非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)體系課件

非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)體系能動(dòng)1602班三組制作：楊帥李衣林張宇張百強(qiáng)李超李晨月沙成博楊鵬非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)體系能動(dòng)1602班三組馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)馮·諾依曼機(jī)最早見于約翰·馮·諾依曼的論文“FirstDraftofaReportontheEDVAC”。特點(diǎn)是：采用二進(jìn)制而不是十進(jìn)制，預(yù)先寫好程序并輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按順序執(zhí)行程序。

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)馮·諾依曼機(jī)最早見于約翰·馮·諾依曼的論馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

馮·諾依曼機(jī)由五大部分組成：控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。由于解決了運(yùn)算高速性與輸入低速性的問題，使得運(yùn)算效率極大地提高。由此，馮·諾依曼被稱為“計(jì)算機(jī)之父”。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)馮·諾依曼機(jī)由五大部分組成：控制器馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)采用二進(jìn)制，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為1,0存儲(chǔ)起來，程序被轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的地址被二進(jìn)制化，調(diào)用程序和數(shù)據(jù)需要的操作碼也被二進(jìn)制化。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)采用一維性，將程序、數(shù)據(jù)、地址統(tǒng)一起來，因此，他們可以被同時(shí)存儲(chǔ)在一起。這樣一起運(yùn)算方法、運(yùn)算數(shù)據(jù)被良好的統(tǒng)一起來馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)采用二進(jìn)制，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為1,0存儲(chǔ)起來，馮·諾依曼瓶頸

“馮·諾依曼瓶頸”該詞首次是由約翰·巴克斯在1997年他獲得ACM圖靈獎(jiǎng)是提出來的。由于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)體系采用單數(shù)據(jù)單控制流，在CPU以摩爾定律高速發(fā)展的時(shí)代，數(shù)據(jù)的輸入、輸出，即流量，相對(duì)于CPU的運(yùn)算速率來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。當(dāng)CPU需要在一些巨大數(shù)據(jù)上進(jìn)行一些簡(jiǎn)單指令操作時(shí)，數(shù)據(jù)的輸入、輸出時(shí)CPU處于閑置狀態(tài)。這就限制了計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高。

馮·諾依曼瓶頸“馮·諾依曼瓶頸”該詞首次是由約翰·巴克斯在從馮·諾依曼結(jié)構(gòu)體系瓶頸說起從馮·諾依曼結(jié)構(gòu)體系瓶頸說起非馮諾依曼結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生現(xiàn)代計(jì)算機(jī)自問世以來已歷經(jīng)50余年的歷史，但計(jì)算機(jī)所遵循的基本結(jié)構(gòu)形式始終是馮·諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)。它的基本結(jié)構(gòu)特征是“共享數(shù)據(jù)和串行執(zhí)行”的計(jì)算機(jī)模型。按照這種結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)放在共享存儲(chǔ)器內(nèi)，CPU取出指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，因此CPU與共享存儲(chǔ)器間的信息通路成為影響系統(tǒng)性能的“瓶頸”。多年來在并行計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)及處理的研究已經(jīng)取得了很多成果，如陣列機(jī)、流水機(jī)、向量機(jī)等，使計(jì)算速度有了很大提高，但就本質(zhì)上仍無法克服馮·諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)上的缺陷。非馮諾依曼結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生現(xiàn)代計(jì)算機(jī)自問世以來已歷經(jīng)50余年的歷史非馮諾依曼結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展，人們除了繼續(xù)對(duì)命令式語言進(jìn)行改進(jìn)外，提出了若干非馮·諾依曼型的程序設(shè)計(jì)語言，并探索了適合于這類語言的新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大膽地脫離了馮·諾依曼原有的計(jì)算機(jī)模式，尋求有利于開發(fā)高度并行功能的新型計(jì)算機(jī)模型，例如光子計(jì)算機(jī)（光處理器利用光的高速和無干擾性，使用光學(xué)元件構(gòu)成處理器。尚在研發(fā)中），并行計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)以及量子計(jì)算機(jī)等。非馮諾依曼結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生隨著計(jì)算機(jī)發(fā)展，人們除了繼續(xù)對(duì)命令式語言傳統(tǒng)馮.諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的局限性采用存儲(chǔ)程序方式，指令和數(shù)據(jù)不加區(qū)別混合存儲(chǔ)在同一個(gè)存儲(chǔ)器中，（數(shù)據(jù)和程序在內(nèi)存中是沒有區(qū)別的,它們都是內(nèi)存中的數(shù)據(jù),當(dāng)EIP指針指向哪CPU就加載那段內(nèi)存中的數(shù)據(jù),如果是不正確的指令格式,CPU就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤中斷.在現(xiàn)在CPU的保護(hù)模式中,每個(gè)內(nèi)存段都其描述符,這個(gè)描述符記錄著這個(gè)內(nèi)存段的訪問權(quán)限(可讀,可寫,可執(zhí)行).這最就變相的指定了哪個(gè)些內(nèi)存中存儲(chǔ)的是指令哪些是數(shù)據(jù)）傳統(tǒng)馮.諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的局限性采用存儲(chǔ)程序方式，指令和傳統(tǒng)馮.諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的局限性存儲(chǔ)器是按地址訪問的線性編址的一維結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元的位數(shù)是固定的。指令由操作碼和地址組成。操作碼指明本指令的操作類型,地址碼指明操作數(shù)和地址。操作數(shù)本身無數(shù)據(jù)類型的標(biāo)志，它的數(shù)據(jù)類型由操作碼確定。傳統(tǒng)馮.諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的局限性存儲(chǔ)器是按地址訪問的線性傳統(tǒng)馮.諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的局限性通過執(zhí)行指令直接發(fā)出控制信號(hào)控制計(jì)算機(jī)的操作。指令在存儲(chǔ)器中按其執(zhí)行順序存放，由指令計(jì)數(shù)器指明要執(zhí)行的指令所在的單元地址。指令計(jì)數(shù)器只有一個(gè)，一般按順序遞增，但執(zhí)行順序可按運(yùn)算結(jié)果或當(dāng)時(shí)的外界條件而改變。以運(yùn)算器為中心，I/O設(shè)備與存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳送都要經(jīng)過運(yùn)算器。傳統(tǒng)馮.諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的局限性通過執(zhí)行指令直接發(fā)出控制非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)體系化

