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冯o诺依曼计算机将渐行渐远？
冯o诺依曼计算机将渐行渐远？
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本文所属图书&>&
本书突出内容全面、习题和例题丰富的特色，适应国际计算机教育发展的新要求，强调培养计算机相关专业大学生对计算机系统的全面认知与设计开发能力。本书全面系统地介绍了计算机组成与操作系统的基本原理和基本概&&
在第一台电子计算机（Electronic Numerical Integrator And Computer，ENIAC）设计与研制的过程中，他们的设计者曾向美国普林斯顿大学高等研究院（Institute of Advanced Study，IAS）的科学家冯&诺依曼（von Neumann）进行过咨询。ENIAC投入使用后，冯&诺依曼曾到现场参观，对ENIAC表现出强烈的兴趣。在对ENIAC存在的不足（ENIAC是专用计算机，它的功能是由电路连线来决定的，改变功能时，需要人为地改变电路连线）进行深入思考的基础上，冯&诺依曼等人于1946年6月发表了一篇旨在构建一台通用计算机的技术报告《关于电子计算装置逻辑结构初探》。这份报告提出了基于&存储程序&控制的&离散变量自动电子计算机（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC）&的设计方案。
&存储程序&的思想是：计算机的用途和硬件完全分离。硬件采用固定性逻辑，提供某些固定不变的功能。通过编制不同的程序来满足不同用户对计算机的应用需求。
依照这个思想，在计算机上求解一个问题，需要将求解该问题的过程分解成一系列简单、有序的计算步骤，一个步骤由计算机提供的一条计算机指令（Instruction）完成。然后将这些有序的计算步骤一一对应成计算机能够识别并可执行的指令&汇总在一起，就形成所谓的程序，并存储在计算机中。计算机通过逐条、顺序执行程序中的指令来完成问题的求解。&存储程序&思想体现了计算思维的核心概念&自动化。
根据《关于电子计算装置逻辑结构初探》设计的&冯&诺依曼计算机&的特点如下。
1）具备五大功能：数据存储、操作判断与控制、数据处理、数据输入和数据输出。对应五个功能部件：存储器（Memory）、控制单元（Control Unit，CU）、算术逻辑运算单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）、输入单元（Input Unit）和输出单元（Output Unit），如图1-2所示。图1-2中，有两股信息在流动。一股是控制流（即操作命令），它从CU发出，分散流向各部件；另一股是数据流（包括指令和地址），它在CU的控制下，从一个部件流到另一个部件。
2）存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元组成，每个存储单元的位数是相等且固定的，存储单元按地址访问。这是最简单、最易于实现的信息存储与查找方案，就如同一排平房，房间大小都是一样的，按照房间号查找房间，房间号逐间递增。
3）&程序&由一条一条的指令有序排列而成，而指令由操作码和地址码两部分组成。操作码规定了该指令的操作类型（即功能），地址码指示存储操作数和运算结果的存储单元地址。操作数的数据类型由操作码来规定，操作数可能是定点数、浮点数、双精度浮点数、十进制数、逻辑数、字符或字符串等。
4）指令和数据均采用二进制表示，并以二进制形式进行运算。二进制的计算规则是最简单的，加法仅有4种：0 ＋0＝0，0 ＋ 1＝1，1 ＋ 0＝1，1 ＋ 1＝10。
把纷繁复杂的信息抽象成0/1，这是计算机的根，是计算机的哲学，是计算思维核心概念&抽象&的具体体现&信息符号化，符号数字化，数字0/1化。
5）为了简化计算机的控制与组成，程序（指令）与数据同等地、不加区分地存储在同一个存储器中，但可以从时间和空间上，将它们区分开。在取指周期中，从存储器流向控制器的是指令；在执行周期中，存储器与运算器交换的是数据。
6）为了&逐条、顺序执行程序中的指令&， 冯&诺依曼提出了一个极易实现的解决方案：设置一个&程序计数器（Program Counter，PC）&来指示下一条将要执行的指令的地址。在一般情况下，每执行完一条指令，PC就会自动加1，以指向下一条指令的存储单元。
