讀書《計算機組成原理》,百度百科

　　現在大部分接觸過計算機的人,都會知道馮諾依曼計算機,但是這個概念是怎么來的呢?本節我們就通過聊一下計算機的存儲程序控制,來認識”馮諾依曼”。

存儲程序控制

　　世界上第一臺計算機是誕生于1946年2的ENIAC，在研制ENIAC的同時，以美籍匈牙利數學家馮.諾依曼為首的研制小組提出了“存儲程序控制”的計算機結構，并開始了存儲程序控制的計算機EDVAC的研制。

　　存儲程序概念是馮.諾依曼等人于1946年6月首先提出來的，它可以簡要得概括為以下幾點：

計算機（指硬件）應由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備5大基本部件組成。
計算機內部采用二進制來表示指令和數據。
順序執行程序：計算機運行過程中，把要執行的程序和處理的數據首先存入主存儲器（內存），計算機執行程序時，將自動地并按順序從主存儲器中取出指令一條一條地執行，這一概念稱作順序執行程序。

　　馮諾依曼對計算機最大的貢獻在于“存儲程序控制”概念的提出和實現。時至今日，雖然計算機發展迅速，但是就其結構原理來說，目前絕大多數的計算機仍然建立在存儲程序控制概念的基礎上。通常把符合“存儲程序控制”的計算機統稱為馮諾依曼型計算機。當然，現代計算機與早期計算機相比在結構上還是有許多改進的。

　　隨著計算機技術的不斷發展，也暴露了馮諾依曼型計算機的主要弱點：存儲器訪問會成為瓶頸。目前已經出現了一些突破存儲程序控制的計算機，統稱為非馮計算機，如數據驅動的數據流計算機、需求驅動的規約計算機和模式匹配驅動的智能計算機等。不過我們學習仍以馮諾依曼型計算機為范本。

存儲器設計思想

　　根據程序（指令序列）和數據的存放形式，存儲器設計思想又可以分為馮諾依曼結構和哈佛結構。下面我們來認識一下。

馮諾依曼結構的背景

　　電子計算機的問世，奠基人是英國科學家艾蘭· 圖靈（Alan Turing）和美籍匈牙利科學家馮· 諾依曼（John Von· Neumann）。圖靈的貢獻是建立了圖靈機的理論模型，奠定了人工智能的基礎。而馮· 諾依曼則是首先提出了計算機體系結構的設想。

　　1946年美籍匈牙利科學家馮·諾依曼提出存儲程序原理，把程序本身當作數據來對待，程序和該程序處理的數據用同樣的方式存儲，并確定了存儲程序計算機的五大組成部分和基本工作方法。

　　半個多世紀以來，計算機制造技術發生了巨大變化，但馮· 諾依曼體系結構仍然沿用至今，人們總是把馮· 諾依曼稱為“計算機鼻祖”。

馮諾依曼結構

　　馮諾依曼結構也稱為普林斯頓結構，是一種傳統的存儲器設計思想，即指令和數據是不加區分地混合存儲在同一個存儲器中的，共享數據總線，如下圖所示。指令地址和數據地址

　　指向同一個存儲器的不同物理位置，指令和數據的寬度相同。由于指令和數據存放在同一個存儲器中，因此馮諾依曼結構中不能同時取指令和取操作數。又由于存儲器存取速度遠遠低于CPU運算速度，從而使計算機運算速度受到很大的限制，CPU與共享存儲器間的信息交換成了影響高速計算和系統性能的“瓶頸”。Intel公司的80x86以及其他中央處理器都采用了馮諾依曼結構。

哈佛結構

　　馮諾依曼結構在面對高速、實時處理時，不可避免地會造成總線擁擠。為此哈佛大學提出了與馮諾依曼結構完全不同的另一種存儲器設計思想，習慣稱之為哈佛結構。哈佛結構是指程序和數據空間獨立的體系結構，目的是為了減輕程序運行時的訪存瓶頸。

　　哈佛結構是一種將程序指令存儲和數據存儲分開的存儲器結構。哈佛結構是一種并行體系結構，它的主要特點是將程序和數據存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數據存儲器是兩個獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。與兩個存儲器相對應的是系統的4條總線：程序和數據的數據總線與地址總線。這種分離的程序總線和數據總線可允許在一個機器周期內同時獲得指令字（來自程序存儲器）和操作數（來自數據存儲器），從而提高了執行速度，提高了數據的吞吐率。又由于程序和數據存儲在兩個分開的物理空間中，因此取址和執行能完全重疊。中央處理器首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內容，解碼后得到數據地址，再到相應的數據存儲器中讀取數據，并進行下一步的操作（通常是執行）。程序指令存儲和數據存儲分開，可以使指令和數據有不同的數據寬度。

　　哈佛結構的計算機由CPU、程序存儲器和數據存儲器組成，程序存儲器和數據存儲器采用不同的總線，從而提供了較大的存儲器帶寬，使數據的移動和交換更加方便，尤其提供了較高的數字信號處理性能。

　　哈佛結構的微處理器通常具有較高的執行效率。其程序指令和數據指令分開組織和存儲的，執行時可以預先讀取下一條指令。大多數單片機和數字信號處理系統都使用哈佛結構。

馮結構和哈佛結構對比

　　哈佛結構與馮·諾依曼結構處理器相比，處理器有兩個明顯的特點：使用兩個獨立的存儲器模塊，分別存儲指令和數據，每個存儲模塊都不允許指令和數據并存；使用獨立的兩條總線，分別作為CPU與每個存儲器之間的專用通信路徑，而這兩條總線之間毫無關聯。改進的哈佛結構，其結構特點為：

　　使用兩個獨立的存儲器模塊，分別存儲指令和數據，每個存儲模塊都不允許指令和數據并存，以便實現并行處理；具有一條獨立的地址總線和一條獨立的數據總線，利用公用地址總線訪問兩個存儲模塊（程序存儲模塊和數據存儲模塊），公用數據總線則被用來完成程序存儲模塊或數據存儲模塊與CPU之間的數據傳輸；兩條總線由程序存儲器和數據存儲器分時共用。

總結

　　許多現代微型計算機中的高速緩沖存儲器（Cache）采用哈佛結構，將Cache分為指令Cache和數據Cache兩個部分，而主存儲器采用馮諾依曼結構，只有一個，由指令和數據合用。如此將馮諾依曼結構和哈佛結構結合起來使用，不僅可以提高主存儲器的利用率，而且可以提高程序執行的效率，縮短指令執行的時鐘周期。

總結

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