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)框架內(nèi)的修補(bǔ)對(duì)一個(gè)效率很高的人來說（例如八只手的話），怎么能提高他的做事效率？能者多勞。既然馮·諾依曼結(jié)構(gòu)體系是單指令單數(shù)據(jù)流，不妨把單數(shù)據(jù)流改為單指令多數(shù)據(jù)流。這樣一來，效率會(huì)極大地提高。典型代表是陣列機(jī)結(jié)構(gòu)。陣列機(jī)結(jié)構(gòu)通過增加單元個(gè)數(shù)來提高運(yùn)算速度，它的發(fā)展與并行算法的的研究密不可分。非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)體系化馮·諾依曼結(jié)構(gòu)框架內(nèi)的修補(bǔ)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)-非諾依曼化傳統(tǒng)的馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)從本質(zhì)上講是采取串行順序處理的工作機(jī)制，即使有關(guān)數(shù)據(jù)巳經(jīng)準(zhǔn)備好，也必須逐條執(zhí)行指令序列。而提高計(jì)算機(jī)性能的根本方向之一是并行處理。因此，近年來人們謀求突破傳統(tǒng)馮·諾依曼體制的束縛，這種努力被稱為非諾依曼化。對(duì)所謂非諾依曼化的探討仍在爭(zhēng)議中，一般認(rèn)為它表現(xiàn)在以下三個(gè)方面的努力。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)-非諾依曼化傳統(tǒng)的馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)從本質(zhì)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)-非諾依曼化

（1）在馮·諾依曼體制范疇內(nèi)，對(duì)傳統(tǒng)馮·諾依曼機(jī)進(jìn)行改造，如采用多個(gè)處理部件形成流水處理，依靠時(shí)間上的重疊提高處理效率；又如組成陣列機(jī)結(jié)構(gòu)，形成單指令流多數(shù)據(jù)流，提高處理速度。這些方向已比較成熟，成為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)；馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)-非諾依曼化

（1）在馮·諾依曼體制范疇內(nèi)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)-非諾依曼化

（2）用多個(gè)馮·諾依曼機(jī)組成多機(jī)系統(tǒng)，支持并行算法結(jié)構(gòu)。這方面的研究目前比較活躍；（3）從根本上改變馮·諾依曼機(jī)的控制流驅(qū)動(dòng)方式。例如，采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)工作方式的數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)，只要數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，有關(guān)的指令就可并行地執(zhí)行。這是真正非諾依曼化的計(jì)算機(jī)，它為并行處理開辟了新的前景，但由于控制的復(fù)雜性，仍處于實(shí)驗(yàn)探索之中。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)-非諾依曼化

（2）用多個(gè)馮·諾依曼機(jī)組成非馮諾依曼結(jié)構(gòu)電腦脫離了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)原有模式的計(jì)算機(jī)，例如光子計(jì)算機(jī)（光處理器利用光的高速和無干擾性，使用光學(xué)元件構(gòu)成處理器，尚在研發(fā)中），并行計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)以及量子計(jì)算機(jī)非馮諾依曼結(jié)構(gòu)電腦脫離了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)原有模式的計(jì)算機(jī)，例哈佛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，每個(gè)存儲(chǔ)模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存，以便實(shí)現(xiàn)并行處理；具有一條獨(dú)立的地址總線和一條獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線，利用公用地址總線訪問兩個(gè)存儲(chǔ)模塊（程序存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊），公用數(shù)據(jù)總線則被用來完成程序存儲(chǔ)模塊或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸哈佛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，哈佛結(jié)構(gòu)在典型情況下，完成一條指令需要3個(gè)步驟，即：取指令、指令譯碼和執(zhí)行指令。從指令流的定時(shí)關(guān)系也可看出馮.諾曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)處理方式的差別。舉一個(gè)最簡(jiǎn)單的對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作的指令，指令1至指令3均為存、取數(shù)指令，對(duì)馮.諾曼結(jié)構(gòu)處理器，由于取指令和存取數(shù)據(jù)要從同一個(gè)存儲(chǔ)空間存取，經(jīng)由同一總線傳輸，因而它們無法重疊執(zhí)行，只有一個(gè)完成后再進(jìn)行下一個(gè)。哈佛結(jié)構(gòu)在典型情況下，完成一條指令需要3個(gè)步驟，即：取指令、哈佛結(jié)構(gòu)如果采用哈佛結(jié)構(gòu)處理以上同樣的3條存取數(shù)指令，如下圖所示，由于取指令和存取數(shù)據(jù)分別經(jīng)由不同的存儲(chǔ)空間和不同的總線，使得各條指令可以重疊執(zhí)行，這樣，也就克服了數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠款i，提高了運(yùn)算速度。哈佛結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)了總的系統(tǒng)速度以及通訊和處理器配置方面的靈活性。哈佛結(jié)構(gòu)如果采用哈佛結(jié)構(gòu)處理以上同樣的3條存取數(shù)指令，如下圖

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