【Linux】了解冯诺伊曼体系结构

本文主要是介绍【Linux】了解冯诺伊曼体系结构，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

冯诺依曼体系结构概念

冯·诺依曼结构是现代计算机发展所遵循的基本结构形式之一，其特点是“程序存储，共享数据，顺序执行”。冯·诺依曼结构消除了原始计算机体系中，只能依靠硬件控制程序的状况，将程序编码存储在存储器中，实现了可编程的计算机功能，实现了硬件设计和程序设计的分离，大大促进了计算机的发展。冯·诺依曼结构的处理器使用同一个存储器，经由同一个总线传输，具有必须有一个存储器、必须有一个控制器、必须有一个运算器、必须有输入和输出设备的特点。

常见的输入设备和输出设备：
 输入设备：键盘、鼠标、网卡、硬盘、话筒、摄像头、扫描仪等。
 输出设备：显示器、音响、网卡、硬盘、打印机等。
 同种设备在不同场景下可能属于输入设备，也可能属于输出设备
强调一下几点：
（1）这里的存储器指的是内存。
（2）不考虑缓存情况，这里的CPU能且只能对内存进行读写，不能访问外设(输入或输出设备)。
（3）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。

冯诺依曼体系结构的推导过程

为什么要有输出设备和输入设备？
计算机要得到你的输入数据所以必须要有输入设备，然后计算机处理完数据后又要输出信息给你看到，所以要有输出设备，但是输入和输出中间计算机要对信息进行一系列的逻辑运算和算数运算所以中间有一个叫运算器的东西一直在处理。

那什么时候需要输入数据到计算机中呢？什么时候又输出数据显示出来呢？
这个时候需要有一个东西控制着这些数据何时输入和处理完的数据何时输出，所以要有一个控制功能去判断这些东西。所以又引入了一个叫控制器的东西哦。
而这个又能进行信息计算又能又控制功能的称为中央处理器（CPU）。

介绍一下木桶原理

但是输入设备和输出设备的运算速度相对于中央处理器来说是非常慢的，于是在上述的这个体系当中，输入设备和输出设备非常慢，而CPU非常快，根据上面介绍木桶原理，那么最终整个体系的运行速度会非常慢。所以我们中间要有一个存储器（内存）的东西，来提高我们的运行速率。
它比输入设备和输出设备要快很多，但是比CPU又要慢。

那为什么这个内存要比输入输出设备快比cpu要慢呢？
在存储器的层次结构 中，越往上速度越快，外设 < 主存（内存）< 高速缓存 < CPU寄存器，我们可看到，CPU离寄存器最近，离高速缓存也很近，主存（存储器）次之，外设（输入输出设备）所以 CPU 间接从主存中访问数据，效率更高。而让 CPU 直接访问外设（输入或输出设备）效率会很低。因为 CPU 特别快，输入输出设备特别慢，根据木桶原理，肯定是以慢的工作为主，导致效率会很低。

在这里大多数人有一个疑惑就是，先将输入设备的数据交给内存，再由内存将数据交给CPU，这个过程真的比CPU直接从输入设备获取数据更快吗？
我们要知道的是内存和cpu都可以存储数据哦，所以输入数据时内存加载数据和CPU处理数据是可以同时进行的，这样下次CPU就可以直接从内存当中获取数据。输出数据的时候也一样，CPU处理完数据后直接将数据放到内存当中，当输出设备需要时再在内存当中获取即可。所以速度肯定是比cpu直接读取更快哦。

例如：我们访问当磁盘时，先把数据写入存储器（内存）当中，再让 CPU 一级一级的去访问，而且 CPU 运算的同时，输入 / 输出设备还可以继续将数据写入内存或从内存中读出，从而提升效率。

理解冯诺依曼体系

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，我们来试着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。
要使用QQ，首先需要联网，而你和你的朋友的电脑都是冯诺依曼体系结构，在你向朋友发送消息这个过程中，你的电脑当中的键盘充当输入设备、显示器和网卡充当输出设备，你朋友的电脑当中的网卡充当输入设备、显示器充当输出设备。刚开始你在键盘当中输入消息，键盘将消息加载到内存，此时你的显示器就可以从内存获取消息进而显示在你自己的显示器上，此时你就能在你自己的电脑上看到你所发的消息了。在键盘将消息加载到内存后，CPU从内存获取到消息后对消息进行各种封装，然后再将其写回内存，此时你的网卡就可以从内存获取已经封装好的消息，然后在网络当中经过一系列处理（这里忽略网络处理细节），之后你朋友的网卡从网络当中获取到你所发的消息后，将该消息加载到内存当中，你朋友的CPU再从内存当中获取消息并对消息进行解包操作，然后将解包好的消息写回内存，最后你朋友的显示器从内存当中获取消息并显示在他的电脑上。

站在硬件角度或是数据层面上，CPU只和内存打交道，外设也只和内存打交道。到这里我们也可以说明一个问题：为什么程序运行之前必须先加载到内存？
因为可执行程序（文件）是在硬盘（外设）上的，而CPU只能从内存当中获取代码和数据，所以必须先将硬盘上的代码和数据加载到内存，也就是必须先将程序加载到内存。
还有一个要理解的是数据在计算机的体系结构中进行流动，流动过程中，进行数据的加工处理
从一个设备到另一个设备本质上是拷贝。数据设备之间的效率，决定了计算机整机的运行效率。
总之讲了这么多就一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。

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