程序存儲(chǔ)和二進(jìn)制馮諾依曼結(jié)構(gòu)

1、浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)課程大作業(yè)程序存儲(chǔ)和二進(jìn)制馮諾依曼結(jié)構(gòu)學(xué)生姓名：李姝玥學(xué)號：3150100437專業(yè)班級：應(yīng)生1516指導(dǎo)老師:孟炳泉2015年12月5日摘要作為一種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)， 馮諾依曼結(jié)構(gòu)無疑是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的 基礎(chǔ)，其理論要點(diǎn)是：（1）數(shù)字計(jì)算 機(jī)的數(shù)制采用二進(jìn)制（2）計(jì)算機(jī)應(yīng)該 按照程序順序執(zhí)行。這種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器合并在一起的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新 性地展現(xiàn)了 “儲(chǔ)存程序型電腦”這一 概念，借由創(chuàng)造一組指令集結(jié)構(gòu)，并 將所謂的運(yùn)算轉(zhuǎn)化成一串程序指令的 執(zhí)行細(xì)節(jié)，讓此機(jī)器更有彈性，從而顛覆了早期計(jì)算機(jī)不可編程化的特點(diǎn)。 然而，該結(jié)構(gòu)也

2、存在著在cpu與內(nèi)存之間的流量（資料傳輸率）與內(nèi) 存的容量相比起來相當(dāng)小，在某些情 況下（當(dāng)cpu需要在巨大的資料上執(zhí) 行一些簡單指令時(shí)），資料流量就成了 整體效率非常嚴(yán)重的限制的問題，即 7馬諾伊曼瓶頸（von neumann bottleneck）。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷 發(fā)展，馮諾依曼結(jié)構(gòu)得到不斷完善， 這一缺陷也從不同層面上得到了解決。關(guān)鍵詞：馮諾依曼結(jié)構(gòu)；程序存儲(chǔ)；二進(jìn)制；馮諾依曼瓶頸一、馮諾依曼結(jié)構(gòu)概述馮諾依曼結(jié)構(gòu)也稱普林斯頓結(jié) 構(gòu)，是一種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器合并在一起的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。它 具有使用單一的處理部件來完成計(jì)算、存儲(chǔ)以及通信的工作；存儲(chǔ)單元是定 長的線性組織；存儲(chǔ)空

3、間的單元直接 尋址；使用低級機(jī)器語言，指令通過 操作碼來完成簡單操作；對計(jì)算進(jìn)行集中的順序控制；計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由 運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備、 輸出設(shè)備五大部件組成；采用二進(jìn)制 形式表示數(shù)據(jù)和指令；在執(zhí)行程序和 處理數(shù)據(jù)時(shí)必須將程序和數(shù)據(jù)從外存 儲(chǔ)器裝入主存儲(chǔ)器中這八大特點(diǎn)，通 過使計(jì)算機(jī)具備五大基本組件從而擁 冇把需要的程序和數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)屮;具有長期記憶程序、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果 及最終運(yùn)算結(jié)果的能力；完成各種算 術(shù)、邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送等數(shù)據(jù)加工 處理的能力；能夠按照要求將處理結(jié) 果輸出給用戶這四項(xiàng)功能。但該結(jié)構(gòu) 也存在馮諾依曼瓶頸這一問題，目 前運(yùn)用建立高速緩沖存儲(chǔ)器和分支預(yù) 測的方法緩

4、解該問題。二、馮諾依曼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)mov ar 52：xxhe01ixxh內(nèi) 85ram累加籌a計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系 統(tǒng)兩大部分組成，馮諾依曼結(jié)構(gòu)也 就是存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基 本結(jié)構(gòu)，它主要具有以下八個(gè)特點(diǎn)。(1) 使用單一的處理部件來完成計(jì)算、 存儲(chǔ)以及通信的工作。不同于哈佛結(jié)構(gòu)將程序指令存儲(chǔ) 和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開，中央處理器首先到 程序指令存儲(chǔ)器中讀取程序指令內(nèi)容, 解碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步 的操作，馮諾依曼結(jié)構(gòu)將程序指令 存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起，程 序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向 同一個(gè)存儲(chǔ)器的不同物理位置，因此 程序指令和數(shù)據(jù)的寬

