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什么是冯诺·依曼布局?

发布时间:2018-02-18 22:37编辑:admin浏览(143)

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      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起的存储器结构。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,如英特尔公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。

      说到计算机的发展,就不能不提到美国科学家冯·诺依曼。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。

      人们把冯·诺依曼的这个理论称为冯·诺依曼体系结构。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。

      人们把利用这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为“冯.诺曼型结构”计算机。冯.诺曼结构的处理器使用同一个存储器,经由同一个总线传输。

      将CPU与内存分开并非十全十美,反而会导致所谓的冯·诺伊曼瓶颈(von Neumann bottleneck):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。CPU将会在资料输入或输出内存时闲置。由于CPU速度以及内存容量的成长速率远大于双方之间的流量,因此瓶颈问题越来越严重。而冯·诺伊曼瓶颈是约翰·巴科斯在1977年ACM图灵奖得奖致词时第一次出现,根据巴科斯所言:

      “……确实有一个变更储存装置的方法,比借由冯·诺伊曼瓶颈流通大量资料更为先进。瓶颈这词不仅是对于问题本身资料流量的叙述,更重要地,也是个使我们的思考方法局限在‘一次一字符’模式的智能瓶颈。它使我们怯于思考更广泛的概念。因此编程成为一种计划与详述通过冯·诺伊曼瓶颈的字符资料流,且大部分的问题不在于资料的特征,而是如何找出资料。”

      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。巴科斯在1977年论述的“智能瓶颈”已改变甚多。且巴科斯对于此问题的解决方案并没有造成明显影响。现代的函数式编程以及面向对象编程已较少执行如早期Fortran一般会“将大量数值从内存搬入搬出的操作”,但平心而论,这些操作的确占用电脑大部分的执行时间。

      使用冯·诺伊曼结构的中央处理器和微控制器有很多。除了上面提到的英特尔公司的8086,英特尔公司的其他中央处理器、ARM的ARM7、MIPS公司的MIPS处理器也采用了冯·诺依曼结构。

      1945年,冯·诺依曼首先提出了“存储程序”的概念和二进制原理,后来,人们把利用这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为“冯·诺依曼型结构”计算机。冯·诺依曼结构的处理器使用同一个存储器,经由同一个总线传输。

      冯·诺曼结构处理器具有以下几个特点:必须有一个存储器;必须有一个控制器;必须有一个运算器,用于完成算术运算和逻辑运算;必须有输入和输出设备,用于进行人机通信。

      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。

      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。使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多,除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片,还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11。

      哈佛结构是指程序和数据空间独立的体系结构,目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈。

      例如最常见的卷积运算中, 一条指令同时取两个操作数, 在流水线处理时, 同时还有一个取指操作,如果程序和数据通过一条总线访问,取指和取数必会产生冲突,而这对大运算量的循环的执行效率是很不利的。哈佛结构能基本上解决取指和取数的冲突问题。而对另一个操作数的访问,就只能采用Enhanced哈佛结构了,例如像TI那样,数据区再split,并多一组总线。或向AD那样,采用指令cache,指令区可存放一部分数据。

      在DSP算法中,最大量的工作之一是与存储器交换信息,这其中包括作为输入信号的采样数据、滤波器系数和程序指令。例如,如果将保存在存储器中的2个数相乘,就需要从存储器中取3个二进制数,即2个要乘的数和1个描述如何去做的程序指令。DSP内部一般采用的是哈佛结构,它在片内至少有4套总线:程序的数据总线,程序的地址总线,数据的数据总线和数据的地址总线。这种分离的程序总线和数据总线,可允许同时获取指令字(来自程序存储器)和操作数(来自数据存储器),而互不干扰。这意味着在一个机器周期内可以同时准备好指令和操作数。有的DSP芯片内部还包含有其他总线,如DMA总线等,可实现单周期内完成更多的工作。这种多总线结构就好像在DSP内部架起了四通八达的高速公路,保障运算单元及时地取到需要的数据,提高运算速度。因此,对DSP来说,内部总线是个资源,总线越多,可以完成的功能就越复杂。超级哈佛结构(superHarvard architecture,缩写为SHARC),它在哈佛结构上增加了指令cache(缓存)和专用的I/O控制器。

      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。

      1945年,冯·诺依曼首先提出了“存储程序”的概念和二进制原理,后来,人们把利用这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为“冯.诺曼型结构”计算机。冯.诺曼结构的处理器使用同一个存储器,经由同一个总线传输。

