冯 • 诺依曼体系结构

从此篇开始，就开始学习 Linux 系统部分 —— 进程，在正式学习 Linux 进程之前，我们需要铺垫一些概念，如冯诺依曼体系结构、操作系统的概念及定位、进程概念，我们会先铺垫理论，再验证理论。其次对于某些需要深入的概念我们只是先了解下。本文中的 fork 只会介绍基本使用，以及解答 fork 为啥会有 2 个返回值、为啥给子进程返回 0，而父进程返回子进程的 pid；而对于用于接收 fork 返回值的 ret 是怎么做到 ret == 0 && ret > 0、写时拷贝、代码是怎么做到共享的、数据是怎么做到各自私有的等问题会在《Linux进程控制》中进行展开。

一、冯 • 诺依曼体系结构

💦 体系结构

冯 • 诺依曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。数学家冯 • 诺依曼提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成 (运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备)，这套理论被称为冯 • 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。其中：

1. 输入设备：键盘、鼠标 … …。
2. 输出设备：显示器、音响 … …。
3. 存储器：如没有特殊说明一般是内存。
4. 运算器：集成于 CPU，用于实现数据加工处理等功能的部件。
5. 控制器：集成于 CPU，用于控制着整个 CPU 的工作。

各个组件之间的互通是通过 “ 线 ” 连接实现的，这可不是那种电线杆上的线，因为计算机更精密，所以使用 “ 主板 ” 来把它们关联在一起。

💦 数据流向

冯 • 诺依曼体系结构规定了硬件层面上的数据流向，所有的输入单元的数据必须先写到存储器中 (这里只是针对数据，不包含信号(通过外设直接对 CPU 交互))，然后 CPU 通过某种方式访问存储器，将数据读取到 CPU 内部，运算器进行运算，控制器进行控制，然后将结果写回到内存，最后将结果传输到输出设备中。

我们在 C/C++ 中说过，可执行程序运行时，必须加载到内存，为啥 ❓

在此之前先了解一下计算机的存储分级，其中寄存器离 CPU 最近，因为它本来就集成在 CPU 里；L1、L2、L3 是对应的三级缓存；主存通常指的是内存；本地存储(硬盘)和网络存储通常指的是外设。

如图所示，这样设计其实是因为造价的原因，对于绝大多数的消费者，你不可能说直接把内存整个 1 个 T 吧，当然，氪金玩家除外。

其中通过这个图，我们想解释的是为啥计算机非得把数据从外设(磁盘) ➡ 三级缓存(内存) ➡ CPU，而非从外设(磁盘) ➡ CPU。

  原因是因为离 CPU 更近的，存储容量更小、速度更快、成本更高；离 CPU 更远的，则相反。假设 CPU 直接访问磁盘，那么它的效率可太低了。这里有一个不太严谨的运算速度的数据，CPU 是纳秒级别的；内存是微秒级别的；磁盘是毫秒级别的。当一个快的设备和一个慢的设备一起协同时，最终的运算效率肯定是以慢的设备为主，就如 “ 木桶原理 ” —— 要去衡量木桶能装多少水，并不是由最高的木片决定的，而是由最短的木片决定的。也就是说一般 CPU 去计算时，它的短板就在磁盘上，所以整个计算机体系的效率就一定会被磁盘拖累。所以我们必须在运行时把数据加载到内存中，然后 CPU 再计算，而在计算的期间可以同时让输入单元加载到内存，这样可以让加载的时间和计算的时间重合，以提升效率。

  同理因为效率原因 CPU 也是不能直接访问输出单元的，这里以网卡为例，我刚发条 qq 消息给朋友，发现网络很卡，四五秒才发出去，而在这个过程，你不可能让 CPU 等你四五秒吧，那成本可太高了，所以通常 CPU 也是把数据写到内存里，合适的时候再把数据刷新到输出单元中。

  所以本质上可以把内存看作 CPU 和所有外设之间的缓存，也可以理解成这是内存的价值。

💨小结：所有数据 ➡ 外设 ➡ 内存 ➡ CPU ➡ 内存 ➡ 刷新到外设，其中 CPU 不直接和外设交互，外设只和内存交互。注意一定要区分清楚某些概念是属于 “ 商业化的概念 ” 还是 “ 技术的概念 ”。

💦 实例

对冯诺依曼的理解，不能只停留在概念上，要深入到对软件数据流理解上，请解释，你在qq 上发送了一句 “ 在吗 ” 给朋友，数据的流动过程 ？如果是在 qq 上发送文件呢 (注意这里的计算机都遵循冯 • 诺依曼体系结构，且这里不谈网络，不考虑细节，只谈数据流向) ？

☣ 消息：

☣ 文件：

本质上发消息和发文件是没有区别的。学习这里实例的意义是让我们在硬件层面上理解了它的数据流，你的软件无论是 QQ、WeChat 等都离不开这样的数据流。