程序存储和二进制——冯诺依曼结构

1、浙江大学计算机科学基础课程大作业浙江大学计算机科学基础课程大作业程序存储和二进制冯·诺依曼结构学生姓名： 李姝玥 学 号： 3150100437 专业班级： 应生1516 指导老师： 孟炳泉 2015年12月5日摘 要7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

2、，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。关键词：冯·诺依曼结构；程序存储；二进制；冯·诺依曼瓶颈一、 冯·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

3、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

4、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、 冯·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

5、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。直接寻址示意图（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

6、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，美国科学家冯·诺依曼大胆的提出：抛弃十

7、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。计算机五大基本组件三、 冯·诺依曼体系结构构成的计算机根据冯·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

8、。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。高速缓冲存储器四、 冯·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

9、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

10、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分支预测行方向，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

11、一瓶颈上做的一些尝试。五、 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【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199