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馮。諾依曼型計算機的缺點及改進方法
從計算機誕生那天起,馮 .諾依曼體系結構占據着主導地位,幾十年來計算機體系
結構理論并沒有新理論出現。随着計算機應用範圍的迅速擴大,使用計算機解決的問
題規模也越來越大,是以對計算機運算速度的要求也越來越高。然而由于傳統馮 .諾
依曼計算機體系結構天然所具有的局限性,從根本上限制了計算機的發展。
馮。諾依曼計算機有四個主要部分:中央處理器、存儲器、接口電路和外部裝置,各部分
之間的互連總線有: 位址總線、 控制總線、雙向資料線和輸入輸出線。 電腦的資訊資料采用
二進制進行編碼,将資料輸入電腦時,是一個一個地按位址對号先後入座,經計算、處理,
然後輸出結果, 而不是将資料同時輸入電腦。 這種串行方式比并行方式所需的各部件之間的
互聯線數目大大減少,進而簡化了電路, 使目前超大規模內建電路得以實作。但是,卻使電
腦喪失了實時處理的能力, 因為, 串行方式延長了資料輸入和處理的時間, 進而限制了電腦
的計算處理速度,這就是現在馮。諾依曼型計算機所面臨的 " 瓶頸 " 問題。
馮。諾依曼型計算機以存儲程式原理為基礎,指令與資料混合存儲,程式執行時, CPU
在程式計數器的指引下, 線性順序地讀取下一條指令和資料, 以運算器為中心, 這就注定了
其本質特點是線性或是串行性。 這主要表現在指令執行的串行性和存儲器讀取的串行性兩個
方面。是以我認為馮。諾依曼結構體系的“瓶勁”問題主要還是因為串性。
我認為改善此問題的出路是使用并行技術,在指令運算處理及資料存儲上都巧妙地運用
并行技術。 比如:存儲器的通路不再用片選控制, 而是可以任意地通路單元,在讀寫資料時
用原子操作或事務處理的思想保證資料的一緻性。
目前對馮諾依曼結構瓶頸對策的系統“哈佛系統” 。哈佛結構是使用兩個獨立的存儲
器子產品,分别存儲指令和資料,每個存儲子產品都不允許指令和資料并存,以便實作并
行處理。中央處理器首先到程式指令存儲器中讀取程式指令内容,解碼後得到資料位址,
再到相應的資料存儲器中讀取資料,并進行下一步的操作。程式指令存儲和資料存儲分開,
可以使指令和資料有不同的資料寬度。
哈佛結構的微處理器通常具有較高的執行效率。其程式指令和資料指令分開組織和存儲
的,執行時可以預先讀取下一條指令。 具有一條獨立的位址總線和一條獨立的資料總線,
利用公用位址總線通路兩個存儲子產品(程式存儲子產品和資料存儲子產品),公用資料總
線則被用來完成程式存儲子產品或資料存儲子產品與 CPU 之間的資料傳輸。兩條總線由
程式存儲器和資料存儲器分時共用。與馮。諾依曼結構處理器比較,哈佛結構處理讓
取指令和存取資料分别經由不同的存儲空間和不同的總線, 使得各
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