深度解析Linux中的冯诺依曼体系

输入设备：键盘、鼠标、话筒、摄像头…网卡，磁盘（外存—外部存储）

输出设备：显示器，磁盘、网卡，打印机

CPU=运算器+控制器

存储器：内存

CPU获取、写入，只能从内存中来进行

软件运行其实就是CPU执行我们的代码，访问我们的数据！

所以为什么我们软件运行必须先加载，因为这个是体系结构规定的

数据是从一个设备拷贝到另一个设备

所以体系结构的效率：由设备的拷贝效率决定

CPU在数据层面，只和内存打交道，外设只和内存打交道

这张图展示了冯诺依曼体系结构的基本组成部分及其关系，下面结合这张图进行详细讲解：

图中模块的组成和作用

1. 输入设备：

• 位于左侧，是计算机系统的外部接口之一，用于将外界数据（如用户输入）传输到计算机内部。
• 数据通过输入设备（如键盘、鼠标等）进入系统后，被送入存储器。

1. 存储器：

• 位于图中央，存储器是冯诺依曼体系的核心部件之一，负责存储指令和数据。
• 存储器既可以存储程序（指令序列），也可以存储数据（供指令操作）。
• 存储器与输入设备和输出设备通过数据信号连接，与运算器和控制器通过控制信号和数据信号连接。

1. 运算器：

• 位于图的右下角，负责对数据进行算术运算和逻辑运算。
• 运算器是中央处理器（CPU）的重要组成部分，负责核心的计算任务。

1. 控制器：

• 位于运算器下方，与存储器、输入设备和输出设备通过控制信号连接。
• 控制器负责从存储器中取出指令，解释指令，并协调各部分完成任务。它是计算机的“大脑”。

1. 输出设备：

• 位于右侧，用于将计算结果或处理信息输出到外部（如显示器、打印机）。
• 输出设备接收来自存储器或运算器的数据，经过一定的转换后呈现给用户。

图中的连接线条解读

1. 红色箭头（数据信号）：

• 表示输入设备、存储器、运算器和输出设备之间的数据传递路径。
• 数据信号的方向反映了数据在不同模块间的流动。例如：
  • 输入设备将数据传入存储器。
  • 存储器将数据传送到运算器，供其进行计算。
  • 运算器的计算结果可通过输出设备传递给用户。

1. 黑色箭头（控制信号）：

• 表示控制器向其他模块发送的控制信号，用于协调和指挥各模块的工作。
• 控制器决定存储器、输入设备和输出设备的工作流程，包括指令取出、数据传输等。

图中体系的工作流程

1. 输入阶段：

• 输入设备将外部数据或指令输入到存储器中，存储器负责存储这些数据或程序。

1. 指令处理阶段：

• 控制器从存储器中读取指令，进行解码，判断指令的类型和操作数。
• 若指令涉及数据处理，控制器会从存储器中取出相应数据，并送到运算器。

1. 计算阶段：

• 运算器对数据进行操作（如加法、减法、逻辑比较等），并将结果返回存储器或直接传递到输出设备。

1. 输出阶段：

• 通过输出设备将计算结果或处理信息输出，供用户查看或进一步使用。

冯诺依曼体系的特性（结合图解）

1. 存储程序概念：

• 存储器同时存储数据和程序指令，二者以相同的方式存取。
• 存储器通过控制器连接其他部件，保证程序与数据的统一管理。

1. 顺序执行：

• 控制器从存储器按地址顺序取指令，指令按逻辑顺序执行，直至遇到跳转指令。

1. 单总线设计：

• 从图中可以看出，各模块通过信号线（类似总线系统）互连，数据、指令和控制信号通过统一的信道传递。

结合图的冯诺依曼瓶颈

1. 瓶颈描述：

• 存储器、控制器、运算器之间数据传递共享同一通道，导致处理器性能可能受制于数据传输速度（即冯诺依曼瓶颈）。

1. 图中体现：

• 红色箭头和黑色箭头指向存储器，反映了数据和指令访问频率高，这会成为系统性能的瓶颈。

通过这张图，我们可以直观理解冯诺依曼体系的结构和工作原理，同时也能认识到其瓶颈所在。这种设计为计算机技术的发展奠定了基础，但随着需求的变化，后续体系结构进行了许多改进，比如缓存技术、并行计算等。

