冯·若依曼体系结构
?1945年6月,馮?諾依曼提出了在數字計算機內部的存儲器中存放程序的概念(Stored Program Concept),這是所有現代電子計算機的范式,稱為馮? 諾依曼體系結構。按照該結構建造的計算機稱為存儲程序計算機(Stored Program Computer),又稱為通用計算機。有時也把馮? 諾依曼體系結構稱為馮? 諾依曼體計算機,也稱為普林斯頓結構。
?馮?諾依曼計算機主要由運算器、控制器、存儲器和輸入輸出設備組成,具有以下幾個主要特點:
?·用二進制表示數據和指令;
?·指令和數據存儲在內部存儲器中,按順序自動依次執行指令;
?·由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備組成基本硬件系統;
?·由控制器來控制程序和數據的存取及程序的執行;
?·以運算器為核心。
?馮?諾依曼計算機有三個關鍵點,一是采用二進制,二是存儲程序的思想,三是邏輯上把計算機分為五大部分。采用二進制的原因是,數制中二進制是最簡單的,最易用電路來實現存儲和運算。如果采用十進制,在早期制造計算機時,幾乎是不可能實現的事情。
?馮?諾依曼體系結構廣泛用于數據處理的各個領域。至今為止,絕大多數計算機遵循馮?諾依曼計算機的基本結構,即使有一些改進,也沒有革命性的變化。
?馮?諾依曼體系結構影響了計算機語言的語義和運行方式,早期的高級程序設計語言,例如BASIC語言、Fortran語言、ALGOL語言、COBOL語言和Pascal語言等,都明顯具有語句順序執行的特征,并且計算機語言程序中的變量代表的是存儲空間,而并非數學意義上的變量。這種語言的特征,也限制了高級程序設計語言解決現實問題的能力,要解決一個實際問題,往往需要編寫很長的程序,花費大量的時間用于程序的調試和測試,軟件開發的成本比較高,這種狀況,只有面向對象的方法和程序設計語言出現之后才得到改觀。
?馮?諾依曼體系結構也存在一些局限性,指令和數據共享同一存儲的方式,使得數據傳送受到一定的制約,影響指令運行的速度,并且難以實現并行處理。
?哈弗結構則與馮?諾依曼體系結構略微不同,也是比較常見的一種計算機體系結構。哈弗結構是一種將程序指令存儲和數據存儲分開的存儲結構,解決了訪問沖突問題。兩個存儲器有四組總線:程序的數據總線和地址總線,數據的數據總線和地址總線。這使得取指令和取數據能夠并行執行,提高了程序的執行速度。許多計算,例如多數據的流水線處理和DSP處理等,采用哈弗結構都能夠提高數據處理速度。超大規模集成電路技術的進步,使得實現哈弗結構變得十分容易。由于哈弗結構具有較高的指令執行效率,不少CPU芯片采用哈弗結構。例如Microchip公司的PIC系列芯片,Zilog公司的Z8系列芯片,ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11芯片等。
?1957年2月8日,馮?諾依曼因患癌癥去世,終年54歲。馮?諾依曼一生在諸多科學領域做出了卓越的貢獻,所獲得的榮譽遍及方方面面,人們尊稱馮?諾依曼為現代計算機之父。
?馮?諾依曼計算機主要由運算器、控制器、存儲器和輸入輸出設備組成,具有以下幾個主要特點:
?·用二進制表示數據和指令;
?·指令和數據存儲在內部存儲器中,按順序自動依次執行指令;
?·由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備組成基本硬件系統;
?·由控制器來控制程序和數據的存取及程序的執行;
?·以運算器為核心。
?馮?諾依曼計算機有三個關鍵點,一是采用二進制,二是存儲程序的思想,三是邏輯上把計算機分為五大部分。采用二進制的原因是,數制中二進制是最簡單的,最易用電路來實現存儲和運算。如果采用十進制,在早期制造計算機時,幾乎是不可能實現的事情。
?馮?諾依曼體系結構廣泛用于數據處理的各個領域。至今為止,絕大多數計算機遵循馮?諾依曼計算機的基本結構,即使有一些改進,也沒有革命性的變化。
?馮?諾依曼體系結構影響了計算機語言的語義和運行方式,早期的高級程序設計語言,例如BASIC語言、Fortran語言、ALGOL語言、COBOL語言和Pascal語言等,都明顯具有語句順序執行的特征,并且計算機語言程序中的變量代表的是存儲空間,而并非數學意義上的變量。這種語言的特征,也限制了高級程序設計語言解決現實問題的能力,要解決一個實際問題,往往需要編寫很長的程序,花費大量的時間用于程序的調試和測試,軟件開發的成本比較高,這種狀況,只有面向對象的方法和程序設計語言出現之后才得到改觀。
?馮?諾依曼體系結構也存在一些局限性,指令和數據共享同一存儲的方式,使得數據傳送受到一定的制約,影響指令運行的速度,并且難以實現并行處理。
?哈弗結構則與馮?諾依曼體系結構略微不同,也是比較常見的一種計算機體系結構。哈弗結構是一種將程序指令存儲和數據存儲分開的存儲結構,解決了訪問沖突問題。兩個存儲器有四組總線:程序的數據總線和地址總線,數據的數據總線和地址總線。這使得取指令和取數據能夠并行執行,提高了程序的執行速度。許多計算,例如多數據的流水線處理和DSP處理等,采用哈弗結構都能夠提高數據處理速度。超大規模集成電路技術的進步,使得實現哈弗結構變得十分容易。由于哈弗結構具有較高的指令執行效率,不少CPU芯片采用哈弗結構。例如Microchip公司的PIC系列芯片,Zilog公司的Z8系列芯片,ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11芯片等。
?1957年2月8日,馮?諾依曼因患癌癥去世,終年54歲。馮?諾依曼一生在諸多科學領域做出了卓越的貢獻,所獲得的榮譽遍及方方面面,人們尊稱馮?諾依曼為現代計算機之父。
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總結
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