【Linux】冯诺依曼体系结构

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一、冯诺依曼体系结构

冯·诺依曼体系结构，也称为普林斯顿结构，是现代计算机设计的基础框架。这一体系结构由数学家冯·诺依曼在20世纪40年代提出，它定义了计算机的基本组成和工作原理。

二、冯诺依曼体系结构的基本组成

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结构

截至目前，我们所认识的计算机，都是有一个个的硬件组件组成

• 输入单元：包括键盘，鼠标，网卡，磁盘，USB等
• **中央处理器(CPU)**：含有运算器和控制器等
• 输出单元：显示器，打印机，网卡，磁盘等
• 存储器：这里的存储器就是内存

关于冯诺依曼，必须强调几点：

• 这里的存储器指的就是是内存
• 不考虑缓存情况下，在数据层面上，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能与外设进行直接交互(输入或输出设备)
• 外设(输入或输出设备)要输入或者输出数据，也只能写入内存或者从内存中读取。一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

值得注意的是计算机中几乎所有的设备，都具有数据存储能力。

CPU这个设备，它的处理数据的速度是非常快的，然后是内存，最后是各种外设。

上面这张照片是关于存储分级的图片，在我看来存储分级也可以叫做速度分级、成本分级，为什么存储分级是金字塔形状的呢？因为离CUP越近的设备，存储效率越高，造价越贵。

那么有人就会问了，为什么不全用存储效率高的呢？这样电脑不就非常快了吗？确实，但是存储效率高对应带来的是造价高。

如果我要求不高，可以全部用便宜的存储设备吗？虽然说这样计算机的早就就变低了，但是这个计算机基本上也用不了了。

三、关于冯诺依曼体系结构的一些问题

问题：上面我们提到了，不考虑缓存的情况下，CPU只与内存进行交互，不与外设进行直接交互，这是为什么呢？

解答：相信大家都听说过木桶原理，一个木桶能装多少水，取决于这个木桶中最短一块木板的长度， 而计算机也同样如此，CPU内部的高速缓存提供了快速的存储访问能力，远大于外设的存储效率，这种速度差异使得CPU无法直接高效地与外设进行同步数据交换，导致整机的效率低下，而内存的存储效率比CPU低，但是比外设的存储效率高，因此CPU与内存之间的交互更加高效。

所以基于冯诺依曼体系结构的计算机都是用较少的钱，做出来效率不错的计算机，性价比高。

问题：在学习C/C++的时候都听说过，程序在运行之前，必须先加载到内存中，为什么呢？

解答：程序 = 代码 + 数据 ，而代码和数据最终都需要CPU进行处理，程序本质上是一个exe文件，只能在磁盘(外设)中，而在数据层面上，CPU不与外设进行直接交互，只与内存进行交互，所以必须将程序加载到内存中，CPU才能对程序进行处理。

对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上。

问题：请你解释一下，从你登录上QQ开始和某位朋友聊天开始，数据的流动过程。从你打开窗口，开始给他发消息，到他的到消息之后的数据流动过程。如果是在qq上发送文件呢？

解答：在我们登录QQ的时候，本质上就是在电脑上运行起来了了，也就是QQ这个软件被加载到了内存中，那么我们向QQ中输入文字，本质上就是在向内存中输入文字。

那么从头开始解释，当我打开窗口，给我的朋友发消息，我先从键盘（输入设备）输入我想发送的消息到QQ中，本质上是输入到内存（存储器）中，在我们平常发信息的时候可以看到，我们发生信息的时候并不是只有我们发送的信息，还有时间、朋友的备注等信息，那么我们就可以知道，我们要发送的信息一定是被CPU进行处理过的，CPU不会与外设直接交互，那么CPU处理完信息后，会将处理后的信息写入内存（存储器），再通过网卡（输出设备）经过网络传输到朋友的网卡（输入设备），由于前面的文章没有网络相关的文章，这里先不提网络，从网卡中得到的信息需要通过CUP的处理，那么就需要将信息先加载到内存（存储器）中，再由CPU处理得到我想输出的信息，再将CPU处理后的信息写入内存（存储器）中，然后信息通过内存输出到朋友的显示器（输出设备）中，最终完成数据流动。

在QQ上发送文件本质上与上面的发送文字是相同的，不同的是文件是存储在磁盘中的，所以这里的输入设备是磁盘，其他步骤基本相同。

结尾

本篇文章最重要的一句话就是**不考虑缓存情况下，在数据层面上，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能与外设进行直接交互(输入或输出设备)**。

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