所有的计算机都遵循冯诺依曼结构吗?除了冯.诺依曼结构，还有哪些典型的 计算机体系结构?这些体系结构_问一问
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发布时间：2022-04-03 06:50
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时间：2022-04-03 08:20
摘要随着计算机发展，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。咨询记录 · 回答于2021-10-09所有的计算机都遵循冯诺依曼结构吗?除了冯.诺依曼结构，还有哪些典型的 计算机体系结构?这些体系结构应用在哪些领域和哪些产品?相比冯.诺依曼结 构，它们在其特定领域中有哪些功能、性能、能耗等方面的优势?为什么?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。传统的冯·诺依曼型结构属于控制驱动方式。它是以命令式语言为对象，指令的执行次序受指令计数器的控制，因而指令是串行执行的。也就是说有指令控制器控制指令执行的次序和时机，当它指向某条指令时才驱动该条指令的执行。这种结构特点是“程序存储，共享数据，顺序执行”。计算中有一条单一的控制流从一条指令传到下一条指令（由指令计数器PC提供，执行K、K+1、……指令），执行指令所需要的操作数通过指令中给定的地址来访问，指令执行结果也通过地址存入一个共享的存储器中。并行控制流模型，采用操作符Fork和Join来显式地表示并行性，它允许在同一时刻有几个控制流同时活动。并行控制流模型中，关键技术之一是要有相应的同步手段（如Join操作符）来处理数据的相关性。并行控制流计算机虽然摆脱了传统计算机单一控制流束缚，但它仍然存在以下两个缺点：(1)通常要用程序计数器PC来指明指令的执行过程。(2)通过访问一个共享的存储器在指令之间传送数据。针对“控制驱动”方式对并行计算的*，20世纪70年代以来，提出了下面多种与冯·依曼型计算机截然不同的新概念模型的系统结构。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*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 CPU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）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。从本质上讲，冯.诺依曼体系结构的本征属性就是二个一维性，即一维的计算模型和一维的存储模型，简单地说“存储程序”是不确切的。而正是这二个一维性，成就了现代计算机的辉煌，也*了计算机的进一步的发展，真可谓“成也冯，败也冯”。哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，如下图所示。*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（通常是执行）。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，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。哈佛体系结构框图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。哈佛结构是指程序和数据空间的体系结构， 目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈。哈佛结构能基本上解决取指和取数的冲突问题。相比冯.诺依曼结 构，哈佛结构在其特定领域中有哪些功能、性能、能耗等方面的优势?为什么?二者的区别就是程序空间和数据空间是否是一体的。冯·诺依曼结构数据空间和地址空间不分开，哈佛结构数据空间和地址空间是分开的。哈佛总线技术应用是以DSP和ARM为代表的。采用哈佛总线体系结构的芯片内部程序空间和数据空间是分开的，这就允许同时取指和取操作数，从而大大提高了运算能力。DSP芯片硬件结构有冯·诺依曼结构和哈佛结构，两者区别是地址空间和数据空间分开与否。一般DSP都是采用改进型哈佛结构，就是分开的数据空间和地址空间都不只是一条，而是有多条，这根据不同的生产厂商的DSP芯片有所不同。在对外寻址方面从逻辑上来说也是一样，因为外部引脚的原因，一般来说都是通过相应的空间选取来实现的。本质上是同样的道理。
