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冯。诺依曼型计算机的缺点及改进方法
从计算机诞生那天起,冯 .诺依曼体系结构占据着主导地位,几十年来计算机体系
结构理论并没有新理论出现。随着计算机应用范围的迅速扩大,使用计算机解决的问
题规模也越来越大,因此对计算机运算速度的要求也越来越高。然而由于传统冯 .诺
依曼计算机体系结构天然所具有的局限性,从根本上限制了计算机的发展。
冯。诺依曼计算机有四个主要部分:中央处理器、存储器、接口电路和外部设备,各部分
之间的互连总线有: 地址总线、 控制总线、双向数据线和输入输出线。 电脑的信息数据采用
二进制进行编码,将数据输入电脑时,是一个一个地按地址对号先后入座,经计算、处理,
然后输出结果, 而不是将数据同时输入电脑。 这种串行方式比并行方式所需的各部件之间的
互联线数目大大减少,从而简化了电路, 使目前超大规模集成电路得以实现。但是,却使电
脑丧失了实时处理的能力, 因为, 串行方式延长了数据输入和处理的时间, 从而限制了电脑
的计算处理速度,这就是现在冯。诺依曼型计算机所面临的 " 瓶颈 " 问题。
冯。诺依曼型计算机以存储程序原理为基础,指令与数据混合存储,程序执行时, CPU
在程序计数器的指引下, 线性顺序地读取下一条指令和数据, 以运算器为中心, 这就注定了
其本质特点是线性或是串行性。 这主要表现在指令执行的串行性和存储器读取的串行性两个
方面。所以我认为冯。诺依曼结构体系的“瓶劲”问题主要还是因为串性。
我认为改善此问题的出路是使用并行技术,在指令运算处理及数据存储上都巧妙地运用
并行技术。 比如:存储器的访问不再用片选控制, 而是可以任意地访问单元,在读写数据时
用原子操作或事务处理的思想保证数据的一致性。
目前对冯诺依曼结构瓶颈对策的系统“哈佛系统” 。哈佛结构是使用两个独立的存储
器模块,分别存储指令和数据,每个存储模块都不允许指令和数据并存,以便实现并
行处理。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容,解码後得到数据地址,
再到相应的数据存储器中读取数据,并进行下一步的操作。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。
哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储
的,执行时可以预先读取下一条指令。 具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线,
利用公用地址总线访问两个存储模块(程序存储模块和数据存储模块),公用数据总
线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与 CPU 之间的数据传输。两条总线由
程序存储器和数据存储器分时共用。与冯。诺依曼结构处理器比较,哈佛结构处理让
取指令和存取数据分别经由不同的存储空间和不同的总线, 使得各
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