冯诺依曼体系结构发展综述

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1、冯·诺依曼体系结构发展综述摘要：本文介绍了冯·诺依曼体系结构的诞生和发展，探讨了制约现代计算机进一步发展的主要因素。指出基础硬件IC生产技术的极限和冯·诺依曼体系结构的缺陷将成为计算机发展的两大瓶颈。调查了现在为了突破冯·诺依曼体系瓶颈各国科学家做出的努力，总结了现在正在研究发展中的几种非冯·诺依曼体系结构计算机。关键词：冯·诺依曼体系结构；计算机；局限；发展1冯·诺依曼体系的诞生和发展1.1冯·诺依曼体系结构概述众所周知，第一台计算机是诞生于1946年的ENIAC。作为第一台计算机的研制者，数学家冯·诺依曼提

2、出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），这套理论被称为冯·诺依曼体系结构。该体系结构在创立70年后的今天仍然指导着计算机的制造，冯·诺依曼由此被称为“计算机之父”。对冯体系结构的传承与突破也记载着计算机的发展进程。[1]1.2冯·诺依曼提下的发展动向作为经久不哀的经典理论，冯·诺依曼系结构的优点是逻辑清晰、结构简单、实现成本低，缺点是存储的指令和数据共享一条总线，信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈，串行执行指令的方式影

3、响了指令的执行速度。基于该理论的特点，对冯·诺依曼体系结构的三原则的演变角度分析计算机的发展动向。[2]1.2.1二进制逻辑的演变计算机诞生前，人类对计算机的逻辑并无清晰的概念，计算机采用什么进制一度成为科学家争论的焦点。基于人类的习惯，计算机采用十进制似乎更符合人类规范，能更好地为人类服务。但是，冯·诺依曼以电子设备存在二种稳态为依据提出了以二进制逻辑作为计算机逻辑基础，沿用至今。取决进制使用的关键在于基本稳态数量，人类普遍有十根手指，十种基本稳态造成了人类使用十进制这一现象。计算机的制造元器件如二极管等，普

4、遍具有通断、高电平低电平、充放电等二种稳态，故而计算机内采用二进制。目前，科学家研究的新型计算机如生物计算机、量子计算机等，其制造元件使用生物分子和量子等，具备的基本稳态数量很多，其内部采用的进制也必然不同。在生物、量子等前沿科技的推动下，未来将很有可能制造出采用十进制的计算机。11.2.2存储程序的演变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CUP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

5、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CUP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。

6、近期由谷歌公司开发的阿精狗人工智能软件，利用价值网络算法和策略网络算法，战胜了人类围棋高手，使计算机模拟人类智能达到新的高峰。冯式储存结构以其结构简单、成本低廉的优势获得了广泛认可，配合不断进步的新算法.计算机在人工智能方面取得了很大进步。1.2.3计算机组成部分的演变随着科技的飞速发展，超大规模集成电路得到极大发展，纳米级芯片已获得应用，运算级别已从最初的5千赫兹演变为今天的3G赫兹，运算速度提升了60万倍。运算器和控制器被集成在一个指甲盖大小的芯片中，被称为CPU(中央处理单元)。在计算机推动人类社会发展的

7、过程中，人类已意识到计算机提供的运算能力给人类社会生活带来的变化和重要作用，因其强大的运算能力成为人类社会不可或缺的一个因素，运算能力将和水、电一样成为每个人的生活必需，零散的个人计算机提供的运算和存储能力已不能满足大众的需求。在这种背景下，云计算模式的概念应运而生。所谓云计算模式，是指集中建设的运算和存储设备，在虚拟化技术的支持下，将池化的运算资源和存储资源通过网络即时分配给用户的运算模式。用户不必建设强大的运算器和存储器，即可获得强大的运算能力和存储能力。输入输出设备(I/O设备)的演变也向着人性化的方向发

8、展。人机交互的渠道进一步丰富，语音识别、人像及图像识别等技术获得了长足发展，无人驾驶汽车已获得应用，虚拟现实技术将人机交互的界面带人到模拟的全现实环境中。[3]2冯·诺依曼体系的局限性2.1集成电路生产技术制约存储器的性能，存储器的性能制约系统的性能传统冯·诺依曼计算机体系结构的存储程序方式造成了系统对存储器的依赖，CPU访问存储器的速度制约了系统运行的速度。集成电路IC芯片的技术水平