【Linux进程篇】冯诺依曼体系

作者：爱写代码的刚子
时间：2023.7.28
前言：本篇博客主要介绍Linux中进程概念之前的冯诺依曼体系，深入了解系统编程。本篇博客将带你深入了解计算机的冯诺依曼体系。

注意：我们在Linux上的编程叫做系统和网络编程，是Linux接口上的，所以Linux上的代码一般不能在VS上运行，除非是纯C/C++代码，因为平台不一样

冯诺依曼体系结构（1/3内容 ）

当代的计算机基本是按照冯诺依曼体系构成的

• 计算机硬件组成（五大单元）：
  a. 存储器是什么？就是内存。磁盘等外部存储的设备叫外存。
  b.输入单元（输入设备）：包括键盘，摄像头，鼠标，话筒，扫描仪，写板，磁盘，网卡等.
  c.输出单元（输出设备）：显示器，播放器硬件，打印机，磁盘，网卡等
  输入输出设备都叫做外设，有的设备既是输入设备又是输出设备（ 比如磁盘，网卡等 ）
  d.运算器：对输入的数据进行计算任务（算数运算，逻辑运算）
  e.控制器：对我们的计算硬件流程进行一定的控制
  中央处理器(CPU)含有运算器和控制器等（还有很多寄存器）

硬件和硬件之间并不是毫无章法地组合在一起， 虽然它们都是一个个独立的个体，但 硬件与硬件之间需要有协同的能力，硬件和硬件之间需要组织好，构建一个系统才能对外服务输出计算服务。

• 硬件如何进行连接？

各个硬件单元必须用“线”链接起来，总称为：总线（硬件之间用线链接）：
1.系统总线（CPU和内存交互的线 ）
2.IO总线（内存和外设，输入输出设备之间的线 ）
有的线是暴露的，有的线是集成在主板上的。

• 各个模块之间是如何协作的？

在冯诺依曼体系中，输入设备将数据交到存储器，然后中央处理器在存储器中拿数据（中央处理器不能直接从输入设备拿数据），中央处理器再将数据交给存储器（中央处理器不能直接将数据交给输出设备），存储器再将数据交给输出设备。

• 存储金字塔（存储是分级的）：

• 中央处理器能代替存储器直接处理输入输出设备的数据吗？

不能，因为中央处理器和外设速度代差太大了，如果直接处理，那速度就以输入输出设备的速度为主了。 所以内存起到了一个调和的作用（速度适中，存储大小适中），适配硬件层面上CPU和外设之间的速度差，有了内存，整机的速度就以内存为主了。

• 但是可能有人会说：这些动作不是串行的吗，只要是串行，即使有了内存速度也不会快多少吧？

由于CPU的存储空间是有限的，整个计算过程大概率是串行的，但有了存储器，不要以为输入设备将数据交给了存储器，CPU才运算，可能是输入设备它把数据已经预加载到存储器，CPU在内存读取数据时，该数据早已经全部加载到内存了

也就是说CPU的计算和加载同时运行，这样就由串行变成并行，通过对数据的加载调度，可以保证各个硬件之间可以并行跑起来（以上所有工作都是由操作系统来完成的）所以我们可以将存储器看成硬件级别的缓存空间，存储器（内存）在冯诺依曼体系中处于核心地位有了冯诺依曼体系以及存储器，才让计算机价格变低，使计算机得以普及。

• 一个程序要运行，必须先加载到内存中运行，为什么？

因为CPU只在内存中拿数据，而程序是在外设当中的，注定了必须将数据从外设加载到内存，然后才被计算机使用。这是由冯诺依曼体系规定的。所有的软件设计必须遵守对应的硬件结构，硬件是整个计算机的下限和边界，软件是上限和天花板，硬件规定必须加载到内存，软件也必须这么干

• 我们曾经写过的代码发现，数据是可能被缓存起来的，在哪里缓存？

我们在缓存的时候一定是在内存中缓存，缓存的本质就是按照冯诺依曼体系的正常写回流程，把它写到了我们的存储器，只不过我们没有将它进行刷新。

• 输入设备和CPU之间并不是完全没有交互，在数据上不需要交互，但是在信号控制上是需要交互的

有关冯诺依曼需要强调的地方：

• 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，所有设备都只能直接和内存打交道。

• 对冯诺依曼的理解，不能停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上，请解释，从你登录上qq开始和某位朋友聊天开始，数据的流动过程。从你打开窗口，开始给他发消息，到他的到消息之后的数据流动过程。如果是在qq上发送文件呢？(不考虑网络情况)

1. 登录QQ软件（将软件加载到内存）
2. 将消息放到内存
3. CPU将数据进行打包计算，将数据包写回内存，再把数据传给输出设备（网卡、显示器）。
4. 网卡作为输入设备接收信息
5. 信息传给内存
6. CPU对数据进行计算
7. 将数据返回给内存
8. 内存将数据给输出设备

如果给对方发送文件，输入设备为磁盘（从磁盘上读取）CPU，内存为掉电易失性存储介质

操作系统(Operator System)

概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统(OS)。笼统的理解，操作系统包括：

• 内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）
• 其他程序（例如函数库，shell程序等等）

计算机的层状结构：

设计OS的目的

• 与硬件交互，管理所有的软硬件资源
• 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境

定位

• 在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件

操作系统其实是一款进行（硬件、软件）管理的软件，为用户提供一个良好（稳定，高效，安全）的运行环境（后者是重点）

如何理解“管理”

• 管理的例子
• 描述被管理对象
• 组织被管理对象

总结

计算机管理硬件

1. 描述起来，用struct结构体
2. 组织起来，用链表或其他高效的数据结构

系统调用和库函数的概念

操作系统里面会有各种数据。但是操作系统不相信任何用户！

• • 在开发角度，操作系统对外会表现为一个整体，但是会暴露自己的部分接口，供上层开发使用，这部分由操作系统提供的接口，叫做系统调用。
• • 系统调用在使用上，功能比较基础，对用户的要求相对也比较高，所以，有心的开发者可以对部分系统调用进行适度封装，从而形成库，有了库，就很有利于更上层用户或者开发者进行二次开发。
• • 操作系统为了保证自己数据安全，也为了保证给用户能够提供服务，操作系统以接口的方式给用户提供调用的入口，来获取操作系统内部的数据
• • 接口是操作系统提供的用C语言实现的自己内部的函数调用。所有访问操作系统的行为，都只能通过系统调用来完成

所以我们把基于系统接口上的开发叫做系统编程，这也是我们之后的开发——基于系统接口之上。

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冯诺依曼体系（1/3的内容）