程序存储和二进制——冯诺依曼结构

精品文档 1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载 浙江大学计算机科学基础浙江大学计算机科学基础 课程大作业课程大作业 程序存储和二进制程序存储和二进制 冯冯 诺依曼结构诺依曼结构 学生姓名 学生姓名 李姝玥李姝玥 学学 号 号 31501004373150100437 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载 专业班级 专业班级 应生应生 15161516 指导老师 指导老师 孟炳泉孟炳泉 20152015 年年 1212 月月 5 5 日日 摘摘 要要 作为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 冯 诺依曼结构无疑是现代计算机的 基础 其理论要点是 1 数字计 算机的数制采用二进制 2 计算机 应该按照程序顺序执行 这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 创新 性地展现了 储存程序型电脑 这一 概念 借由创造一组指令集结构 并 将所谓的运算转化成一串程序指令的 执行细节 让此机器更有弹性 从而 颠覆了早期计算机不可编程化的特点 然而 该结构也存在着在 CPU 与 内存之间的流量 资料传输率 与内 存的容量相比起来相当小 在某些情 况下 当 CPU 需要在巨大的资料上执 行一些简单指令时 资料流量就成 了整体效率非常严重的限制的问题 即冯 诺伊曼瓶颈 von Neumann bottleneck 随着计算机科学的不 断发展 冯 诺依曼结构得到不断完 善 这一缺陷也从不同层面上得到了 解决 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载 关键词 关键词 冯 诺依曼结构 程序存储 二进制 冯 诺依曼瓶颈 一 一 冯冯 诺依曼结构概述诺依曼结构概述 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 它 具有使用单一的处理部件来完成计算 存储以及通信的工作 存储单元是定 长的线性组织 存储空间的单元直接 寻址 使用低级机器语言 指令通过 操作码来完成简单操作 对计算进行 集中的顺序控制 计算机硬件系统由 运算器 存储器 控制器 输入设备 输出设备五大部件组成 采用二进制 形式表示数据和指令 在执行程序和 处理数据时必须将程序和数据从外存 储器装入主存储器中这八大特点 通 过使计算机具备五大基本组件从而拥 有把需要的程序和数据送至计算机中 具有长期记忆程序 数据 中间结果 及最终运算结果的能力 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 能够按照要求将处理结 果输出给用户这四项功能 但该结构 也存在冯 诺依曼瓶颈这一问题 目 前运用建立高速缓冲存储器和分支预 测的方法缓解该问题 二 二 冯冯 诺依曼结构特点诺依曼结构特点 计算机系统由硬件系统和软件系 统两大部分组成 冯 诺依曼结构也 就是存储结构奠定了现代计算机的基 本结构 它主要具有以下八个特点 1 使用单一的处理部件来完成计 算 存储以及通信的工作 不同于哈佛结构将程序指令存储 和数据存储分开 中央处理器首先到 程序指令存储器中读取程序指令内容 解码后得到数据地址 再到相应的数 据存储器中读取数据 并进行下一步 的操作 冯 诺依曼结构将程序指令 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载 存储器和数据存储器合并在一起 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 2 存储单元是定长的线性组织 如上文提到的那样 在冯 诺依 曼结构中 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 3 存储空间的单元是直接寻址的 即采用冯 诺依曼结构的计算机 其存储空间的单元在指令格式的地址 的字段中直接指出操作数在内存的地 址 4 使用低级机器语言 指令通过 操作码来完成简单的操作 5 对计算进行集中的顺序控制 计算机运行过程中 把要执行的 程序和处理的数据首先存入主存储器 内存 计算机执行程序时 将自 动地并按顺序从主存储器中取出指令 一条一条地执行 这一概念称作顺序 执行程序 冯 诺依曼结构的地址总线和数 据总线不是分开的 由 CPU 统一使用 一条总线 有点像 ADMUX 总线接口 并且采用冯 诺依曼结构的计算机只 有一个控制单元 不分为南桥 北桥 等不同的控制单元 6 计算机硬件系统由运算器 存 储器 控制器 输入设备 输出设备 五大部件组成并规定了它们的基本功 能 7 采用二进制形式表示数据和指 令 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 美国科学 直接寻址示意图 由 CPU 统一使用一条总线 