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发表于 2023-5-5 00:33:04
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本帖最后由 u1491022 于 2023-5-5 00:36 编辑
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。
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。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同，如英特尔公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。
在计算机诞生之前，人们在计算的精度和数量上出现了瓶颈，对于计算机这样的机器的需求就十分强烈，冯·诺依曼的逻辑和计算机思想指导他设计并制造出历史上的第一台通用电子计算机。他的计算机理论主要受自身数学基础影响，且具有高度数学化、逻辑化特征，对于该理论，他自己一般会叫作“计算机的逻辑理论”。而他的计算机存储程序的思想，则是他的另一伟大创新，通过内部存储器安放存储程序，成功解决了当时计算机存储容量太小，运算速度过慢的问题。[1]
冯·诺依曼
第二次世界大战期间，美军要求实验室为其提供计算量庞大的计算结果。于是便有了研制电子计算机的设想。面对这种需求，美国立即组建研发团队，包括许多工程师与物理学家，试图开发全球首台计算机（后世称作ENIAC机）。虽然采取了最先进的电子技术，但缺少原理上的指导。这时，冯·诺依曼出现了。他提出了一个至关重要的方面：计算机的逻辑结构。冯·诺依曼从逻辑入手，带领团队对ENIAC进行改进。他的逻辑设计具有以下特点：
（1）将电路、逻辑两种设计进行分离，给计算机建立创造最佳条件；
（2）将个人神经系统、计算机结合在一起，提出全新理念，即生物计算机。
即便ENIAC机是通过当时美国乃至全球顶尖技术实现的，但它采用临时存储，将运算器确定成根本，故而缺点较多，比如存储空间有限、程序无法存储等，且运行速度较慢，具有先天不合理性。冯·诺依曼以此为前提制定以下优化方案：
（1）用二进制进行运算，大大加快了计算机速度；
（2）存储程序，也就是通过计算机内部存储器保存运算程序。如此一来，程序员仅仅通过存储器写入相关运算指令，计算机便能立即执行运算操作，大大加快运算效率。[1]
冯·诺依曼结构示意图
局限
CPU 与共享存储器间的信息交换的速度成为影响系统性能的主要因素，而信息交换速度的提高又受制于存储元件的速度、存储器的性能和结构等诸多条件。
传统冯·诺依曼计算机体系结构的存储程序方式造成了系统对存储器的依赖，CPU 访问存储器的速度制约了系统运行的速度。集成 电路 IC 芯片的技术水平决定了存储器及其他硬件的性能。为了提高硬件的性能， 以英特尔公司为代表的芯片制造企业在集成电路生产方面做出了极大的努力，且获得了巨大的技术成果。 现在每隔 18 个 月 IC 的集成度翻一倍，性能也提升一倍，产品价格降低一半，这就是所谓的“摩尔定律”。 这个规律已经持续了40 多年，估计还将延续若干年。然而，电子产品面临的二个基本限制是客观存在的：光的速度和材料的原子特性。首先，信息传播的速度最终将取决于电子流动的速度，电子信号在元件和导线里流动会产生时间延迟，频率过高会造成信号畸变，所以元件的速度不可能无限的提高直至达到光速。第二，计算机的电子信号存储在以硅晶体材料为代表晶体管上，集成度的提高在于晶体管变小，但是晶体管不可能小于一个硅原子的体积。 随着半导体技术逐渐逼近硅工艺尺寸极限，摩尔定律原导出的规律将不再适用。
对冯·诺依曼计算机体系结构缺陷的分析：
（1）指令和数据存储在同一个存储器中，形成系统对存储器的过分依赖。如果储存器件的发展受阻，系统的发展也将受阻。
（2）指令在存储器中按其执行顺序存放，由指令计数器PC指明要执行的指令所在的单元地址。 然后取出指令执行操作任务。所以指令的执行是串行。影响了系统执行的速度。
（3）存储器是按地址访问的线性编址，按顺序排列的地址访问，利 于存储和执行的机器语言指令，适用于作数值计算。但是高级语言表示的存储器则是一组有名字的变量，按名字调用变量，不按地址访问。机器语言同高级语言在语义上存在很大的间隔， 称之为冯·诺依曼语 义间隔。消除语义间隔成了计算机发展面临的一大难题。
（4）冯·诺依曼体系结构计算机是为算术和逻辑运算而诞生的，目前在数值处理方面已经到达较高的速度和精度，而非数值处理应用领域发展缓慢，需要在体系结构方面有重大的突破。
（5）传统的冯·诺依曼型结构属于控制驱动方式。它是执行指令代码对数值代码进行处理，只要指令明确，输入数据准确，启动程序后自动运行而且结果是预期的。一旦指令和数据有错误，机器不会主动修改指令并完善程序。而人类生活中有许多信息是模糊的，事件的发生、发展和结果是不能预期的，现代计算机的智能是无法应对如此复杂任务的。 [2]
哈佛结构以及两者区别
哈佛结构