当然，为了赋予计算机更多的&灵性&，PC的值也可以通过执行特殊的指令来修改，从而达到改变指令执行顺序的目的。这样，执行指令的顺序就不受限于指令存储的顺序了。
不过，尽管冯&诺依曼非常聪明，冯&诺依曼计算机的结构还是存在一些问题，后来人们对它进行了改进和发展&大学，止于至善！
例如，由于以ALU为中心，输入/输出单元与存储器之间的数据传送都要经过ALU，这使得ALU无法专注于运算，低速的输入/输出和高速的运算不得不相互等待，串行工作。因此，&冯&诺依曼计算机&很快就被改进成以存储器为中心（如图1-3所示）。这样，输入/输出设备就可以与运算器并行工作，输入设备也可与输出设备并行工作，提高了设备的效率和利用率。同时这使得计算机五个功能单元的互联更加简单。
时至今日，冯&诺依曼计算机结构经历近七十年，依然占据统治地位。这是为什么呢？
说到底，冯&诺依曼的最大贡献就是将计算机分为五个部件并确定了这五个部件的互联结构。在考虑到ALU既需要从存储器中读取数据，又需要将运算结果写回到存储器，请读者自行设计一个计算机五个部件的互联结构，看看能否比图1-3更简单。
抽象起来，&冯&诺依曼计算机结构&就是&以一个部件为中心，实现五个部件互联的星形结构&。这样实现的&五个部件互联&是最简单的、连接链路也是最少的。由于外围的四个部件只能与中心部件进行数据通信，而且有些数据通路还是单向的。进而冯&诺依曼计算机所需要的数据传送功能也是最少的、最简单的。
综上所述，&冯&诺依曼计算机&可以概括为：用最简单、最易于实现的思想（二进制及其运算规则）来表示数据并实现运算，用最简单的互联结构来组成一台计算机。
这不仅体现了计算思维，还很好地体现了&简单就是美&的工程哲学理念！
您对本文章有什么意见或着疑问吗？请到您的关注和建议是我们前行的参考和动力&&
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文章下载读书非冯·诺依曼计算机结构
&&现代计算机自问世以来已历经50余年的历史，但计算机所遵循的基本结构形式始终是冯·诺依曼机结构。它的基本结构特征是&#8220;共享数据和串行执行&#8221;的计算机模型。按照这种结构，程序和数据放在共享存储器内，CPU取出指令和数掘进行相应的计算，因此CPU与共享存储器间的信息通路成为影响系统性能的&#8220;瓶颈&#8221;。多年来在并行计算机结构及处理的研究已经取得了很多成果，如阵列机、流水机、向量机等，使计算速度有了很大提高，但就本质上仍无法克服冯·诺依曼机结构上的缺陷。
&&随着计算机发展，人们除了继续对命令式语言进行改进外，提出了若干非冯·诺依曼型的程序设计语言，并探索了适合于这类语言的新型计算机系统结构，大胆地脱离了冯·诺依曼原有的计算机模式，寻求有利于开发高度并行功能的新型计算机模型，本章简单介绍这类计算机模型，它们是数据流计算机、归约计算机和人工智能计算机。
8.1&四种驱动方式计算机模型
&&计算机模型是在不涉及硬件和软件细节的层次上，描述在计算机上是如何完成计算任务的，也就是描述一台计算机在何时、到何地完成何种动作及怎样完成这些运算的，实际上就是完成计算所遵循的基本原则。前面讲过的计算机系统的弗林分类法主要是依据有关数据机制方面的考虑来分类，现在，我们把计算机模型按有关控制机制考虑分类。Treleaven教授把它分为控制驱动、&数据驱动、需求驱动和模式匹配驱动四种类型。后面三种属于非冯·诺依曼型计算机模型。为了加深对这四种驱动方式计算机模型的理解，下面通过一个简单计算表达式例子来说明这些方式工作过程，例如要计算X=(b+a)×(b-c)。
&&图8.1.1、图8.1.2、图8.1.3表示了这几种驱动方式计算函数X的过程。
&&8.1.1&控制驱动模型
&&传统的冯·诺依曼型结构属于控制驱动方式。它是以命令式语言为对象，指令的执行次序受指令计数器的控制，因而指令是串行执行的。也就是说有指令控制器控制指令执行的次序和时机，当它指向某条指令时才驱动该条指令的执行。这种结构特点是&#8220;程序存储，共享数据，顺序执行&#8221;。&图8.1.1(a)表示用串行控制流计算函数X=(b+a)×(b-c)的过程。图中用数字3、5、2……表示存放在相应地址内的操作数值。计算中有一条单一的控制流从一条指令传到下一条指令（由指令计数器PC提供，执行K、K+1、……指令），执行指令所需要的操作数通过指令中给定的地址来访问，指令执行结果也通过地址存入一个共享的存储器中。