      冯 · 诺依曼 ——电子计算机之父 熟悉计算机发展历史的人大都知道,美国科学家冯·诺依曼历来被誉为“电子计算机之父”。可是,数学史界却同样坚持认为,冯·诺依曼是本世纪最伟大的数学家之一,他在遍历理论、拓扑群理论等方面做出了开创性的工作,算子代数甚至被命名为“冯·诺依曼代数”。物理学家说,冯·诺依曼在30年代撰写的《量子力学的数学基础》已经被证明对原子物理学的发展有极其重要的价值;而经济学家则反复强调,冯·诺依曼建立的经济增长横型体系,特别是40年代出版的著作《博弈论和经济行为》,使他在经济学和决策科学领域竖起了一块丰碑。无论史学家怎样评价,美籍匈牙利裔学者约翰·冯·诺依曼(John Von Neumann , 1903-1957)都不愧为杰出的全才科学大师。人们至今还在津津乐道,这位天才人物的少年时代,竟请不到一位家庭教师……事情发生在1931年匈牙利首都布达佩斯。一位犹太银行家在报纸上刊登启事,要为他11岁的孩子招聘家庭教师,聘金超过常规10倍。布达佩斯人才济济,可一个多月过去,居然没有一人前往应聘。因为这个城市里,谁都听说过,银行家的长子冯·诺依曼聪慧过人,3岁就能背诵父亲帐本上的所有数字,6岁能够心算8位数除8位数的复杂算术题,8岁学会了微积分,其非凡的学习能力,使那些曾经教过他的教师惊诧不已。冯·诺依曼对科学做出的最大贡献当然是在计算机领域。1944年仲夏的一个傍晚,戈德斯坦来到阿贝丁车站,等候去费城的火车,突然看见前面不远处,有个熟悉的身影向他走过来。来者正是闻名世界的大数学家冯·诺依曼。天赐良机,戈德斯坦感到绝不能放过这次偶然的邂逅,他把早已埋藏在心中的几个数学难题,一古脑儿倒出来,向数学大师讨教。数学家和蔼可亲,没有一点架子,耐心地为戈德斯坦排忧解难。听着听着,冯·诺依曼不觉流露出吃惊的神色,敏锐地从数学问题里,感到眼前这位青年身边正发生着什么不寻常的事情。他开始反过来向戈德斯坦发问,直问得年轻人“好像又经历了一次博士论文答辩”。最后,戈德斯坦毫不隐瞒地告诉他莫尔学院的电子计算机课题和目前的研究进展。冯·诺依曼真的被震惊了,随即又感到极其兴奋。从1940年起,他就是阿贝丁试炮场的顾问,同样的计算问题也曾使数学大师焦虑万分。他急不可耐地向戈德斯坦表示,希望亲自到莫尔学院看一看那台尚未出世的机器。多年后,戈德斯坦回忆说:“当琼尼看到我们正在进行的一件工作时,他就双脚跳到电子计算机旁”。莫契利和埃克特高兴地等待着冯·诺依曼的来访,他们也迫切希望得到这位著名学者的指导,同时又有点儿怀疑。埃克特私下对莫契利说道:“你只要听听他提的第一个问题,就能判断出冯·诺依曼是不是真正的天才”。骄阳似火的8月,冯·诺依曼风尘仆仆地赶到了莫尔学院的试验基地,马不停蹄约见攻关小组成员。莫契利想起了埃克特的话,竖着耳朵聆听数学大师的第一个问题。当他听到冯·诺依曼首先问及的是机器的逻辑结构时,不由得对埃克特心照不宣地一笑,两人同时都被这位大科学家的睿智所折服!从此,冯·诺依曼成为莫尔学院电子计算机攻关小组的实际顾问,与小组成员频繁地交换意见。年轻人机敏地提出各种设想,冯·诺依曼则运用他渊博的学识把讨论引向深入,逐步形成电子计算机的系统设计思想。冯·诺依曼以其厚实的科技功底、极强的综合能力与青年们结合,极大提高了莫尔小组的整体水平,使莫尔小组成为“人才放大器”,至今依然是科学界敬慕的科研组织典范。人们后来把“电子计算机之父”的桂冠戴在冯·诺依曼头上,而不是第一台电脑的两位实际研制者,这并不是没有根据的。莫契利和埃克特研制的ENIAC计算机获得巨大的成功,但它最致命的缺点是程序与计算两分离。