非冯·诺依曼结构体系课件.ppt

1、非冯非冯诺依曼结构体系诺依曼结构体系能动1602班三组制作：杨帅 李衣林 张宇 张百强 李超 李晨月 沙成博 杨鹏 冯冯诺依曼结构的特点诺依曼结构的特点l冯诺依曼机最早见于约翰冯诺依曼的论文“First Draft of a Report on the EDVAC”。特点是：采用二进制而不是十进制，预先写好程序并输入计算机，计算机按顺序执行程序。 冯冯诺依曼结构的特点诺依曼结构的特点冯冯诺依曼结构的特点诺依曼结构的特点冯冯诺依曼结构的特点诺依曼结构的特点 冯冯诺依曼结构的特点诺依曼结构的特点 冯诺依曼机由五大部分组成：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。 由于解决了运算高速性与输入低速

2、性的问题，使得运算效率极大地提高。由此，冯诺依曼被称为“计算机之父”。 冯冯诺依曼结构的特点诺依曼结构的特点l采用二进制，数据被转换为1,0存储起来，程序被转换为数据，程序和数据存储的地址被二进制化，调用程序和数据需要的操作码也被二进制化。冯诺依曼结构采用一维性，将程序、数据、地址统一起来，因此，他们可以被同时存储在一起。这样一起运算方法、运算数据被良好的统一起来 冯冯诺依曼瓶颈诺依曼瓶颈 l“冯诺依曼瓶颈”该词首次是由约翰巴克斯在1997年他获得ACM图灵奖是提出来的。由于冯诺依曼结构体系采用单数据单控制流，在CPU以摩尔定律高速发展的时代，数据的输入、输出，即流量，相对于CPU的运算速率来

3、说远远不够。当CPU需要在一些巨大数据上进行一些简单指令操作时，数据的输入、输出时CPU处于闲置状态。这就限制了计算机运算速度的提高。l 从冯从冯诺依曼结构体系瓶颈说起诺依曼结构体系瓶颈说起非冯诺依曼结构的产生l 现代计算机自问世以来已历经50余年的历史，但计算机所遵循的基本结构形式始终是冯诺依曼机结构。它的基本结构特征是“共享数据和串行执行”的计算机模型。l 按照这种结构，程序和数据放在共享存储器内，CPU取出指令和数据进行相应的计算，因此CPU与共享存储器间的信息通路成为影响系统性能的“瓶颈”。多年来在并行计算机结构及处理的研究已经取得了很多成果，如阵列机、流水机、向量机等，使计算速度有了

4、很大提高，但就本质上仍无法克服冯诺依曼机结构上的缺陷。非冯诺依曼结构的产生l随着计算机发展，人们除了继续对命令式语言进行改进外，提出了若干非冯诺依曼型的程序设计语言，并探索了适合于这类语言的新型计算机系统结构，大胆地脱离了冯诺依曼原有的计算机模式，寻求有利于开发高度并行功能的新型计算机模型，例如光子计算机（光处理器利用光的高速和无干扰性，使用光学元件构成处理器。尚在研发中），并行计算机、数据流计算机以及量子计算机等。传统冯.诺依曼计算机体系结构的局限性l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 CP

5、U就加载那段内存中的数据,如果是不正确的指令格式,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).这最就变相的指定了哪个些内存中存储的是指令哪些是数据） 传统冯.诺依曼计算机体系结构的局限性l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。 l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。 传统冯.诺依曼计算机体系结构的局限性l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

6、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。l 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。 非冯非冯诺依曼结构体系化诺依曼结构体系化 冯诺依曼结构框架内的修补l对一个效率很高的人来说（例如八只手的话），怎么能提高他的做事效率？能者多劳。既然冯诺依曼结构体系是单指令单数据流，不妨把单数据流改为单指令多数据流。这样一来，效率会极大地提高。典型代表是阵列机结构。阵列机结构通过增加单元个数来提高运算速度，它的发展与并行算法的的研究密不可分。冯诺依曼体系结构-非诺依曼化l传统的冯诺依曼型计算机从本质上讲是采取

7、串行顺序处理的工作机制，即使有关数据巳经准备好，也必须逐条执行指令序列。而提高计算机性能的根本方向之一是并行处理。因此，近年来人们谋求突破传统冯诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非诺依曼化。对所谓非诺依曼化的探讨仍在争议中，一般认为它表现在以下三个方面的努力。 冯诺依曼体系结构-非诺依曼化l（1）在冯诺依曼体制范畴内，对传统冯诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。这些方向已比较成熟，成为标准结构；冯诺依曼体系结构-非诺依曼化l （2）用多个冯诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。这方面的研究目前比

8、较活跃；l （3）从根本上改变冯诺依曼机的控制流驱动方式。例如，采用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，它为并行处理开辟了新的前景，但由于控制的复杂性，仍处于实验探索之中。非冯诺依曼结构电脑 l脱离了冯诺依曼结构原有模式的计算机，例如光子计算机（光处理器利用光的高速和无干扰性，使用光学元件构成处理器，尚在研发中），并行计算机、数据流计算机以及量子计算机 哈佛结构l特点：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；l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

9、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之间的数据传输哈佛结构l在典型情况下，完成一条指令需要3个步骤，即：取指令、指令译码和执行指令。从指令流的定时关系也可看出冯.诺曼结构与哈佛结构处理方式的差别。举一个最简单的对存储器进行读写操作的指令，指令1至指令3均为存、取数指令，对冯.诺曼结构处理器，由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取，经由同一总线传输，因而它们无法重叠执行，只有一个完成后再进行下一个。 哈佛结构l如果采用哈佛结构处理以上同样的3条存取数指令，如下图所示，由于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，使得各条指令可以重叠执行，这样，也就克服了数据流传输的瓶颈，提高了运算速度。l哈佛结构强调了总的系统速度以及通讯和处理器配置方面的灵活性。 谢谢观看谢谢观看人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。