&&图8.1.1(b)表示一个并行控制流模型，它采用操作符Fork和Join来显式地表示并行性，它允许在同一时刻有几个控制流同时活动。并行控制流模型中，关键技术之一是要有相应的同步手段（如Join操作符）来处理数据的相关性。
&&并行控制流计算机虽然摆脱了传统计算机单一控制流束缚，但它仍然存在以下两个缺点：
&&(1)通常要用程序计数器PC来指明指令的执行过程。
&&(2)通过访问一个共享的存储器在指令之间传送数据。
&&针对&#8220;控制驱动&#8221;方式对并行计算的限制，20世纪70年代以来，提出了下面三种与冯·依曼型计算机截然不同的新概念模型的系统结构。
8.1.2&数据驱动模型&
&&在&#8220;数据驱动&#8221;的计算机结构中，只要程序中任意一条指令中所需的操作数（数据令牌）已经齐备，就可以立即启动执行（称为&#8220;点火&#8221;）。一条指令的运算结果又流向下一条指令，作为下一条指令的操作数来驱动该条指令的启动执行。具体见图8.1.2，&这种模型中，当数据b和c到达指令K1和K2后，K1和K2两条指令便可异步并行执行，执行结果将分别传送到指令K3，此后K3便可执行，执行结果再送往X。这种计算机中，不存在共享数据，也不存在指令计数器，指令启动执行的时机取决于操作数具备与否。只要有足够多的处理单元，凡是相互间不存在数据相关的指令都可以并行执行，因此能更充分地利用程序中指令级并行性。数据流计算机就是基于&#8220;数据驱动&#8221;的计算机结构。
8.1.3&需求驱动模型&&在需求驱动方式中，一个操作仅在需要用到其输出结果时才开始启动。如果这时该操作由于操作数未到而不能得到输出结果，则该操作再去启动能得到它的各个输入数的操作，也可能那些操作还要去启动另外一些操作，这样就把需求链一直延伸下去，直至遇到常数或外部输入的数据已经到达为止，然后再反方向地去执行运算。在这种模型中，计算的进行是由对该计算结果的需求而被驱动的。&图8.1.3框子里显示了计算X的过程，框中K1和K2根据X的需求而启动，K1需要b，K2需要用到b和c，只有当b(为5)和c(为2)齐备时，需要它的各个操作才可以继续执行，这样一直到产生结果X(为24)。
需求驱动的系统结构也取消了共享数据和指令计数器，但其执行操作的次序与数据驱动方式不同。由于需求驱动方式只对需要用到其结果的操作进行求值，也即只执行最低限度的求值，免除了许多冗余的计算，从总体而言，它比数据驱动执行的计算量小。归约机就是基于需求驱动的计算机。
&&8.1.4&模式匹配驱动&
&&在模式匹配驱动方式中，计算的运行是由谓词模式匹配加以驱动的，程序的执行主要适合于求解非数值的符号演算。面向智能的计算机就是基于&#8220;模式匹配驱动&#8221;的计算机。
以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。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。
目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多，除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片，还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安谋公司的ARM9、ARM10和ARM11，51单片机也属于哈佛结构
冯&诺伊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。
目前使用冯&诺伊曼结构的中央处理器和微控制器有很多。除了上面提到的英特尔公司的8086，英特尔公司的其他中央处理器、安谋公司的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器也采用了冯&诺伊曼结构。
评论：哈佛结构和冯.诺依曼结构都是一种存储器结构。哈佛结构是将指令存储器和数据存储器分开的一种存储器结构；而冯.诺依曼结构将指令存储器和数据存储器合在一起的存储器结构。
