冯·诺依曼体系结构

在计算机诞生之前，人们在计算的精度和数量上出现了瓶颈，对于计算机这样的机器的需求就十分强烈，冯·诺依曼的逻辑和计算机思想指导他设计并制造出历史上的第一台通用电子计算机。他的计算机理论主要受自身数学基础影响，且具有高度数学化、逻辑化特征，对于该理论，他自己一般会叫作“计算机的逻辑理论”。而他的计算机存储程序的思想，则是他的另一伟大创新，通过内部存储器安放存储程序，成功解决了当时计算机存储容量太小，运算速度过慢的问题从EDVAC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。

冯·诺依曼体系结构(3)冯·诺依曼体系结构第二次世界大战期间，美军要求实验室为其提供计算量庞大的计算结果。于是便有了研制电子计算机的设想。面对这种需求，美国立即组建研发团队，包括许多工程师与物理学家，试图开发全球首台计算机（后世称作ENIAC机）。虽然采取了最先进的电子技术，但缺少原理上的指导。这时，冯·诺依曼出现了。他提出了一个至关重要的方面：计算机的逻辑结构。冯·诺依曼从逻辑入手，带领团队对ENIAC进行改进。他的逻辑设计具有以下特点：（1）将电路、逻辑两种设计进行分离，给计算机建立创造最佳条件；（2）将个人神经系统、计算机结合在一起，提出全新理念，即生物计算机。即便ENIAC机是通过当时美国乃至全球顶尖技术实现的，但它采用临时存储，将运算器确定成根本，故而缺点较多，比如存储空间有限、程序无法存储等，且运行速度较慢，具有先天不合理性。冯·诺依曼以此为前提制定以下优化方案：（1）用二进制进行运算，大大加快了计算机速度；（2）存储程序，也就是通过计算机内部存储器保存运算程序。如此一来，程序员仅仅通过存储器写入相关运算指令，计算机便能立即执行运算操作，大大加快运算效率。电子计算机的问世，奠基人是英国科学家艾兰· 图灵（Alan Turing）和美籍匈牙利科学家冯· 诺依曼（John Von· Neumann）。图灵的贡献是建立了图灵机的理论模型，奠定了人工智能的基础。而冯· 诺依曼则是首先提出了计算机体系结构的设想。

1946年美籍匈牙利科学家冯·诺依曼提出存储程序原理，把程序本身当作数据来对待，程序和该程序处理的数据用同样的方式存储，并确定了存储程序计算机的五大组成部分和基本工作方法。^[1]

半个多世纪以来，计算机制造技术发生了巨大变化，但冯· 诺依曼体系结构仍然沿用至今，人们总是把冯· 诺依曼称为“计算机鼻祖”。

冯·诺依曼体系结构(3)(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).这就变相的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。

现代计算机发展所遵循的基本结构形式始终是冯·诺依曼机结构。这种结构特点是“程序存储，共享数据，顺序执行”，需要 CPU 从存储器取出指令和数据进行相应的计算。   主要特点有：

（1）单处理机结构，机器以运算器为中心；

（2）采用程序存储思想；

（3）指令和数据一样可以参与运算；

（4）将软件和硬件完全分离；

（5） 指令由操作码和操作数组成；

（6）指令顺序执行。

（7）计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示

  (8)顺序执行程序

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。

  (9)计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

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。冯.诺依曼也因此被人们称为“计算机之父”。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· 诺依曼体系结构根据冯·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。^[1]

将指令和数据同时存放在存储器中，是冯·诺依曼计算机方案的特点之一　计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成　冯·诺依曼提出的计算机体系结构，奠定了现代计算机的结构理念。

冯·诺依曼结构开启了计算机系统结构发展的先河，但是因为其集中、顺序的的控制而成为性能提高的瓶颈，因此各国科学家仍然在探索各种非冯·诺依曼结构，比如，数据流计算机，函数式编程语言计算机等都是较为著名的非冯·诺依曼结构。 

近几年来人们努力谋求突破传统冯·诺依曼体制的局限，各类非诺依曼化计算机的研究如雨后春笋蓬勃发展，主要表现在以下四个方面：

（1）对传统冯·诺依曼机进行改良，如传统体系计算机只有一个处理部件是串行执行的，改成多处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率。

（2）由多个处理器构成系统，形成多指令流多数据流支持并行算法结构。这方面的研究目前已经取得一些成功。

（3）否定冯·诺依曼机的控制流驱动方式。设计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，这样的研究还在进行中，已获得阶段性的成果，如神经计算机。

（4）彻底跳出电子的范畴，以其它物质作为信息载体和执行部件，如光子、生物分子、量子等。 众多科学家正为进行这些前瞻性的研究。

哈佛结构

哈佛结构的计算机分为三大部件：（1）CPU；（2）程序存储器；（3）数据存储器。它的特点是将程序指令和数据分开存储，由于数据存储器与程序存储器采用不同的总线，因而较大的提高了存储器的带宽，使之数字信号处理性能更加优越。 [3] 

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。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（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。

为避免将程序和指令共同存储在存储器中，并共用同一条总线，使得 CPU 和内存的信息流访问存取成为系统的瓶颈，人们设计了哈佛结构，原则是将程序和指令分别存储在不同的存储器中，分别访问。如此设计克服了数据流传输瓶颈，提高了运算速度，但结构复杂，对外围设备的连接与处理要求高，不适合外围存储器的扩展， 实现成本高，所以哈佛结构未能得到大范围的应用。但是作为冯式存储程序的改良手段，哈佛结构在CPU 内的高速缓存 Cache中得到了应用。通过设置指令缓存和数据缓存，指令和数据分开读取，提高了数据交换速度，极大克服了计算机的数据瓶颈。通过增加处理器数量，中央处理单元从最初的单核向双核、四核的方向发展，在冯氏计算机的简单结构下，增加处理器数量，也极大提高了计算机的运算性能。存储程序的方式使得计算机擅长数值处理而限制了其在非数值处理方面的发展。 [4] 

哈佛结构处理器有两个明显的特点：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；使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。

改进的哈佛结构，其结构特点为：以便实现并行处理；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。

两者区别

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。

哈佛结构是为了高速数据处理而采用的，因为可以同时读取指令和数据（分开存储的）。大大提高了数据吞吐率，缺点是结构复杂。通用微机指令和数据是混合存储的，结构上简单，成本低。假设是哈佛结构：你就得在电脑安装两块硬盘，一块装程序，一块装数据，内存装两根，一根储存指令，一根存储数据……

是什么结构要看总线结构的。51单片机虽然数据指令存储区是分开的，但总线是分时复用的，所以顶多算改进型的哈佛结构。ARM9虽然是哈佛结构，但是之前的版本也还是冯·诺依曼结构。早期的X86能迅速占有市场，一条很重要的原因，正是靠了冯·诺依曼这种实现简单，成本低的总线结构。处理器虽然外部总线上看是诺依曼结构的，但是由于内部CACHE的存在，因此实际上内部来看已经算是改进型哈佛结构的了。