指挥近2万电子管“开关”工作的程序指令,被存放在机器的外部电路里。需要计算某个题目前,埃克特必须派人把数百条线路用手接通,像电话接线员那样工作几小时甚至好几天,才能进行几分钟运算。自冯·诺依曼设计的EDVAC计算机始, 直到今天我们用“奔腾”芯片制作的多媒体计算机为止,电脑一代又一代的“传人”,大大小小千千万万台计算机,都没能够跳出“诺依曼机”的掌心。冯·诺依曼为现代计算机的发展指明了方向,从这个意义上讲,他是当之无愧的“电子计算机之父”。当然,随着人工智能和神经网络计算机的发展,“诺依曼机”一统天下的格局已经被打破,但冯·诺依曼对于发展电脑做出的巨大功绩,永远也不会因此而泯灭其光辉!第二次世界大战结束后,由于种种原因,ENIAC研制小组发生令人痛惜的分裂,“内存程序”的机器无法被立即研制。冯·诺依曼、戈德斯坦和勃克斯三人返回了新泽西州普林斯顿大学。1946年,他们为普林斯顿高级研究院先期研制出新的IAS计算机(IAS即高级研究院英文缩写)。冯·诺依曼的归来,在普林斯顿掀起了一股强劲的电脑热。一向冷冷清清的研究院沸腾了,大批专业人才仰慕他的大名,纷至沓来,使普林斯顿高级研究院一时间成为美国电子计算机的研究中心。 冯·诺依曼乘热打铁,着手将他那101页计算机方案付诸实施。1951年,这台凝聚着他多年心血的EDSAC计算机终于面世,程序储存在机器内部后,效率比ENIAC提高数百倍,只用了3563个电子管和1万只晶体二极管,以1024个水银延迟线来储存程序和数据,消耗电力和占地面积亦只有ENIAC的三分之一。在冯·诺依曼研制ISA电脑的期间,美国涌现了一批按照普林斯顿大学提供的ISA照片结构复制的计算机。例如,洛斯阿拉莫斯国家实验室研制的MANIAC,伊利诺斯大学制造的ILLAC。雷明顿·兰德公司科学家沃尔(W. Ware)甚至不顾冯·诺依曼的反对,把他研制的机器命名为JOHNIAC(“约翰尼克” ,“约翰”即冯·诺依曼的名字)。冯·诺依曼的大名已经成为现代电脑的代名词。在普林斯顿,冯·诺依曼还利用计算机去解决各个科学领域中的问题。他提出了一项用计算机预报天气的研究计划,构成了今天系统的气象数值预报的基础;他受聘担任IBM公司的科学顾问,帮助该公司催生出第一台存储程序的电脑IBM 701;他对电脑与人脑的相似性怀着浓厚的兴趣,准备从计算机的角度研究人类的思维;他虽然没有参加达特默斯首次人工智能会议,但他开创了人工智能研究领域的数学学派;他甚至是提出计算机程序可以复制的第一人,在半个世纪前就预言了电脑病毒的出现……1957年2月8日,冯·诺依曼身患骨癌,甚至没来得及写完那篇关于用电脑模拟人类语言的讲稿,就在美国德里医院与世长辞,只生活了54个春秋。他一生获得了数不清的奖项,包括两次获得美国总统奖,1994年还被追授予美国国家基础科学奖。他是电脑发展史上最有影响的一代伟人。在EDVAC报告中, 冯·诺依曼明确规定出计算机的五大部件: 运算器CA、 逻辑控制器CC、 存储器M、输入装置I和输出装置O,并描述了五大部件的功能和相互关系。与ENIAC相比,EDVAC的改进首先在于冯·诺依曼巧妙地想出“存储程序”的办法,程序也被他当作数据存进了机器内部,以便电脑能自动一条接着一条地依次执行指令,再也不必去接通什么线路。其次,他明确提出这种机器必须采用二进制数制,以充分发挥电子器件的工作特点,使结构紧凑且更通用化。人们后来把按这一方案思想设计的机器统称为“诺依曼机”。在ENIAC尚未投入运行前, 冯·诺依曼就已开始准备对这台电子计算机进行脱胎换的改造。在短短10个月里,冯·诺依曼迅速把概念变成了方案。