Linux冯诺依曼体系结构

Posted 2023-01-31 榶曲

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• 1.内存和外设的速度
• 2.内存的意义
• • 2.1无内存
  • 2.2有内存
• 3.冯诺依曼体系的理解
• 4.数据流的流向
• • 4.1单机
  • 4.2 跨主机

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。

它是由如下及部分构成：

• 这里的体系结构我们不考虑软件，只研究硬件

其中：

输入设备：键盘、话筒、摄像头、网卡、磁盘等

• 计算机的本质是计算数据，要计算数据第一步是想办法把数据交给计算机，需要有对应的设备来采集相应的数据，这就需要使用输入设备。

输出设备：显示器、磁盘、网卡、声卡、音箱等

• 计算机的作用是服务用户，计算完数据后需要将数据输出给用户，这就需要输出设备

存储器：内存

CPU；运算器、控制器

• 计算机的本质工作是计算，CPU就是用来计算的，这是必不可少的。

  比如我们今天买了一部手机，这个手机没有芯片，那也只能当作移到硬盘来用。

• 注意：同种设备可能即使输入设备，也是输出设备

  如磁盘、网卡等，

  1. 内存需要从磁盘中读取数据（为什么不是CPU读取下面会讲），这时它是输入设备，CPU处理好的数据需要经由内存放入磁盘，这里它就是输出设备。
  2. 我们在聊天软件如微信、QQ聊天时，别人将信息通过网卡传给我们，这时本地的网卡对于我们就是输入设备，我们将信息通过本地的网卡传给别人，此时本地的网卡就是输出设备。

• 存储器不是磁盘，是内存，之后会反复用到内存

1.内存和外设的速度

上面讲了冯诺依曼体系中输入设备、输出设备、CPU为什么存在，那为什么要有**存储器（内存）**呢？这是本文的一个重点。我们需要一一讲解。

我们必须先来简绍一个常识

• 输入设备、输出设备我们通常称之为外围设备，简称：外设（这个说法很多，我们这里称之为外设）

外设和内存特点：

外设的速度非常的慢

内存的速度比外设快的多

举例：

以磁盘为例（磁盘我们经常会接触到），我们在网上分别去买磁盘和存储器，磁盘我们可以买到七八百G的磁盘，而要是去买存储器（内存），只能买到4G或8G的内存条。

我们知道，内存和磁盘都可以保存数据，磁盘这样的设备我们将数据存入后，就不会丢失，而内存却是”掉电易失“存储介质，当我们的电脑突然关机将电源切断（对内存不在供电），内存中的数据也就没了。但内存的价格却是要比磁盘贵的。

内存凭什么贵呢？就凭它”掉电易失“吗？

当然不是这样，原因如下

1. 内存的优势就是存储数据快
2. 它本身制造成本高

谁都知道计算机越快越好，那为什么不把磁盘换成内存，提高存储速度，就是因为它的成本高。

如果将磁盘换为大小相同的内存，一台电脑的售价就会暴涨，这不是一般人能够消费的，不利于电脑的销售（不利于资本家挣钱），所以现在的电脑其实是一个性价比产品。

磁盘还是在我们自己电脑上，速度就慢于内存，而其它的外设，如网卡，需要借助网路，数据的传输更是在千里之外，速度就更慢了，所以我们必须明确一点，外设的速度相比于其它设备非常的慢。

2.内存的意义

上面讲了内存的速度要比外设的速度快，很多人会有疑问，计算机中快当然好，我们可以快速的存储数据，但是内存是”掉电易失“的，而且价格高，意味着我们最后存储数据的位置依然是磁盘，是不是可以去掉存储器，将CPU和输入设备输出设备直接连接呢？如下面的简易模型

首先，这么做一定是可以的，也能创造出一个计算机来，但是，这么做是要付出代价的。

这里在简绍一个概念：

• 在整个计算机中，内存还不是最快的，CPU以及CPU中的寄存器存储计算数据才是最快的。

  **注意：**寄存器最快，也最贵，存储数据最少，计算机中的数据很多，寄存器用来存储当前需要CPU运算的数据，不能被替代。

我们可以这样看代码计算机中各设备的速度：CPU的工作速度是纳秒级，内存的速度是微妙级，外设是毫秒级

1秒 (s) =1000 毫秒 (ms) = 1,000,000 微秒 (μs) = 1,000,000,000 纳秒 (ns)

这时我们已经知道，外设的速度是很慢的，而CPU的速度是非常快的，这要的计算机我们就能参考木桶原理

一个木桶中可以存放多少水，不是由最长的那片木头决定的，而是由最短的那片木头决定的。

再来看一下计算机，CPU的速度非常的快，而外设的速度非常慢，那该计算机整体的速率就以外设为主。

有了这些知识，下面我们看一下本文的重点，分别来看一下计算机在有无内存的情况下的速率。

2.1无内存

CPU每次处理数据的大小是有限的，在没有内存的情况下，输入设备向CPU直接传入数据，CPU计算后再向输出设备传输数据，接着等待输入设备下一次的数据传入，计算机整体的速率就是外设的速率。