5、度相同。(2) 存儲(chǔ)單元是定長的線性組織 如上文提到的那樣，在馮諾依曼結(jié)構(gòu)中，程序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存儲(chǔ)器的不同物 理位置，因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度 和同。(3) 存儲(chǔ)空間的單元是直接尋址的即采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)， 其存儲(chǔ)空間的單元在指令格式的地址 的字段中直接指出操作數(shù)在內(nèi)存的地 址。(4) 使用低級機(jī)器語言，指令通過操 作碼來完成簡單的操作(5) 對計(jì)算進(jìn)行集中的順序控制 計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中，把要執(zhí)行的程序和處理的數(shù)據(jù)首先存入主存儲(chǔ)器(內(nèi)存)，計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序時(shí)，將自動(dòng)地并按順序從主存儲(chǔ)器中取出指令一 條一條地執(zhí)行，這一概念稱作順序執(zhí) 行程序。馮諾依曼結(jié)構(gòu)的地址總線和數(shù)

6、據(jù)總線不是分開的，由cpu統(tǒng)一使用 一條總線，有點(diǎn)像admux總線接口； 并且采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)只 有一個(gè)控制單元，不分為南橋、北橋 等不同的控制單元。指令1丨*指今ifw mt:ii»r tkfr：銜令3 :5；取泔令ifr 1mt;（6）計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器、存儲(chǔ) 器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五 大部件組成并規(guī)定了它們的基本功能。（7）采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令 從20世紀(jì)初，物理學(xué)和電子學(xué)科學(xué)家們就在爭論制造可以進(jìn)行數(shù)值計(jì) 算的機(jī)器應(yīng)該采用什么樣的結(jié)構(gòu)。人 們被十進(jìn)制這個(gè)人類習(xí)慣的計(jì)數(shù)方法 所困擾，所以，那時(shí)以研制模擬計(jì)算 機(jī)的呼聲更為響亮和有力。20世紀(jì)30年代中

7、期，美國科學(xué)家 馮諾依曼大膽的提出：拋棄十進(jìn)制， 采用二進(jìn)制作為數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)制基 礎(chǔ)。同吋，他還說預(yù)先編制計(jì)算程序， 然后由計(jì)算機(jī)來按照人們事前制定的 計(jì)算順序來執(zhí)行數(shù)值計(jì)算:1:作。（8）在執(zhí)行程序和處理數(shù)據(jù)時(shí)必須將 程序和數(shù)據(jù)從外存儲(chǔ)器裝入主存儲(chǔ)器 中，然后才能使計(jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠 自動(dòng)調(diào)整地從存儲(chǔ)器中取出指令并加 以執(zhí)行。三、馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)根據(jù)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成的 計(jì)算機(jī)，必須具有如下四項(xiàng)功能：（1） 把需要的程序和數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)屮（2） 必須具有長期記憶程序、數(shù)據(jù)、中間 結(jié)果及最終運(yùn)算結(jié)果的能力（3）能夠 完成各種算術(shù)、邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送 等數(shù)據(jù)加工處理的能力（4）能

8、夠按照 要求將處理結(jié)果輸出給用戶。為了完成上述四項(xiàng)功能，根據(jù) 馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)必須具備五大基本組件：（1）輸入數(shù)據(jù) 和程序的輸入設(shè)備（2）記憶程序和數(shù) 據(jù)的存儲(chǔ)器（3）完成數(shù)據(jù)加工處理的 運(yùn)算器（4）控制程序執(zhí)行的控制器（5） 輸出處理結(jié)果的輸出設(shè)備。us馮諾依曼瓶頸盡管馮諾依曼結(jié)構(gòu)通過讓數(shù)字 計(jì)算機(jī)的數(shù)制采用二進(jìn)制，使計(jì)算機(jī) 按照程序順序執(zhí)行的方式，將所謂的 運(yùn)算轉(zhuǎn)化成一串程序指令的執(zhí)行細(xì)節(jié)， 讓此機(jī)器更有彈性，從而顛覆了早期 計(jì)算機(jī)不可編程化的特點(diǎn)，可是它也 不是十全十美的。將cpu和內(nèi)存分開 的方式導(dǎo)致了在cpu與內(nèi)存之間的流 量(資料傳輸率)與內(nèi)存的容量相比 起來相當(dāng)小，在

