Linux操作系统预备 —— 冯·诺伊曼体系结构

本文主要是介绍Linux操作系统预备 —— 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！

一，什么是冯·诺伊曼体系结构？（是什么？）

上面的图就是冯·诺伊曼体系结构的总体简略图，不着急，我们一个一个来看：

1.1 输入输出设备

人们要想用计算机处理数据，首先就要把要处理的数据交给计算机，所以输入设备就是干这个的。而在计算机处理完数据之后，需要把处理完的数据以人类能够理解的方式返回给人类，输出设备就是干这个的。所以我们可以得到计算机的最早期设计的流程图，如下：

1.2 控制器

由于算数运算和逻辑运算只有运算功能，是不可控的，所以需要有控制功能。打个比方，就是可以把算数运算和逻辑运算看作是C语言中的加减乘除，而控制器就相当于for循环，if判断等C语言语法，语法是用来规范运算的，那么控制器也是这个功能

然后，由于运算器和控制器结合都非常高，于是设计的先辈们把这两个东东搞成了一个东西，就是我们现在经常说的中央处理器，简称CPU

1.3 存储器（内存）

输入设备和输出设备相对于CPU来说是很慢的，打个比方，CPU每秒可以进行一百万个加法运算，但是输入设备每秒只能给你提供几万个加法式子，然后根据木桶原理，整个系统运行的快慢不是取决于最快是多少，而是最慢是多少。

所以当前设计显然不合理，于是就在输入输出设备中间加入了内存，不让输入输出设备和CPU直接交互。而且内存的特点是：比输入输出设备快很多，但是比CPU慢，这样内存就处于快慢设备之间，作为缓冲区间存在于该体系结构中，如下图

1.4 总结

所以现在的体系运行流程就是：用户输入的数据先放到内存中，CPU读取数据的时候去CPU中找，读取完数据后返回给内存，然后内存再把数据交给输出设备，这样就完成一次数据处理

二，内存是如何提高该体系结构效率的？

①我们可以把内存比喻成我们社会的菜鸟驿站，我们网购付款后，商家都是先把货物交给对应的快递公司，然后快递公司把多个目的地相近的快递统一用个大车运往当地的菜鸟驿站等快递点，然后快递点安排快递员派送或者我们自己前往快递点拿快递。

②通过快递的例子，我们可以看出菜鸟驿站和内存有个相同的功能，就是 “ 可以存储数据（快递） ” ，如果快递公司直接把快递交给货车司机，如果货车司机再根据地址一个个去找的化，不难看出效率是非常非常低下的，所以可以存储数据是内存提高整体效率的秘诀。

③并且根据统计学的“局部性原理”，当一个数据正在被访问时，那么下次访问时有很大可能会访问其周围的数据，而CPU处理数据和加载数据是可以同时进行的，比如驿站安排大车司机赶路的同时还可以同时收发快递，这样就能更好地发挥CPU地功能，提高整体效率

④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中，然后输出设备再去内存中拿，就和快递被放到驿站，我们可以让快递员派送，也可以自行去拿

三，QQ聊天时数据的流动

首先需要联网，这里我们忽略网络的各种层次设计和各种协议，单纯地把网络当成传输数据的媒介，这里我们也忽略对数据的各种封装，这些都是以后的计算机网络才考虑的东西。

首先键盘充当输入设备，把你输入的数据放到内存里，CPU处理完后再放进内存，然后网卡作为输出设备从内存里拿数据，然后通过网线和网络找到对方的设备；这时候对方电脑的网卡做为输入设备，拿到数据后放到内存里，然后老一套的，CPU处理完放回内存，最后就成功输出到了对方的显示器上。

四，一些问题解答

4.1 程序运行前为什么要先加载到内存？

由体系结构决定的。因为可执行程序或者文件是存在于硬盘或者外设上的，而CPU只能从内存中读取数据，所以必须先将程序加载到内存中，才能被CPU运行。

4.2 为什么冯·诺伊曼体系结构为成为现代计算机的总体设计思路？

首先理清一个基本事实：凡是被广泛传播和大众喜欢的产品，一定是价格便宜质量OK，这个道理适用于几乎所有产品。有了内存的加入，既可以引入软件层的概念，比如引入操作系统，对整体的资源进行统筹规划和管理，而且有了OS的引入，机器的整体效率就会飞跃提升，达到需要四五个内存条或者其他更多运算设备的速度，大大降低成本