『Linux』 第四章 进程—— 冯诺依曼体系结构
冯诺依曼体系结构
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结构。
截至目前，我们所认识的计算机，都是有一个一个的硬件组件组成
- 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：
- 这里的存储器指的是内存
- 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）
- 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
- 一句话，所以设备都只能直接和内存打交道。
分析内存的重要性
这里我们思考下，为什么我们的体系结构中一定要有内存，为什么CPU在处理数据的时候必须要从内存中拿，不能直接通过输入设备获取到吗？
这里我们需要了解到，对于输入和输出设备，它们被统称为外围设备，对于像磁盘这种外围设备，虽然它有着大容量的内存，但是读写速度却非常的慢，机械硬盘读写速度平均60---80M每秒；固态硬盘不同品牌型号之间,平均大约在150---300M每秒。
但是对于CPU而言，它的运算速度是每秒百万次执行指令，对比磁盘就快了好多倍，那么一个写入很慢，一个读取很快，真的可以兼容吗？
这里有个效应可以很清晰的描述这个现象
【木桶效应】：
一个木桶的承水量不取决于木桶中最长的那块板，而取决于最短的那块板。
对于我们上面所说的 磁盘和CPU：一个输入，一个读取；一个慢，一个块，虽然二者的维度不同，但计算机还是会按慢的那个来执行，也就是说整体的效率以外设为主了
那么一个慢，一个快，该怎么解决呢？
此时就是使用了冯诺依曼体系结构中的【存储器】，也就是内存，因为对于内存，它虽然比CPU慢一些，但是却比磁盘快了很多，它们三者的速度大致可以如下比较
- CPU —— 纳秒（ns）
- 内存 —— 微秒（us）
- 外设 —— 毫秒（ms）
可以看出CPU和外设之间的速度差距，所以它们之间是无法进行速度上的兼容的，所以就有了内存这个东西，来作为中介
于是，这样CPUT 后面想要处理数据的时候，就会直接去内存中拿，无需在与外设进行交互造成不兼容的问题/
可是CPU中不是有个叫寄存器的东西吗，也可以起到临时存储的功能，那为什么不直接用它呢？
这是因为寄存器太贵了，无法广泛去使用，而内存既能够完成我们所需要的功能，而且性能还不怎么差，同时也便宜。
为什么执行程序需要先加载到内存呢？
我们自己的代码和数据、编译好的指令，是由CPU执行的，上面我们上面也分析，解释了CPU和外设之间速度上的不兼容，而我们的文件也都是存放在磁盘的，所以，这也就解释了我i什么我们的程序要先加载到内存中，因为CPU只会去内存中读数据，体系结构决定了这一切！
开机的时候为什么要加载操作系统呢？
也是同样的道理，操作系统的底层也是各种指令和数据，这些都是需要CPU去解析的，它解析完了操作系统才能正常运行起来，但是CPU只能到内存中去拿数据，所以在开机的时候把操作系统率先加载进内存中CPU就方便很多了，不需要再和外设去进行交互。
冯诺依曼体系结构的应用
理解数据在网络中的流动
假如你现在在上网，使用微信给你的朋友发送了一个消息，那此时这个数据在网络中进行流动的呢？假设你们的电脑都是基于冯诺依曼体系结构，那么就会有以下的一个流程
下面流程不涉及网络，只是谈数据在各个器件中的流动
- 当你使用【输入设备】，比如键盘，发送了一条信息，那么这条信息就会被读取到了计算机内部，被暂时存放在了 【内存】中，接着 【CPU】就回到内存中去读取数据，解析里面的指令然后由 【运算器】进行运算，接着通过【控制器】将这些信息由【输出设备】，例如：网卡，转发到网络中进行传输，网络内是如何传输的，以后再说。
- 当对方的电脑，通过【输入设备】，例如：网卡，将网络中传输过来的数据输入到它的计算机中，也是将其存到 内存中，然后CPU同样去内存中拿出这些数据再进行处理，转换成我们可以识别的样子，再通过【输出设备】，例如：显示器，将信息打印到屏幕上，同样他也可以给你发一条信息，也是相同的流程，至此，你们就实现了相互通信。
注： 计算机内部之间的读取，本质上就是不同设备间进行的拷贝，所以，设备拷贝效率本质就是计算机的效率。
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