9、現(xiàn)代電腦中，流量與 cpu的工作效率相比之下非常小，在某 些情況下(當(dāng)cpu需要在巨火的資料 上執(zhí)行一些簡單指令時(shí))，資料流量就 成了整體效率非常嚴(yán)重的限制的問題, 即所謂的馮諾依曼瓶頸。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，一 些解決方法也在一定程度上緩解了 馮諾依曼瓶頸這一問題。在cpu與 內(nèi)存間的快取內(nèi)存抒解了馮諾伊曼 瓶頸的效能問題。另外，分支預(yù)測 (branch predictor)算法的建立也 幫助緩和了此問題。高速緩沖存儲(chǔ)器的容量一般只有 主存儲(chǔ)器的兒百分之一，但它的存取 速度能與中央處理器相匹配。根據(jù)程 序局部性原理，正在使用的主存儲(chǔ)器 某一單元鄰近的那些單元將被用到的珅肋硬件可能性很大。

10、因而，當(dāng)中央處理器存 取主存儲(chǔ)器某一單元時(shí)，計(jì)算機(jī)硬件 就自動(dòng)地將包括該單元在內(nèi)的那一組 單元內(nèi)容調(diào)入高速緩沖存儲(chǔ)器，中央 處理器即將存取的主存儲(chǔ)器單元很可 能就在剛剛調(diào)入到高速緩沖存儲(chǔ)器的 那一組單元內(nèi)。于是，中央處理器就 可以直接對高速緩沖存儲(chǔ)器進(jìn)行存取。 在整個(gè)處理過程中，如果中央處理器 絕大多數(shù)存取主存儲(chǔ)器的操作能為存 取高速緩沖存儲(chǔ)器所代替，計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)處理速度就能顯著提高。而分支預(yù)測是從p5時(shí)代開始的一 種先進(jìn)的，解決處理分支指令 (if-then-else)導(dǎo)致流水線失敗的 數(shù)據(jù)處理方法，由cpu來判斷程序分 支的進(jìn)行方向，能夠加快運(yùn)算速度。除此之外，現(xiàn)在還在發(fā)展的量子 計(jì)算機(jī)、

11、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、還是云計(jì)算都是 試圖突破這一瓶頸上做的一些嘗試。五、結(jié)論和展望馮諾依曼結(jié)構(gòu)最重要的思想就 是在數(shù)制上采用了二進(jìn)制，并提出了 儲(chǔ)存程序性電腦這一概念。由于雙穩(wěn)態(tài)電路表示二進(jìn)制數(shù)字 0和1非常簡單，二進(jìn)制的使用使得技 術(shù)上的可行性大大提高，而丑二進(jìn)制 中只使用0和1兩個(gè)數(shù)字，傳輸和處 理時(shí)不易出錯(cuò)，因而可以保障計(jì)算機(jī) 具有很高的可靠性，此外，與十進(jìn)制 數(shù)相比，二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算規(guī)則要簡單 得多，這不僅可以使運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)得 到簡化，而有利于提高運(yùn)算速度， 因此二進(jìn)制的使用在計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的歷史上都是非常具有里程碑意義的。 而儲(chǔ)存程序性電腦這一概念，更是顛覆了僅內(nèi)含固定用途的程序的早期 計(jì)算機(jī)的僵化和死板，甚至可以說，我們現(xiàn)在能夠使用各種app都得益于 這一概念的提出。盡管在實(shí)現(xiàn)程序存 儲(chǔ)的設(shè)計(jì)中，將cpu和內(nèi)存分開的方 式導(dǎo)致了馮諾依曼瓶頸這一問題， 但不可否認(rèn)的是，馮諾依曼結(jié)構(gòu)依 舊是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，是人類智慧 的偉大結(jié)晶。參考文獻(xiàn)【1】朱偉；方育紅；辜藝科技視界2013年第36期馮諾依曼體系計(jì)算 機(jī)的局限與非馮機(jī)發(fā)展方向研究【2】何志超信息通信2015年第05期淺談?dòng)?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)