冯诺依曼结构计算机的特点及其局限介绍

冯诺依曼结构计算机的特点及其局限介绍

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冯诺依曼体系结构

说到计算机的发展，就不能不提到德国科学家冯诺依曼。

从20世纪初，物理学和电子学科学家们就在争论制造可以进行数值计算的机器应该采用什么样的结构。人们被十进制这个人类习惯的计数方法所困扰。

所以，那时以研制模拟计算机的呼声更为响亮和有力。20世纪30年代中期，德国科学家冯诺依曼大胆的提出，抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。

同时，他还说预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。

内容概述

冯·诺依曼理论的要点是：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行。

人们把冯·诺依曼的这个理论称为冯·诺依曼体系结构。从ENIAC到当前最先进的计算机都采用的是冯·诺依曼体系结构。所以冯·诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。

根据冯·诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：把需要的程序和数据送至计算机中。必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。

能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。能够按照要求将处理结果输出给用户。

为了完成上述的功能，计算机必须具备五大基本组成部件，包括：输人数据和程序的输入设备、记忆程序和数据的存储器、完成数据加工处理的运算器、控制程序执行的控制器、输出处理结果的输出设备。

冯诺依曼体系结构的局限

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。

而改进计算机的体系结构是提高计算机速度的重要途径，从而促进了计算机体系结构的发展，出现了诸如数据流结构、并行逻辑结构、归约结构等新的非冯诺依曼体系结构。

冯·诺依曼体系结构是现代计算机的基础，现在大多计算机仍是冯·诺依曼计算机的组织结构，只是作了一些改进而已，并没有从根本上突破冯体系结构的束缚。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。

(1) 采用存储程序方式，指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中（数据和程序在内存中是没有区别的），它们都是内存中的数据，当EIP指针指向哪儿，CPU就加载那段内存中的数据。

如果是遇到不正确的指令格式，CPU就会发生错误中断，在现在CPU的保护模式中，每个内存段都有其描述符。

这个描述符记录着这个内存段的访问权限（可读,可写,可执行），这就变相地指定了哪些内存中存储的是指令哪些是数据，指令和数据都可以送到运算器进行运算，即由指令组成的程序是可以修改的。

(2) 存储器是按地址访问的线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。

(3) 指令由操作码和地址组成。操作码指明本指令的操作类型，地址码指明操作数和地址。操作数本身无数据类型的标志，它的数据类型由操作码确定。

(4) 通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。指令在存储器中按其执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址。指令计数器只有一个，一般按顺序递增，但执行顺序可按运算结果或当时的外界条件而改变。

(5) 以运算器为中心，I/O设备与存储器间的数据传送都要经过运算器。

(6) 数据以二进制表示。