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载 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 8 在执行程序和处理数据时必须 将程序和数据从外存储器装入主存储 器中 然后才能使计算机在工作时能 够自动调整地从存储器中取出指令并 加以执行 三 三 冯冯 诺依曼体系结构构成诺依曼体系结构构成 的计算机的计算机 根据冯 诺依曼体系结构构成的 计算机 必须具有如下四项功能 1 把需要的程序和数据送至计算 机中 2 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 3 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 4 能够按照要求将处理结果输出 给用户 为了完成上述四项功能 根据 冯 诺依曼体系结构构成的计算机必 须具备五大基本组件 1 输入数 据和程序的输入设备 2 记忆程序 和数据的存储器 3 完成数据加工 处理的运算器 4 控制程序执行的 控制器 5 输出处理结果的输出设 备 四 四 冯冯 诺依曼瓶颈诺依曼瓶颈 尽管冯 诺依曼结构通过让数字 计算机的数制采用二进制 使计算机 按照程序顺序执行的方式 将所谓的 计算机五大基本组件 高速缓冲存储器 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载 运算转化成一串程序指令的执行细节 让此机器更有弹性 从而颠覆了早期 计算机不可编程化的特点 可是它也 不是十全十美的 将 CPU 和内存分开 的方式导致了在 CPU 与内存之间的流 量 资料传输率 与内存的容量相比 起来相当小 在现代电脑中 流量与 CPU 的工作效率相比之下非常小 在 某些情况下 当 CPU 需要在巨大的资 料上执行一些简单指令时 资料流 量就成了整体效率非常严重的限制的 问题 即所谓的冯 诺依曼瓶颈 随着计算机科学的不断发展 一 些解决方法也在一定程度上缓解了 冯 诺依曼瓶颈这一问题 在 CPU 与 内存间的快取内存抒解了冯 诺伊曼 瓶颈的效能问题 另外 分支预测 branch predictor 算法的建立也 帮助缓和了此问题 高速缓冲存储器的容量一般只有 主存储器的几百分之一 但它的存取 速度能与中央处理器相匹配 根据程 序局部性原理 正在使用的主存储器 某一单元邻近的那些单元将被用到的 可能性很大 因而 当中央处理器存 取主存储器某一单元时 计算机硬件 就自动地将包括该单元在内的那一组 单元内容调入高速缓冲存储器 中央 处理器即将存取的主存储器单元很可 能就在刚刚调入到高速缓冲存储器的 那一组单元内 于是 中央处理器就 可以直接对高速缓冲存储器进行存取 在整个处理过程中 如果中央处理器 绝大多数存取主存储器的操作能为存 取高速缓冲存储器所代替 计算机系 统处理速度就能显著提高 而分支预测是从 P5 时代开始的 一种先进的 解决处理分支指令 if then else 导致流水线失败的 数据处理方法 由 CPU 来判断程序分 支的进行方向 能够加快运算速度 除此之外 现在还在发展的量子 计算机 神经网络 还是云计算都是 试图突破这一瓶颈上做的一些尝试 五 五 结论和展望结论和展望 冯 诺依曼结构最重要的思想就是在数制上采用了二进制 并提出了 分支预测 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载 储存程序性电脑这一概念 由于双稳态电路表示二进制数字 0 和 1 非常简单 二进制的使用使得 技术上的可行性大大提高 而且二进 制中只使用 0 和 1 两个数字 传输和 处理时不易出错 因而可以保障计算 机具有很高的可靠性 此外 与十进 制数相比 二进制数的运算规则要简 单得多 这不仅可以使运算器的结构 得到简化 而且有利于提高运算速度 因此二进制的使用在计算机科学发展 的历史上都是非常具有里程碑意义的 而储存程序性电脑这一概念 更 是颠覆了仅内含固定用途的程序的早 期计算机的僵化和死板 甚至可以说 我们现在能够使用各种 APP 都得益于 这一概念的提出 尽管在实现程序存 储的设计中 将 CPU 和内存分开的方 式导致了冯 诺依曼瓶颈这一问题 但不可否认的是 冯 诺依曼结构依 旧是现代计算机的基础 是人类智慧 的伟大结晶 参考文献参考文献 1 朱伟 方育红 辜艺 科技视界 2013 年第 36 期 冯 诺依曼体系计 算机的局限与非冯机发展方向研究 2 何志超 信息通信 2015 年第 05 期 浅谈计算机系统结构的发展 3 唐黛 上海微型计算机 1999 年第 46 期 冯 诺依曼和冯 诺依曼机 器 4 朱新春 史玉民 自然辩证法通讯 2013 年第 01 期 二进制算术与文 化探赜 5 靳文兵 石峰 左琦 张杨 计算机研究与发展 2013 年第 10 期 提 前分支预测结构与算法研究 6 肖中杰 青海师范大学学报 自然科学版 2012 年第 03 期 应用程序 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