馮諾依曼體系結構簡介

2021-03-04 04:29:12 字數 1930 閱讀 7701

馮.諾依曼體系結構是現代計算機的基礎,現在大多計算機仍是馮.諾依曼計算機的組織結構,只是作了一些改進而已,並沒有從根本上突破馮體系結構的束縛。

馮.諾依曼也因此被人們稱為「計算機之父」。然而由於傳統馮.

諾依曼計算機體系結構天然所具有的侷限性,從根本上限制了計算機的發展。

(1)採用儲存程式方式,指令和資料不加區別混合儲存在同乙個儲存器中,(資料和程式在記憶體中是沒有區別的,它們都是記憶體中的資料,當eip指標指向哪 cpu就載入那段記憶體中的資料,如果是不正確的指令格式,cpu就會發生錯誤中斷. 在現在cpu的保護模式中,每個記憶體段都其描述符,這個描述符記錄著這個記憶體段的訪問許可權(可讀,可寫,可執行).這最就變相的指定了哪個些記憶體中儲存的是指令哪些是資料)

指令和資料都可以送到運算器進行運算,即由指令組成的程式是可以修改的。

(2)儲存器是按位址訪問的線性編址的一維結構,每個單元的位數是固定的。

(3)指令由操作碼和位址組成。操作碼指明本指令的操作型別,位址碼指明運算元和位址。運算元本身無資料型別的標誌,它的資料型別由操作碼確定。

(4)通過執行指令直接發出控制訊號控制計算機的操作。指令在儲存器中按其執行順序存放,由指令計數器指明要執行的指令所在的單元位址。指令計數器只有乙個,一般按順序遞增,但執行順序可按運算結果或當時的外界條件而改變。

(5)以運算器為中心,i/o裝置與儲存器間的資料傳送都要經過運算器。

馮·諾依曼體系結構

(6)資料以二進位制表示。

從本質上講,馮.諾依曼體系結構的本徵屬性就是二個一維性,即一維的計算模型和一維的儲存模型,簡單地說「儲存程式」是不確切的。而正是這二個一維性,成就了現代計算機的輝煌,也限制了計算機的進一步的發展,真可謂「成也馮,敗也馮」。

馮·諾依曼計算機的軟體和硬體完全分離,適用於作數值計算。這種計算機的機器語言同高階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乙個重要原因就是儲存器組織方式不同,馮·諾依曼機儲存器是一維的線性排列的單元,按順序排列的位址訪問。而高階語言表示的儲存器則是一組有名字的變數,按名字呼叫變數,不考慮訪問方法,而且資料結構經常是多維的(如陣列,**)。另外,在大多數高階語言中,資料和指令截然不同,並無指令可以像資料一樣進行運算操作的概念。

同時,高階語言中的每種操作對於任何資料型別都是通用的,資料型別屬於資料本身,而馮.諾依曼機的資料本身沒有屬性標誌,同一種操作要用不同的操作碼來對資料加以區分。這些因素導致了語義的差距。

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展障礙。

馮.諾依曼體系結構的侷限嚴重束縛了現代計算機的進一步發展,而非數值處理應用領域對計算機效能的要求越來越高,這就亟待需要突破傳統計算機體系結構的框架,尋求新的體系結構來解決實際應用問題。目前在體系結構方面已經有了重大的變化和改進,如文章開頭提到的並行計算機、資料流計算機以及量子計算機、 dna計算機等非馮計算機,它們部分或完全不同於傳統的馮.

諾依曼型計算機,很大程度上提高了計算機的計算效能。

非諾依曼化

必須看到,傳統的馮·諾依曼型計算機從本質上講是採取序列順序處理的工作機制,即使有關資料巳經準備好,也必須逐條執行指令序列。而提高計算機效能的根本方向之一是並行處理。因此,近年來人們謀求突破傳統馮·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**仍在爭議中,一般認為它表現在以下三個方面的努力。

(1)在馮·諾依曼體制範疇內,對傳統馮·諾依曼機進行改造,如採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;又如組成陣列機結構,形成單指令流多資料流,提高處理速

度。這些方向已比較成熟,成為標準結構;

(2)用多個馮·諾依曼機組成多機系統,支援並行演算法結構。這方面的研究目前比較活躍;

(3)從根本上改變馮·諾依曼機的控制流驅動方式。例如,採用資料流驅動工作方式的資料流計算

機,只要資料已經準備好,有關的指令就可並行地執行。這是真正非諾依曼化的計算機,它為並

行處理開闢了新的前景,但由於控制的複雜性,仍處於實驗探索之中。

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