馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)518

1、風(fēng)諾依曼體系結(jié)構(gòu)說到計算機的發(fā)展，就不能不提到美籍匈牙利科學(xué)家馮諾依曼。從20世紀初，物理學(xué)和電子學(xué)科學(xué)家們就在爭論制造可以進行數(shù)值計算的機器應(yīng)該采用什么樣的結(jié)構(gòu)。人們被十進制這個人類習(xí)慣的計數(shù)方法所困擾。所以，那時以研制模擬計算機的呼聲更為響亮和有力。20世紀30年代中期，德國科學(xué)家馮諾依曼大膽的提出，拋棄十進制，采用二進制作為數(shù)字計算機的數(shù)制基礎(chǔ)。同時，他還說預(yù)先編制計算程序，然后由計算機來按照人們事前制定的計算順序來執(zhí)行數(shù)值計算工作。目錄1內(nèi)容概述 2對計算機發(fā)展的 3非諾依曼化 目錄1內(nèi)容概述 2對計算機發(fā)展的 3非諾依曼化 收起 編輯本段內(nèi)容概述 馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮諾依曼理論的要點是

2、：數(shù)字計算機的數(shù)制采用二進制；計算機應(yīng)該按照程序順序執(zhí)行。 人們把馮諾依曼的這個理論稱為馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。從eniac到當(dāng)前最先進的計算機都采用的是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。所以馮諾依曼是當(dāng)之無愧的數(shù)字計算機之父。 根據(jù)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成的計算機，必須具有如下功能：把需要的程序和數(shù)據(jù)送至計算機中。必須具有長期記憶程序、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果及最終運算結(jié)果的能力。能夠完成各種算術(shù)、邏輯運算和數(shù)據(jù)傳送等數(shù)據(jù)加工處理的能力。能夠根據(jù)需要控制程序走向，并能根據(jù)指令控制機器的各部件協(xié)調(diào)操作。能夠按照要求將處理結(jié)果輸出給用戶。馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)為了完成上述的功能，計算機必須具備五大基本組成部件，包括：輸入數(shù)據(jù)和程序的輸入

3、設(shè)備、記憶程序和數(shù)據(jù)的存儲器、完成數(shù)據(jù)加工處理的運算器、控制程序執(zhí)行的控制器、輸出處理結(jié)果的輸出設(shè)備。 編輯本段對計算機發(fā)展的限制 從計算機誕生那天起，馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)占據(jù)著主導(dǎo)地位，幾十年來計算機體系結(jié)構(gòu)理論并沒有新理論出現(xiàn)。隨著計算機應(yīng)用范圍的迅速擴大，使用計算機解決的問題規(guī)模也越來越大，因此對計算機運算速度的要求也越來越高。而改進計算機的體系結(jié)構(gòu)是提高計算機速度的重要途徑，從而促進了計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，出現(xiàn)了諸如數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)、并行邏輯結(jié)構(gòu)、歸約結(jié)構(gòu)等新的非馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。 體系結(jié)構(gòu)馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代計算機的基礎(chǔ)，現(xiàn)在大多計算機仍是馮.諾依曼計算機的組織結(jié)構(gòu)，只是作了一些改進而已

4、，并沒有從根本上突破馮體系結(jié)構(gòu)的束縛。馮.諾依曼也因此被人們稱為“計算機之父”。然而由于傳統(tǒng)馮.諾依曼計算機體系結(jié)構(gòu)天然所具有的局限性，從根本上限制了計算機的發(fā)展。 (1)采用存儲程序方式，指令和數(shù)據(jù)不加區(qū)別混合存儲在同一個存儲器中，（數(shù)據(jù)和程序在內(nèi)存中是沒有區(qū)別的,它們都是內(nèi)存中的數(shù)據(jù),當(dāng)eip指針指向哪 cpu就加載那段內(nèi)存中的數(shù)據(jù),如果是不正確的指令格式,cpu就會發(fā)生錯誤中斷. 在現(xiàn)在cpu的保護模式中,每個內(nèi)存段都其描述符,這個描述符記錄著這個內(nèi)存段的訪問權(quán)限(可讀,可寫,可執(zhí)行).這最就變相的指定了哪個些內(nèi)存中存儲的是指令哪些是數(shù)據(jù)）馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)指令和數(shù)據(jù)都可以送到運算器進行運

