【Linux篇】认识冯诺依曼体系结构

一、冯诺依曼体系结构是什么

冯诺依曼体系结构简单描述了一个计算机内部的主要构成。

主要由5部分构成：输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器

​ 其中运算器和控制器在CPU中

输入设备：键盘、摄像头、话筒、磁盘、网卡…

输出设备：显示器、音响、磁盘、网卡…

运算器：算术运算、逻辑运算

控制器：CPU是可以相应外部事件的，协调外部就绪事件（如拷贝数据到内存，控制输出到哪…）

存储器：存储器就是内存

冯诺依曼体系结构就是 冯诺依曼提出的一个计算机的硬件体系结构，并且该结构一直沿用至今，绝大部分计算机如常见的笔记本、公司的服务器都由这个基本的硬件体系构成。

二、冯诺依曼为什么要这么设计？

早期的计算机主要就是用来帮助人们解决计算问题的。而要解决问题，就要有数据的输入，计算就要涉及到数据的处理，最后把得到的结果显示出来就叫做输出。

那么有人会问，如果照这么说，直接设计成：输入设备 -> 中央处理器 -> 输出设备 不就行了吗？为什么加一个存储器，这不是自己设计复杂了吗？如下图，数据输入之后，直接在中央处理器中进行 算术运算或者逻辑运算，得到的结果直接输出

这里存在一个问题，我们直到CPU的访问速度是非常快的！一般来说

CPU 或 寄存器 >> 内存 >> 磁盘/SSD >> 光盘 >> 磁带

任意两个之间都是数量级的差距！

并且根据木桶原理，一个木桶盛水的多少，并不是取决于最高的那块木板，而是最短的那块木板。

所以这样设计的话，外设显然拖慢了中央处理器的节奏，导致整个计算机的运行效率取决于外设的效率。

内存可是个老好人，他在CPU和外设之间，速度既不得罪这边，也不得罪那边。正好可以帮助CPU和外设牵线搭桥~

另一方面，有了内存，可用的操作空间就大了，可以在内存中设置一些软件，提升硬件的整体效率！（操作系统）

第三点，考虑到经济原因，你总不能把你所有的存储介质都设置成寄存器吧，除非你非常有钱！大部分人其实还是倾向于经济实惠的东西。而内存的造价还算中等，一块4/8G的内存条加入，在操作系统等软件的支持下，整体的效率并不比寄存器慢哪去！

因此冯诺依曼体系结构就这样新鲜出炉了！

• 数据首先输入到外设中，如果要被CPU读取，计算机会先把外设中的数据一部分加载到内存，然后CPU直接去内存中读取数据；
• 当处理完数据之后，CPU直接把数据再写回内存，最后内存再把数据更新到外设。

三、内存是怎么提高效率的呢？

经过上面的结论，数据要被CPU读取，首先要从外设加载到内存，然后CPU直接去内存中读取数据。但是数据要先到内存再到CPU这个过程是怎么实现的呢？难道每一次CPU要读取数据都要通知一声内存，让内存去加载一部分数据吗？

外设的数据怎么加载到内存的？

这里其实就涉及到一个神秘的管理者了：操作系统

其实硬件软件是无法分开的，某些硬件的设计是为了兼容软件，软件的设计也是为了提高硬件的效率。因此，操作系统的作用就发挥了，操作系统会把可能用到的数据提前加载到内存中，这样CPU就直接可以去内存中找数据啦

每次CPU读取数据都要通知内存去提前加载外设数据吗？

这里涉及到一个原理：局部性原理，还记得我们说内存是连续的，一般来说，加载某些数据的时候，其周围的数据也会被加载进来。并且CPU访问数据和内存加载数据是可以一起进行的。因此CPU读取数据的时候，大部分情况可能用到的数据都被加载到内存了！

解释：程序要运行，必须加载到内存

1、 CPU读取数据，都是从内存中读取

2、 CPU要处理数据，需要先讲外设中的数据加载到内存

而写好的程序也是数据啊，并且写好的程序（.exe）是存放在磁盘的！如果要运行必须要加载到内存，这是体系结构的特点决定的

其中数据从外设加载到内存，就是I

数据从内存输出到外设，就是O

这就是IO

四、和QQ好友聊天的时候，数据是怎么流向的？

我们不考虑网络

在小明给小红发消息的过程中，输入设备就是键盘，输出设备就是网卡

小红的电脑中，输入设备就是网卡，输出设备就是显示器

当小明给小红在输入框中输入消息之后，就已经被写入了内存，然后当小明点击发送的时候，CPU读取内存中的数据，对消息进行打包（如指定发送到哪里)，然后输出到网卡。网卡通过网络发送给小红。

小红的网卡作为输入设备，接收到消息，然后将消息加载到内存，CPU去内存读取数据，把消息解包，得到消息里的内容，重新写回内存。内存再把消息输出到显示器，这样小红就可以看到小明发送的消息了~