linux_进程周边知识——理解冯诺依曼体系结构

作者：正经夜光杯 | 2024-07-14 20:07:34

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前言： 本篇内容是为了让友友们较好地理解进程的概念，而在真正了解进行概念之前，要先了解一下冯诺依曼体系结构。所以博主会先对冯诺伊曼体系结构进行解释，然后再讲解进程的概念。

ps：本篇内容适合了解一些linux指令地友友们进行观看

冯诺依曼体系结构硬件

下面是整个冯诺依曼体系结构

        储存器：友友们第一眼看到储存器，可能认为储存器就是我们电脑上面的内存、磁盘、u盘这种存储设备，但是其实存储器其实只是电脑上面的内存。而磁盘， u盘这种其实是输入输出设备。

        输入输出设备：计算机是为了帮助人们进行计算的，而我们要进行某个数据地计算，就要能够将这个数据写入计算机的内存中，然后计算机还能将结果反馈给我们。但是我们的计算机只能够认识0101这种二进制文字，而我们人是不能够识别这些文字的。所以我们就很难直接访问内存，必须要借助一些输入输出设备。通过这些设备将我们人的文字转化为二进制文字输入给计算机，然后通过输出设备将这些二进制文字转化为人的文字反馈给我们。

常见的输入设备有：键盘、鼠标、磁盘、u盘、网卡、摄像头、话筒等等

常见的输出设备有：显示器、播放器硬件、磁盘、网卡等等

通过上面的输入输出设备我们可以发现，有的硬件是纯的输入设备，有的硬件是纯的输出设备。有的硬件既是输入设备，又是输出设备。

比如说网卡和磁盘，我们有时候需要从磁盘中读取数据进行计算，那么它就是输入设备。当我们需要从磁盘中输出数据进行计算，那么他就是输出设备；又比如网卡，我们需要从网络中获取资源时，那么网卡就是输入设备。我们需要在网络中发送资源时，那么网卡就是输出设备。

运算器：运算器是计算机中对数据进行计算的，计算分为两种——算术运算和逻辑运算。

控制器：对于计算机来说，什么时候将输入设备的数据放入到存储器。什么时候将存储器的数据放到运算器。什么时候将运算器的数据取出再放回到存储器中，是由控制器控制的。

注：上面的输入输出设备被称为外设。上面的运算器和控制器也就是中央处理器被称为cpu。

我们也要知道，计算机的本质就是一堆硬件的集合，并且这些硬件之间有协同的能力。

硬件也就是组件，组件和组件之间需要使用某种方式传递信号， 当代计算机的组成，都是由冯诺依曼体系结构构成的。



上面那些硬件——存储器、输入输出设备、运算器、控制器等都是独立的个体，但是各个硬件单元必须要用“线”连接起来，这些线叫做总线。总线分为两类——IO总线、系统总线。

其中cpu和存储器，也就是和内存中进行交互的叫做系统总线。外设和存储器交互的叫做IO总线。

冯诺依曼的存储

注意，是存储，不是存储器。

存储等级

首先这里要对上面这张图进行解释。对于计算机整个结构来说，一共有这么多层存储结构。第一层是寄存器，然后是一级存储，二级存储，三级存储，内存以及磁盘。这些存储结构，从上到下容量越来越大，速度越来越慢，价格越来越低。

对于寄存器和内存以及磁盘的存储速度来说：寄存器的速度可以达到纳秒级别，然后内存的速度可以达到微妙级别，外存的速度可以达到毫秒级别。也就是说，三个存储结构的相差级次达到了10的三次方。

存储器的作用

那么进入主题，我们思考一下对于冯诺依曼体系结构来说，不能将存储器直接去掉。让输入设备直接通向中央处理器再前往输出设备，这是为什么？答案是因为输入输出设备的速度和cpu的差距太大了。下面对细节进行解释：

首先木桶原理告诉我们，木桶的存水量由最短的那个短板所决定。那么对于计算机来说，寄存器的存储速度最快。而磁盘也就是输入输出设备的存储速度最慢。那么也就是说，磁盘决定了整个冯诺依曼体系的运行速率。那么去掉存储器也就是内存后，整个计算机体系的运行速率仍然由输入和输出设备进行决定。那么去掉存储器的意义就不会太大。

