【Linux】冯诺依曼体系结构

一、硬件构成

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器。大部分都遵守冯诺依曼体系。

冯诺依曼体系在硬件结构上分为以下几个部分：

• 输入设备：包括键盘，鼠标，扫描仪，写板，磁盘等
• 存储器：内存
• 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等
• 输出设备：显示器，打印机等

这些硬件的简易组成方式为：

计算机是用来进行数据计算的，所以我们要先通过 输入设备 来把数据传输给计算机，并通过 中央处理器 的计算后，把计算结果通过 输出设备 传输出去。

那么，在冯诺依曼体系中， 存储器 起到的作用是什么？我们为什么需要内存呢？

我们一般把 输入设备 与 输出设备 称为 外围设备，简称外设，外设一般都会比较慢。

以磁盘为例：相对于内存，磁盘的读写速度非常慢。而 CPU 中的存储器的读取速度又要快于内存。根据木桶原理，一个木桶能装多少水，不是取决于这个木桶最长的那个木板，而是最短的那个。因此，如果 CPU 直接从磁盘中读取数据并处理的话，速度会非常慢，浪费了 CPU 的性能。

为了解决这个问题，就有了内存的出现。在计算机工作时，内存可以临时存储数据。例如当 CPU 在计算A任务时，内存可以预先将B任务加载进来，CPU 处理完A任务，就直接从内存中读取B任务的数据。

因为有了内存的存在，我们可以对数据进行预加载，CPU 以后在进行数据计算的时候，就不需要访问外设了，直接从内存中读取就可以了。

结论1：在数据信号层面，一般 CPU 不与外设直接沟通，而是只与内存直接沟通。

了解了以上内容后，我们可以用硬件的方案来解释一些软件的行为：

• 我们编译出的可执行程序是一个文件。而文件都保存在磁盘中，磁盘是一个外设。所以我们在运行这个可执行程序的时候，必须要先把它加载到内存之中，这是计算机的体系结构决定的。
• 众所周知，计算机开机的过程是加载操作系统的过程。而之所以需要加载操作系统，是因为 CPU 只能从内存中读取数据。

二、数据流动

我们用一个例子来解释数据的流动过程：假设你与你的朋友在用qq聊天，你给他发送了一个“你好”，并被他看到。这是一个什么样的过程呢？

假设你与朋友的电脑都是冯诺依曼体系的，不考虑中间网络的相关知识，模型如下：

我们只考虑硬件层面。你在键盘上输入消息，这些消息被加载进内存，CPU 从内存中读取这些数据并进行计算加密。CPU 计算完成后把结果写回内存，并把该数据传输到输出设备。这里传输到输出设备是两个动作，第一是把你输入的消息刷新显示在你自己的显示器上，第二是把数据通过网卡发送到网络里（具体过程忽略）。朋友再通过他的输入设备（网卡）获取数据并交给内存，CPU从内存中读取数据，并进行解密计算，计算完成后把数据写回内存，最终把数据显示在朋友的显示器上。

电脑的硬件决定了数据在流动的时候必须要遵守冯诺依曼的规则。 数据从输入设备只能到达内存，无法到达其他地方。

结论2：在数据信号层面，一般外设只与内存直接沟通。

有些设备既可以当作输入设备，又可以作为输出设备，比如网卡、磁盘等等。

我们在qq聊天的过程中，加密解密的算法、网卡发送等等操作都是qq这个软件内部执行的，我们目前无需考虑。

补充内容：我们日常使用的 printf 函数 与 scanf 函数，其实就是软件在获取输入设备中的数据以及读取内存中的数据。

以上就是冯诺依曼体系的相关内容，希望同学们多多支持，如果有不对的地方希望大佬指正，谢谢！