2.2有内存

铺垫： CPU每次处理数据的大小有限，内存具有存储数据的能力，CPU的处理数据和内存加载数据可以同时进行。

根据统计学原理，当一个数据被访问时，那么下一次有很大可能访问的就是周围的数据，所以当CPU需要处理一段数据时，内存会将该数据和周围的数据一同加载进来，在CPU处理数据的同时，内存仍在工作，那下次CPU就可以在内存中获取数据。

输出数据也是相同的，CPU处理完数据后将数据放入内存中，当输出数据需要时，在从内存中获取。

所以，此时计算机的速率就是内存的速率

相对于无内存的情况，有内存时的情况要快很多。这就是内存的意义。

3.冯诺依曼体系的理解

结合上面的知识，根据这种图我们可以知道：

站在硬件和数据层面上，CPU与存储器相互传输数据，同时控制外设和存储器，告知需要处理的数据，汇总到存储器，在由CPU处理，处理后，返回给存储器，最后控制存储器存入外设。

总结：

1. 在数据层面上，CPU不和外设直接沟通，而是直接只和内存打交道
2. 在数据层面上，外设之和内存打交道

这就是为什么，我们常听说，我们编写的C程序需要在运行先加载到内存。

因为CPU之和内存打交道，可执行程序就是一个文件，它放在磁盘中，需要先将其从外设中加载到内存，CPU才可以使其运行从而得到结果。在Windows中双击后即加载到内存，Linux中使用./后加载到内存。

这就是用硬件方案解释软件现象。

扩展：

1. 我们经常说CPU当中有寄存器，实际上寄存器不仅在CPU中，在其它外设中也有寄存器。

   如：当我们敲击键盘时，键盘是先将获取到的内容存储在寄存器当中，然后通过寄存器将数据写入内存中。

2. 在物理层面，各个硬件单元之间是通过总线连接的，外设与内存之间的总线叫做IO总线，内存与CPU之间的总线叫做系统总线。

3. 在早些年的计算机中，因为芯片能力不强，有时是之间将外设中的数据传输给CPU，CPU计算完后在交给内存，在合适的时候由内存拿出数据。现在不在使用这个技术，而是在外设中使用DMA芯片，将外设的数据存入内存，不在利用CPU。

4. 在数据层面上，CPU不和外设交互，但有时候，有些控制信号需要二者交互。

   如：一些外设给CPU发送控制信号，请求帮助处理一些数据。

4.数据流的流向

我们以及有了对冯诺依曼体系的理解，接下来我们就可以看一下，在硬件层面，单机和跨主机之间，数据流是如何流向的！

也就是研究，我们使用./将我们的程序加载到内存，然后执行我们的代码，最后输出在外设显示器上打印，它的整个数据流在硬件上是如何走的。

该内容难度不高，作为理解软件的工具。

因为软件是无法脱离硬件的，当我们理解了硬件的数据流向，软件上的很多行为我们就可以尝试去理解它了。

4.1单机

以在音乐播放器（网易云音乐）播放音乐为例：

首先，我们的客户端软件，先加载到内存，然后由CPU执行，接着我们就看到了网易云的界面，

其次，我们点击播放音乐，通过外设的网卡，拿到数据，再将数据传输到内存，经CPU计算（此时的计算可以看作解析），计算后将计算结果返回到内存，由内存传到外设，传到计算机的音箱中播放出来。

4.2 跨主机

以两个人（A和B）在QQ中聊天为例：

当A给B发送”在吗？“，数据是怎样流的的？（不考虑网络）

要使用QQ，首先需要联网，而A和B的电脑都是冯诺依曼体系结构，在A向B发送消息的过程中，A的电脑充当输入设备、显示器和网卡是输出设备。B的电脑中网卡充当输入设备、显示器充是输出设备。

A在键盘上输入数据，在硬件上讲，将数据输入到内存，在软件上讲，将数据输入到QQ中。然后数据要经过计算和加密，经由CPU计算，将计算结果传回内存，由内存传到外设，这里是传到了两个地方，一个是A自己的显示器，因为他输入的消息，他自己也要看到，另一个传到了网卡，经由网卡传给B。

B的计算机通过网卡拿到数据，将数据传给内存，经过CPU进行解密操作，在传回内存，由内存传到外设中的显示器，使B看到该消息。

其中，将外设中的数据读入内存，将数据显示在显示器上和发送到网卡，都是由软件（QQ）内部自己来完成。

从外设获得数据这样的操作，我们并不少见，比如C语言中的scanf，printf，都是从外设获得数据。

总结： 数据的流动必须遵守冯诺依曼的结构。