那么友友们就会疑惑了，那么既然去掉存储器和不去掉存储器。根据木桶效应计算机体系的效率都是由输入输出设备进行决定，那么为什么还要加存储器增加计算机的成本呢？

这个问题很重要很重要，为什么？原因就是“缓存原理”——这个词不是官方，这个词是博主为了好理解，自己说的。佬们笑一笑就好。

首先我们要知道，内存的存储空间一般都在1g到32g（目前一般的电脑都在16g，有可能有的电脑更多，而且也很少有1， 2g的电脑了）。那么我们的内存就可以在cpu没有工作的时候，先将输入输出设备的数据预缓存到自己里面。等到cpu开始工作的时候，就将这些预先缓存好的数据再放到cpu中解析与处理。这个时候内存还能基于预缓存输入输出设备输送过来的其他数据。这就是IO，系统两条总线并行。可以大大加快整个系统的工作效率。

那么，有的友友可能又会问。博主，那既然cpu里面的存储那么快，为什么不将计算机的内存，磁盘，这些存储设备都换成cpu这样的呢？

对于这个问题，首先我们要重新知道， cpu的存储空间，其实就是寄存器。那么我们知道，寄存器的造价非常昂贵，可使用的内存非常小。要想造出一台几百个g寄存器的计算机，成本非常高。一般群众用不起——要知道，计算机造出来，就是要给群众使用的，计算机之所以能发展的这么好，就是因为它还算便宜。如果一台计算机几十几百万，那么没有多少人会用。当然有人会用，但是还是在少数。所以，现在有一套成本低，效率不错的计算机体系结构——冯诺依曼，为什么不用。所以，冯诺依曼，我们的现在的计算机还在使用它。

冯诺依曼的数据流动

程序的运行

那么，关于为什么不去掉存储器的问题我们想清楚后，再来思考一个问题：一个程序要运行，为什么要加载到内存中呢？（这里可能有点友友不知道程序要运行必须加载到内存中，这里记住就可以）

那么，我们就要知道，对于内存来说，内存是一个断电易丢失数据的存储空间。那么一个程序我们能够长久地保存在计算机中，那么它势必是存储在磁盘中。也就是说，程序是放到输入设备中的，而cpu只从内存中拿数据。所以，一个程序想要被cpu计算，那么这个程序就要被放到内存中。所以，程序在运行之前，一定要先将程序缓存到内存中，然后cpu再从内存中拿到数据。这个过程，是由冯诺依曼体系决定的。所以，软件在执行的时候，必须遵守硬件的规则。硬件就是底层和下限，软件就是上层和天花板。

数据的打印

第二个问题：为什么对于打印一行的数据来说，默认的数据，是可能被缓存起来的？在哪里缓存呢？

首先，数据是默认缓存到内存的某个区域，如果这时缓存区没有满或者没有换行符，那么这个缓存区就不会刷新，只有刷新后，那么才会将缓冲区的数据全都打印出来。这就是为什么我们经常看到一行一行的打印数据。

网络交互数据的流动

第三个问题，我们在网络上发送文件，发送消息聊天的时候。数据是怎么流动的呢？

现在我们有张三和李四两个人，两个都登录了qq，并且两个人还在聊天。

那么假如张三给李四发了一条消息。首先，张三从键盘上输入，然后输入的内容进入到了存储器之中进行缓存，然后这些内容有传送到了cpu之中进行计算，然后返回到内存之中，又从内存之中输送到张三的显卡之中。李四的电脑上面的网卡接收到张三网卡中传送过来的信息后，将数据缓存到内存中，然后放到cpu中进行计算放回内存，最后从内存取出放到李四的显示屏上。这就是聊天时的数据流动。

那么发送文件是类似的。假如张三给李四发了一个文件，首先，张三的电脑要从磁盘里拿到这个文件放到存储器中进行缓存，然后内存中的文件放到cpu中进行解析和计算。完成之后放回存储区，然后输送到网卡中，进而输送到李四的网卡中。那么李四的网卡接受到文件之后就将文件放到存储区，然后经过cpu的解析与计算放回存储区，再从存储区输送到李四电脑的磁盘中。这就是传送文件时的流动。

综上，我们其实可以发现，在冯诺依曼体系中的数据传送，归根结底就是就是两台冯诺依曼依靠输入输出设备，网卡等硬件，将数据进行传送的过程。

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以上，就是本节全部内容，下面是本节的笔记

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