计算机基础之冯诺依曼体系结构

万丈高楼平地起，基础扎实与否决定了你能走多远。一起来回顾一下计算机基础知识吧！本期我们来学习一下什么是冯诺依曼体系结构。

1. 概念

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。

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。

早期的计算机程序是硬件化的，即各种门电路通过组装成一个固定的电路板来执行一个特定程序，一旦需要修改程序功能，就要重新组装电路板。

早期的计算机设计中，程序和数据是俩个完全不同的概念，数据放在存储器中，程序则作为控制器的一部分，这样的计算机计算效率低，灵活性查。在冯诺依曼结构中，数据和程序被统一看成数据，存储在存储器中，这样计算机就可以调用存储器中的程序来处理数据了。无论什么程序，最终都会以数据的形式存储在存储器中，要执行相应的程序只需要从存储器中依次取出指令、执行。

冯诺依曼结构减少了硬件的连接，带来了硬件和软件的分离，即硬件设计和程序设计可以分开执行。

2. 特点

存储程序计算机在体系结构上主要特点有：

1. 以运算单元为中心
2. 采用存储程序原理
3. 存储器是按地址访问、线性编址的空间
4. 控制流由指令流产生
5. 指令由操作码和地址码组成
6. 数据以二进制编码

3. 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。

4. 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。

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。

参考链接：
百度百科-冯诺依曼体系结构