哈佛结构的计算机分为三大部件：（1）CPU；（2）程序存储器；（3）数据存储器。它的特点是将程序指令和数据分开存储，由于数据存储器与程序存储器采用不同的总线，因而较大的提高了存储器的带宽，使之数字信号处理性能更加优越。 [3]
哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。
为避免将程序和指令共同存储在存储器中，并共用同一条总线，使得 CPU 和内存的信息流访问存取成为系统的瓶颈，人们设计了哈佛结构，原则是将程序和指令分别存储在不同的存储器中，分别访问。如此设计克服了数据流传输瓶颈，提高了运算速度，但结构复杂，对外围设备的连接与处理要求高，不适合外围存储器的扩展， 实现成本高，所以哈佛结构未能得到大范围的应用。但是作为冯式存储程序的改良手段，哈佛结构在CPU 内的高速缓存 Cache中得到了应用。通过设置指令缓存和数据缓存，指令和数据分开读取，提高了数据交换速度，极大克服了计算机的数据瓶颈。通过增加处理器数量，中央处理单元从最初的单核向双核、四核的方向发展，在冯氏计算机的简单结构下，增加处理器数量，也极大提高了计算机的运算性能。存储程序的方式使得计算机擅长数值处理而限制了其在非数值处理方面的发展。 [4]
哈佛结构处理器有两个明显的特点：使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存；使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。
改进的哈佛结构，其结构特点为：以便实现并行处理；具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块（程序存储模块和数据存储模块），公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输。
两者区别
冯·诺依曼理论的要点是：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行。人们把冯诺依曼的这个理论称为冯诺依曼体系结构。从ENIAC到当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。所以冯诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。
根据冯诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：把需要的程序和数据送至计算机中；必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力；能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力；能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；能够按照要求将处理结果输出给用户。
哈佛结构是为了高速数据处理而采用的，因为可以同时读取指令和数据（分开存储的）。大大提高了数据吞吐率，缺点是结构复杂。通用微机指令和数据是混合存储的，结构上简单，成本低。假设是哈佛结构：你就得在电脑安装两块硬盘，一块装程序，一块装数据，内存装两根，一根储存指令，一根存储数据……
是什么结构要看总线结构的。51单片机虽然数据指令存储区是分开的，但总线是分时复用的，所以顶多算改进型的哈佛结构。ARM9虽然是哈佛结构，但是之前的版本也还是冯·诺依曼结构。早期的X86能迅速占有市场，一条很重要的原因，正是靠了冯·诺依曼这种实现简单，成本低的总线结构。处理器虽然外部总线上看是诺依曼结构的，但是由于内部CACHE的存在，因此实际上内部来看已经算是改进型哈佛结构的了。
展望
冯·诺依曼结构开启了计算机系统结构发展的先河，但是因为其集中、顺序的的控制而成为性能提高的瓶颈，因此各国科学家仍然在探索各种非冯·诺依曼结构，比如，数据流计算机，函数式编程语言计算机等都是较为著名的非冯·诺依曼结构。 [3]
近几年来人们努力谋求突破传统冯·诺依曼体制的局限，各类非诺依曼化计算机的研究如雨后春笋蓬勃发展，主要表现在以下四个方面：
（1）对传统冯·诺依曼机进行改良，如传统体系计算机只有一个处理部件是串行执行的，改成多处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率。
（2）由多个处理器构成系统，形成多指令流多数据流支持并行算法结构。这方面的研究目前已经取得一些成功。
（3）否定冯·诺依曼机的控制流驱动方式。设计数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行地执行。这是真正非诺依曼化的计算机，这样的研究还在进行中，已获得阶段性的成果，如神经计算机。
（4）彻底跳出电子的范畴，以其它物质作为信息载体和执行部件，如光子、生物分子、量子等。 众多科学家正为进行这些前瞻性的研究。 [2]
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