馮諾依曼結(jié)構(gòu)的瓶頸問題

1、馮諾依曼的瓶頸問題電腦有四個主要部分：中央處理器、存儲器、接口電路和外部設(shè)備，各部分之間的互連總線 有：地址總線、控制總線、雙向數(shù)據(jù)線和輸入輸出線。電腦的信息數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制進(jìn)行編碼， 將數(shù)據(jù)輸入電腦時，是一個一個地按地址對號先后入座，經(jīng)計(jì)算、處理，然后輸出結(jié)果，而 不是將數(shù)據(jù)同時輸入電腦。將數(shù)據(jù)一個一個地輸入和處理的方式被稱為串行方式；將數(shù)據(jù)同 時輸入和處理的方式，被稱為并行方式。串行方式比并行方式所需的各部件之間的互聯(lián)線數(shù) 目大大減少，從而簡化了電路，使目前超大規(guī)模集成電路得以實(shí)現(xiàn)。但是，卻使電腦喪失了 實(shí)時處理的能力，因?yàn)?，串行方式延長了數(shù)據(jù)輸入和處理的時間，從而限制了電腦的計(jì)算處 理速度

2、，這就是所謂馮諾依曼瓶頸問題。如同滿瓶之水，只能從瓶頸慢慢地流出，使時間 延長了。思考：馮諾依曼瓶頸本質(zhì)的原因是什么？馮諾依曼型計(jì)算機(jī)以存儲程序原理為基礎(chǔ)，指令與數(shù)據(jù)混合存儲，程序執(zhí)行時，CPU 在程序計(jì)數(shù)器的指引下，線性順序地讀取下一條指令和數(shù)據(jù)，以運(yùn)算器為中心，這就注定了 其本質(zhì)特點(diǎn)是線性或是串行性，表現(xiàn)在兩個方面：指令執(zhí)行的串行性。CPU的運(yùn)算依賴于寄存器。每一個指令的運(yùn)算或多或少依賴于其前序指 令的執(zhí)行結(jié)果，盡管后來有些技術(shù)，比如將以運(yùn)算器為中心通過運(yùn)用DMA等技術(shù)變?yōu)橐源鎯?器為中心、超標(biāo)量、智能預(yù)測執(zhí)行、寄存器改名技術(shù)以達(dá)到多條管道并行進(jìn)行，這已經(jīng)或多 或少地改變了馮諾依曼的原型，

3、但是本質(zhì)還是串行執(zhí)行指令。使得我們在設(shè)計(jì)程序時，基 本上是按流水線的方式在思考問題，即使結(jié)構(gòu)化編程，每個結(jié)構(gòu)體本身也還是串行思考方式 下實(shí)現(xiàn)的。而時下時興的面向?qū)ο蠹夹g(shù)只是實(shí)現(xiàn)了封裝，每個對象成員在設(shè)計(jì)時也是以串行 的思考方式實(shí)現(xiàn)的，使得軟件的實(shí)現(xiàn)效率比較低。存儲器讀取的串行性。存儲器是現(xiàn)代馮諾依曼體系的核心。一切數(shù)據(jù)都要在存儲器里打轉(zhuǎn)， 但是研究計(jì)算機(jī)原理，注意到，所有對內(nèi)存的讀取都是獨(dú)占性的，每一個瞬間，內(nèi)存實(shí)體只 能被一個操作對象通過片選信號占據(jù)。這就決定了內(nèi)存的串行讀取特性，盡管后來出現(xiàn)了許 多新的技術(shù)，比如雙端內(nèi)存讀取技術(shù)（可以從兩個讀取口同時互不影響地操作內(nèi)存，初期為 了解決顯存的

4、顯示瓶勁）及雙通道甚至多通道技術(shù)（可以將待寫入的數(shù)據(jù)分塊同時寫入不同 的存儲區(qū)塊，可以將內(nèi)存存取速度成倍地提高，這種技術(shù)我認(rèn)為源于RAID技術(shù)），這些技 術(shù)或多或少增強(qiáng)了系統(tǒng)的性能，但都沒有改變每一個單體串行工作的特點(diǎn)。綜上所述，我認(rèn)為馮諾依曼瓶勁的本質(zhì)是串性。改善的出路是使用并行技術(shù)，在指令運(yùn)算處理及數(shù)據(jù)存儲上都巧妙地運(yùn)用并行技術(shù)。比如：存儲器的訪問不再用片選控制，而是可以任意地訪問單元，在讀寫數(shù)據(jù)時用原子操作或事務(wù)處理的思想保證數(shù)據(jù)的一致性。.馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)把馮?諾依曼計(jì)算機(jī)(Von Neumann computer)的特點(diǎn)歸納如下：使用單一處理部件來完成計(jì)算、存儲及通信工作。使用線

5、性組織的定長存儲單元來存儲程序，存儲時對指令和數(shù)據(jù)不加區(qū)別。存儲空間的單元是直接尋址的。使用二進(jìn)制機(jī)器語言，其指令完成基本操作碼的簡單操作。對計(jì)算進(jìn)行集中的順序的控制。普林斯頓結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)有人就把馮?諾依曼結(jié)構(gòu)稱為普林斯頓體系結(jié)構(gòu)(Princetion architecture)o與此相對的一 種結(jié)構(gòu)則稱為哈佛體系結(jié)構(gòu)(Harvard architecture)o哈佛體系結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是把指令和數(shù) 據(jù)分開進(jìn)行存儲。今天，我們所說的哈佛結(jié)構(gòu)主要是指在單一的主存儲器情況下，帶有兩個 分離的指令高速緩存(instruction cache)和數(shù)據(jù)高速緩存(data cache)o非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的

6、發(fā)展馮結(jié)構(gòu)既為計(jì)算機(jī)的發(fā)展鋪平了道路，又因“集中的、順序的控制”而成為性能提高的瓶頸。 因此，計(jì)算機(jī)科學(xué)家仍在不斷地探索各種非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。例如，函數(shù)式編程語 言計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)就是著名的非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)。(三)體系結(jié)構(gòu)的分類宏觀上按處理機(jī)數(shù)量的分類(1)單處理系統(tǒng)單處理系統(tǒng)(uniprocessing system)是利用一個處理單元與其它外部設(shè)備結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)存儲、計(jì)算、通信、輸入與輸出等功能的系統(tǒng)。并行處理與多處理系統(tǒng)并行處理與多處理系統(tǒng)(parallel processing and multiprocessin g system)是為了充分發(fā)揮問題求解過程中處理的并行性，利用兩個以上的處理機(jī)互連起來， 彼此進(jìn)行通信協(xié)調(diào)，以便共同求解一個大問題的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。分布式處理系統(tǒng)分布式處理系統(tǒng)(distributed processing system)是指物理上遠(yuǎn)距離而 松耦合的多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其中，物理上的遠(yuǎn)距離意味著通信時間與處理時間相比已不可忽略， 在通信線路上的數(shù)據(jù)傳輸速率要比在處理機(jī)內(nèi)部總線上傳輸慢得多，這也正是松耦合的含 義。微觀上按并行程