【Linux】操作系统之冯诺依曼体系

小伙伴们大家好，本片文章将会讲解 操作系统中 冯诺依曼体系 的相关内容。


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1. 冯诺依曼体系介绍

🎧1.1 冯诺依曼体系结构介绍🎧

冯·诺伊曼体系是 计算机体系结构的一种基本设计范式，以美国数学家兼计算机科学家约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann）的名字命名。该体系结构是20世纪40年代末和50年代初期发展起来的，并且至今仍然是现代计算机设计的基础之一。

冯·诺伊曼体系主要包括以下几个重要组成部分：

1. 存储器（Memory）：计算机内部用于存储数据和指令的地方。在冯·诺伊曼体系中，数据和指令都以二进制形式存储在存储器中，并且可以通过地址访问。
2. 中央处理器（Central Processing Unit，CPU）：负责执行计算机程序中的指令，并处理数据的部件。CPU包括 算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）负责执行算术和逻辑运算，以及 控制单元（Control Unit）负责控制指令的执行顺序。
3. 输入输出设备（Input/Output Devices，I/O Devices）：用于与计算机进行交互的外部设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等。输入输出设备通过输入输出接口（I/O Interface）与计算机连接。

🎧1.2 冯诺依曼体系结构示意图🎧

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，扫描仪, 写板等；
• 中央处理器(CPU)：含有运算器和控制器等；
• 输出单元：显示器，打印机等。

关于冯诺依曼，必须强调几点：

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。
4. 一句话，所有设备都只能直接和内存打交道。
5. 这些条件都是为了保证计算机处理数据的效率。

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2. 为什么会出现冯诺依曼体系

计算机就是为了解决问题而产生的，既然要解决问题，那么它就要接收相应数据，接收完数据，在计算机中进行一系列的算数与逻辑运算，然后再将数据通过输出设备进行输出，于是就有了以下的流程图：

但是相较于中央处理器（CPU）来说，外设（输入输出设备）的速度是非常慢的，于是，整个计算机的处理数据的速度就不是取决于CPU而是取决于外设了（根据木桶原理），下图是一个存储器层次结构全景图，表示了计算机中各种存储设备的处理数据的速度：

因此为了解决此问题，就不让外设直接和CPU进行交互，在中间加了内存：

🎧2.1 内存的特点🎧

内存处理数据的速度比外设要快上很多，但是比CPU又要慢，内存在外设和CPU中间起到了缓冲的作用。


现在这个体系的流程就是：

1. 用户通过输入设备输入数据，数据会先存放到内存，
2. CPU处理数据时就到内存中读取数据，处理完之后又放到内存中，
3. 然后当输出设备需要时，再将内存中的数据输出到输出设备中。
   
   

那为什么加上内存计算机处理速度就会变快呢？

1. 首先 内存是有容量大小的，所以他就有装在数据的能力；
2. 当CPU要访问数据时，内存会将CPU 要访问的数据以及它的周围的数据 从输入设备一同加载到内存中；
3. 并且CPU 处理数据是可以和内存加载数据同时进行的，这样当下次CPU访问数据的时候就可以直接从内存中获取数据；
4. 数据处理完成之后， CPU 将处理完的数据存储到内存中（一般存储在缓冲区中），当输出设备需要在内存中的数据时，就会冲刷缓冲区。
   • 这就是Linux中的fflush()函数强制冲刷缓冲区和缓冲区满了也要强制冲刷缓冲区的底层含义。

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3. 冯诺依曼体系的深度理解

我们这里会举一个例子来理解冯诺依曼系统：

当用微信和朋友聊天时数据的流动过程：

我们这里只涉及两台电脑中的数据流动的过程，至于网络的相关内容先暂且不谈：

你自己的电脑：

1. 首先你从键盘（输入设备）输入数据；
2. 计算机将你输入的数据加载到内存中；
3. CPU从内存中获取你输入的数据，然后进行相关的处理（加密类似的操作）；
4. CPU将处理完成的数据重新加载到内存中；
5. 网卡这个输出设备需要从内存中获取CPU处理完的数据。

你朋友的电脑：

1. 你朋友电脑上的网卡充当了输入设备，获取你发送的信息；
2. 信息加载到内存中；
3. CPU从内存中获取信息，进行处理（解密）；
4. CPU将处理完成的数据重新加载到内存中；
5. 显示器充当了输出设备，从内存中获取CPU解密的相应信息，也就是你所发送的信息。