节。

RAM（Read-Access Memory）分为两类，静态（SRAM）和动态（DRAM）。SDRAM比DRAM要快的多，但是价格也要贵的多。

SRAM相比DRAM速度更快功耗更低，而由于结构相对复杂占用面积较大，所以一般少量在CPU内部用作Cache，而不适合大规模的集成使用，如内存。而DRAM主要用来作为计算机的内部主存。

前面的RAM在断电后都会丢失数据，所以他们是易失的。另一方面非易失的存储器即便在断点后也能保存数据。一般我们称之为ROM（Read-Only Memory）。虽然这么说，但是ROM在特殊的情况下还是可以写入数据的，否则就不能叫存储器了。

ROM在计算机中应用也比较多，比如我们的BIOS芯片，最开始采用PROM，后来使用EPROM，如果损坏计算机就无法启动了。而目前手机中也采用ROM来烧入系统，而RAM作为内存，使用Flash Memory作为机身存储。

也就是我们最常见的硬盘。目前硬盘主流已经是500G,1T。转速也在7200转左右。相对于8G的内存，一个500G的硬盘可以说是相当的便宜。但是问题在于他的速度非常的慢，从磁盘读取数据需要几个毫秒，而CPU时钟周期是以纳秒计算。磁盘读取操作要比DRAM慢10万倍，比SRAM慢百万倍。

相对于CPU，内部存储的电子结构，磁盘存储是一种机械结构。数据都通过电磁流来改变极性的方式被电磁流写到磁盘上，而通过相反的方式读回。一个硬盘由多个盘片组成，每个盘片被划分为磁道，扇区和最小的单位簇。而每个盘面都有一个磁头用来读取和写入数据。而硬盘的马达装置则控制了磁头的运动。

随着计算机的发展，缓慢的磁盘速度已经成为计算机速度的障碍了。大多数情况下，你的CPU够快，内存够大，可是打开一个程序或游戏时，加载的速度总还是很慢。(关于程序加载的过程后面的文章会讲到)。原因就是磁盘读写速度太慢，所以一度出现了虚拟硬盘。就是把一部分内存虚拟成硬盘，这样一些缓存文件直接放到内存中，这样就加快了程序访问这些数据的速度。但是他的问题是易失的。当然你可以保存到磁盘，但是加载和回写的速度会随着数据量加大而加大。所以这个适用于一些临时数据的情况，比如浏览器缓存文件。

而固态硬盘是最近几年出来的，而且随着技术的发展，价格也越来越便宜，越来越多的人采用SSD+HHD的方式来搭建系统，提高系统的速度。其实SSD在上世纪80年代就有基于DRAM的产品，但是因为易失性和价格而无法推广开来。而现在的SSD则是使用Flash Memory。目前市面上最常见的是SLC,MLC,TLC存储介质的固态硬盘。我们知道Flash都是与写入次数限制的。而SLC>MLC>TLC。目前主流的SSD都是使用MLC，比如Intel 520，三星830系列。当然目前三星也退出了基于TLC的固态硬盘，价格相对要便宜一些。

简单可以理解为是将数据指令存储在其他机器上，比如分布式系统，WebService Server，HTTP Server以及现在炒的火热的云端存储。计算机通过网络相互连接。比较起磁盘，远程存储的速度是以秒来计算。

通过上面介绍我们对计算机存储器有了一个了解，并且知道了存储器层次越高速度越快。那么为什么我们要对存储器分层呢？ 分成是为了弥补CPU和存储器直接速度的差距。这种方式之所有有效，是因为应用程序的一个特性：局部性。

我们知道计算机的体系是存储程序，顺序执行。所以在执行一个程序的指令时，它后面的指令有很大的可能在下一个指令周期被执行。而一个存储区被访问后，也可能在接下来的操作中再次被访问。这就是局部性的两种形式：

对于现代计算机来说，无论是应用程序，操作系统，硬件的各个层次我们都是用了局部性。

CODE1：