冯诺依曼体系（Von Neumann Architecture）是现代计算机设计的基础概念之一，由数学家和计算机科学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）于1945年提出。这种体系结构定义了计算机的基本结构和工作原理，深刻影响了计算机的设计与发展。以下是对冯诺依曼体系的深度讲解：

冯诺依曼体系的核心思想

1. 存储程序概念：

• 冯诺依曼体系提出计算机程序和数据可以存储在同一存储器中，并通过统一的方式进行管理和访问。
• 程序的指令和操作的数据都以二进制形式存储在内存中。

1. 分离硬件功能：

• 将计算机系统分为五大核心部分：
  1. 运算器（ALU, Arithmetic Logic Unit）：负责执行算术和逻辑操作。
  2. 控制器（Control Unit）：负责从内存中读取指令，解释并执行指令，协调其他部件的工作。
  3. 存储器（Memory Unit）：用于存储程序和数据。
  4. 输入设备（Input Device）：负责接收用户输入（如键盘、鼠标）。
  5. 输出设备（Output Device）：将计算结果展示给用户（如显示器、打印机）。
• 这种模块化设计使计算机结构清晰，易于实现和改进。

1. 顺序执行的控制流：

• 指令按存储顺序逐条读取和执行，程序的执行是线性的，除非遇到跳转指令（如条件跳转和循环）。

1. 统一的总线系统：

• 数据、指令和地址通过统一的总线系统在不同部件之间传递。

冯诺依曼体系的工作原理

冯诺依曼计算机遵循指令周期的概念，每个周期分为以下步骤：

1. 取指令（Fetch）：

• 控制器从内存中读取当前指令，指令地址由程序计数器（PC, Program Counter）指定。

1. 译指令（Decode）：

• 控制器对取到的指令进行解码，判断操作类型（如加法、跳转等）和操作数位置。

1. 执行指令（Execute）：

• 运算器根据解码结果执行指令，例如完成算术运算、存取数据、修改寄存器等。

1. 存储结果（Write Back）：

• 执行的结果可能需要存入内存或寄存器中，以备后续操作使用。

1. 更新程序计数器（PC）：

• 程序计数器指向下一条指令地址，准备进入下一个指令周期。

冯诺依曼体系的优点

1. 通用性强：硬件与程序分离，通过更换程序可以完成不同任务。
2. 简单性与经济性：统一的存储器设计和总线系统降低了设计和制造成本。
3. 模块化设计：分离功能模块便于扩展和维护。

冯诺依曼体系的局限性

1. 冯诺依曼瓶颈：

• 指令和数据共享同一存储器和总线，导致CPU与内存之间的通信速度受限。现代高速处理器的运行速度往往超过内存速度，形成瓶颈。

1. 存储与处理分离：

• 数据和指令需要频繁在内存和CPU之间传输，这种存储与处理分离的模式增加了功耗和延迟。

1. 功耗问题：

• 随着指令和数据流量的增加，频繁的存储器访问导致系统功耗显著提高。

1. 顺序执行的限制：

• 冯诺依曼体系强调指令顺序执行，虽然可以通过跳转实现非线性执行，但并未天然支持现代复杂并行计算。

现代改进

为了克服冯诺依曼体系的一些局限性，现代计算机体系结构进行了多种改进：

1. 缓存（Cache）：

• 在CPU中加入多级缓存（L1、L2、L3），减少内存访问的延迟。

1. 分布式计算和并行处理：

• 使用多核处理器、超线程技术等提高计算效率。

1. 哈佛架构：

• 一些嵌入式系统采用哈佛架构，将指令和数据存储器分离，避免冯诺依曼瓶颈。

1. 流水线技术：

• 通过指令流水线（Pipeline），让多个指令的不同阶段同时进行，提高指令执行效率。

1. 分级存储：

• 使用寄存器、缓存、主存和外存等多级存储设备，根据访问速度和存储容量进行优化。

总结

冯诺依曼体系是现代计算机设计的理论基石，其存储程序的概念极大推动了计算机技术的发展。然而，其设计中的瓶颈问题随着技术进步愈发明显，促使人们不断探索新的体系结构以提高计算机性能。尽管如此，冯诺依曼体系在理论和实践上的贡献仍不可磨灭。