5、算，即由指令組成的程序是可以修改的。 (2)存儲器是按地址訪問的線性編址的一維結(jié)構(gòu)，每個單元的位數(shù)是固定的。 (3)指令由操作碼和地址組成。操作碼指明本指令的操作類型,地址碼指明操作數(shù)和地址。操作數(shù)本身無數(shù)據(jù)類型的標(biāo)志，它的數(shù)據(jù)類型由操作碼確定。 (4)通過執(zhí)行指令直接發(fā)出控制信號控制計算機的操作。指令在存儲器中按其執(zhí)行順序存放，由指令計數(shù)器指明要執(zhí)行的指令所在的單元地址。指令計數(shù)器只有一個，一般按順序遞增，但執(zhí)行順序可按運算結(jié)果或當(dāng)時的外界條件而改變。 (5)以運算器為中心，i/o設(shè)備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送都要經(jīng)過運算器。 馮諾依曼體系結(jié)構(gòu) (6)數(shù)據(jù)以二進制表示。 從本質(zhì)上講，馮.諾依曼體系

6、結(jié)構(gòu)的本征屬性就是二個一維性，即一維的計算模型和一維的存儲模型，簡單地說“存儲程序”是不確切的。而正是這二個一維性，成就了現(xiàn)代計算機的輝煌，也限制了計算機的進一步的發(fā)展，真可謂“成也馮，敗也馮”。 馮諾依曼計算機的軟件和硬件完全分離，適用于作數(shù)值計算。這種計算機的機器語言同高級語言在語義上存在很大的間隔，稱之為馮.依曼語義間隔。造成這個差距的其中一個重要原因就是存儲器組織方式不同，馮諾依曼機存儲器是一維的線性排列的單元，按順序排列的地址訪問。而高級語言表示的存儲器則是一組有名字的變量，按名字調(diào)用變量，不考慮訪問方法，而且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)經(jīng)常是多維的（如數(shù)組，表格）。另外，在大多數(shù)高級語言中，數(shù)據(jù)和指令

7、截然不同，并無指令可以像數(shù)據(jù)一樣進行運算操作的概念。同時，高級語言中的每種操作對于任何數(shù)據(jù)類型都是通用的，數(shù)據(jù)類型屬于數(shù)據(jù)本身，而馮.諾依曼機的數(shù)據(jù)本身沒有屬性標(biāo)志，同一種操作要用不同的操作碼來對數(shù)據(jù)加以區(qū)分。這些因素導(dǎo)致了語義的差距。如何消除如此大的語義間隔，這成了計算機面臨的一大難題和發(fā)展障礙。 馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)的局限嚴重束縛了現(xiàn)代計算機的進一步發(fā)展，而非數(shù)值處理應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ嬎銠C性能的要求越來越高，這就亟待需要突破傳統(tǒng)計算機體系結(jié)構(gòu)的框架，尋求新的體系結(jié)構(gòu)來解決實際應(yīng)用問題。目前在體系結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)有了重大的變化和改進，如文章開頭提到的并行計算機、數(shù)據(jù)流計算機以及量子計算機、 dna計算機

8、等非馮計算機，它們部分或完全不同于傳統(tǒng)的馮.諾依曼型計算機，很大程度上提高了計算機的計算性能。 編輯本段非諾依曼化 必須看到，傳統(tǒng)的馮諾依曼型計算機從本質(zhì)上講是采取串行順序處理的工作機制，即使有關(guān)數(shù)據(jù)巳經(jīng)準(zhǔn)備好，也必須逐條執(zhí)行指令序列。而提高計算機性能的根本方向之一是并行處理。因此，近年來人們謀求突破傳統(tǒng)馮諾依曼體制的束縛，這種努力被稱為非諾依曼化。對所謂非諾依曼化的探討仍在爭議中，一般認為它表現(xiàn)在以下三個方面的努力。 （1）在馮諾依曼體制范疇內(nèi)，對傳統(tǒng)馮諾依曼機進行改造，如采用多個處理部件形成流水處理， 依靠時間上的重疊提高處理效率；又如組成陣列機結(jié)構(gòu)，形成單指令流多數(shù)據(jù)流，提高處理速度。這些方向已比較成熟，成為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)；馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)（2）用多個馮諾依曼機組成多機系統(tǒng)，支持并行算法結(jié)構(gòu)。這