MCS-51单片机有着嵌入式处理器经典的体系结构，这种体系结构在当前嵌入式处理器的高端ARM系列上仍然在延续，这就是哈佛结构。相对于大名鼎鼎的冯&诺依曼结构，哈佛结构的知名度显然逊色许多，但在嵌入式应用领域，哈佛结构却拥有着绝对的优势。哈佛结构与冯&诺依曼结构的最大区别在于冯&诺依曼结构的计算机采用代码与数据的统一编址，而哈佛结构是独立编址的，代码空间与数据空间完全分开。
在通用计算机系统中，应用软件的多样性使得计算机要不断地变化所执行的代码的内容，并且频繁地对数据与代码占有的存储器进行重新分配，这种情况下，冯&诺依曼结构占有绝对优势，因为统一编址可以最大限度地利用资源，而哈佛结构的计算机若应用于这种情形下则会对存储器资源产生理论上最大可达50%的浪费，这显然是不合理的。
但是在嵌入式应用中，系统要执行的任务相对单一，程序一般是固化在硬件里。当然这时使用冯&诺依曼结构也完全可以，代码区和数据区在编译时一次性分配好了而已，但是其灵活性得不到体现，所以现在大量的单片机也还在沿用冯&诺依曼结构，如TI的MSP430系列、Freescale的HCS08系列等。
那是为什么说哈佛结构有优势呢？嵌入式计算机在工作时与通用计算机有着一些区别：嵌入式计算机在工作期间的绝大部分时间是无人值守的，而通用计算机工作期间一般是有人操作的；嵌入式计算机的故障可能会导致灾难性的后果，而通用计算机一般就是死死机，重新启动即可。这两点决定了对嵌入式计算机的一个基本要求：可靠性。
使用冯&诺依曼结构的计算机，程序空间不封闭，期程序空间的数据在运行期理论上可以被修改，此外程序一旦跑飞也有可能运行到数据区。虽然都是一些不常见的特殊情况下，但是看看哈佛结构德计算机在这些情况下是怎样的：基于哈佛结构的处理器入MCS-51，不需要可以对代码段进行写操作的指令，所以不会有代码区被改写的问题；程序只能在封闭的代码区中运行，不可能跑到数据区，这也是跑飞的几率减少并且跑飞后的行为有规律（数据区的数据是不断变化的而代码区是不变的）。
所以，相对于冯&诺依曼结构，哈佛结构更加适合于那些程序固化、任务相对简单的控制系统。
冯.诺依曼指出：程序只是一种（特殊）的数据，它可以像数据一样被处理，因此可以和数据一起被存储在同一个存储器中&&这就是著名的冯.诺依曼原理。注意:数据总线和地址总线共用。
哈佛结构是一种并行体系结构，它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统的4条总线：程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线允许在一个机器周期内同时获得指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高了执行速度，使数据的吞吐率提高了1倍。又由于程序和数据存储器在两个分开的物理空间中，因此取指和执行能完全重叠。CPU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）。
阅读(...) 评论()冯诺依曼计算机的结构特点
全部答案（共1个回答）
计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。美藉匈牙利科学家冯·诺依曼结构（John von Neumann）奠定了现代计算机的基本结构，其特点是：
冯o诺依曼在《关于电子计算装置逻辑结构的初步探讨》报告中阐述的基本思想如下：1.采用电子元件的计算机不应采用十进制，而应当采用二进制。2.程序应当放在机器的一个...
就是现在计算机系统的基础啊，现在的计算机结构就是冯诺依曼的结构啊。分为CPU（运算器，控制器）.I/O（输入输出设备）,存储和外设。
冯诺依曼理论的要点是：数字...
答: 风机叶轮不平衡引起的震动怎么解决？
答: 考试合格啊！
答: 当前世界上有四个最大的科学难题，全球各专业的科学家都在设法揭开大自然的这些秘密，如能解开这些谜团，那么人类的生活以及对世界的看法将发生根本的变化。
　　一、人体...
答: 　2011年二级建造师考试时间(部分省市时间不统一)
6月26日　 上午9:00-12:00
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