回顾(说法一 说法二)

冯·诺依曼体系结构-非诺依曼化

哈弗结构

回顾

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。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。

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。

说法一

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”方式对并行计算的限制，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。

说法二

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 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，也限制了计算机的进一步的发展，真可谓“成也冯，败也冯”。

冯·诺依曼计算机的软件和硬件完全分离，适用于作数值计算。这种计算机的机器语言同高级语言在语义上存在很大的间隔，称之为冯.依曼语义间隔。造成这个差距的其中一个重要原因就是存储器组织方式不同，冯·诺依曼机存储器是一维的线性排列的单元，按顺序排列的地址访问。而高级语言表示的存储器则是一组有名字的变量，按名字调用变量，不考虑访问方法，而且数据结构经常是多维的（如数组，表格）。另外，在大多数高级语言中，数据和指令截然不同，并无指令可以像数据一样进行运算操作的概念。同时，高级语言中的每种操作对于任何数据类型都是通用的，数据类型属于数据本身，而冯.诺依曼机的数据本身没有属性标志，同一种操作要用不同的操作码来对数据加以区分。这些因素导致了语义的差距。如何消除如此大的语义间隔，这成了计算机面临的一大难题和发展障碍。

冯.诺依曼体系结构的局限严重束缚了现代计算机的进一步发展，而非数值处理应用领域对计算机性能的要求越来越高，这就亟待需要突破传统计算机体系结构的框架，寻求新的体系结构来解决实际应用问题。目前在体系结构方面已经有了重大的变化和改进，如并行计算机、数据流计算机以及量子计算机、 DNA计算机等非冯计算机，它们部分或完全不同于传统的冯.诺依曼型计算机，很大程度上提高了计算机的计算性能。

冯·诺依曼体系结构-非诺依曼化

必须看到，传统的冯·诺依曼型计算机从本质上讲是采取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。

（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；

（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较活跃；

（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。

哈弗结构

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；

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；

两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用

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。

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。

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。

TI 公司DSP采用的改进型哈佛结构其改进之处在于 在数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接。这一改进允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性。只要调度好两个独立的总线就可使处理能力达到最高，以实现全速运行。改进的哈佛结构还可使指令存储在高速缓存器中(Cache)，省去了从存储器中读取指令的时间，大大提高了运行速度。