新机器方案命名为“离散变量自动电子计算机”,英文缩写EDVAC。1945年6月,冯·诺依曼与戈德斯坦等人,联名发表了一篇长达101页纸洋洋万言的报告,即计算机史上著名的“101页报告”。这份报告奠定了现代电脑体系结构坚实的根基,直到今天,仍然被认为是现代电脑科学发展里程碑式的文献。那位数学家怀着崇敬的心情离去,他不无揶揄地想:“还造什么计算机哟,教授的头脑不就是一台‘超高速计算机’吗?”然而,冯·诺依曼却呆在原地,陷入苦苦的思索,许久都不能自拔。有人轻声向他询问缘由,教授不安地回答说:“我在想,他究竟用的是什么方法,这么快就算出了答案。”听到此言,大家不禁哈哈大笑:“他用台式计算器算了整整一个夜晚!”冯·诺依曼一愣,也跟着开怀大笑起来。大家都想见识一下教授的“神算”本领。只见冯·诺依曼眼望天花板,不言不语,迅速进到“入定” 状态。约莫过了5分来钟,就说出了前4种解答,又在沉思着第5种……。青年数学家再也忍不住了,情不自禁脱口讲出答案。冯·诺依曼吃了一惊,但没有接线分钟,他才说道:“你算得对!”“我从昨天晚上一直算到今晨4点半,总算找到那难题的5种特殊解答。它们一个比一个更难咧!”说话间,冯·诺依曼推门进来,“什么题更难?”虽只听到后面半句话,但“更难”二字使他马上来了劲。有人把题目讲给他听,教授顿时把自己该办的事抛在爪哇国,兴致勃勃地提议道:“让我们一起算算这5种特殊的解答吧。”另一则笑话发生在ENIAC计算机研制时期。 有几个数学家聚在一起切磋数学难题,百思不得某题之解。有个人决定带着台式计算器回家继续演算。次日清晨,他眼圈黑黑,面带倦容走进办公室,颇为得意地对大家炫耀说:据说有一天,冯·诺依曼心神不定地被同事拉上了牌桌。一边打牌,一边还在想他的课题,狼狈不堪地“输掉”了10元钱。这位同事也是数学家,突然心生一计,想要捉弄一下他的朋友,于是用赢得的5元钱,购买了一本冯·诺依曼撰写的《博奕论和经济行为》,并把剩下的5元贴在书的封面,以表明他“战胜”了“赌博经济理论家”,着实使冯·诺依曼“好没面子”。在冯·诺依曼的一些同事眼里,他简直就不象是我们这个地球上的人。他们评价说:“你看,琼尼的确不是凡人,但在同人们长期共同生活之后,他也学会了怎样出色地去模仿世人。”冯·诺依曼的思维极快,几乎在别人才说出头几句话时,就立即了解到对方最后的观点。天才出自于勤奋,他差不多天都工作到黎明才入睡,也常常因刻苦钻研而神魂颠倒,闹出些小笑话来。“机遇只偏爱有准备的头脑”。1928年,美国数学泰斗、普林斯顿高级研究院维伯伦教授 (O.Veblen)广罗天下之英才,一封烫金的大红聘书,寄给了柏林大学这位无薪讲师,请他去美国讲授“量子力学理论课”。冯·诺依曼预料到未来科学的发展中心即将西移,欣然同意赴美国任教。1930年,27岁的冯·诺依曼被提升为教授;1933年,他又与爱因斯坦一起,被聘为普林斯顿高等研究院第一批终身教授,而且是6名大师中最年轻的一名。考大学前夕,匈牙利政局出现动荡,冯·诺依曼便浪迹欧洲各地,在柏林和瑞士一些著名的大学听课。22岁时,他获瑞士苏黎士联邦工业大学化学工程师文凭。一年之后,轻而易举摘取布达佩斯大学数学博士学位。在柏林当了几年无薪讲师后,他转而攻向物理学,为量子力学研究数学模型,又使自己在理论物理学领域占据了突出的地位。风华正茂的冯·诺依曼,靠着顽强的学习毅力,在科学殿堂里“横扫千军如卷席”,成为横跨“数、理、化”各门学科的超级全才。银行家一听大喜过望,于是冯·诺依曼一面在学校跟班读书,一面由布达佩斯大学教授为他“开小灶”。然而,这种状况也没能维持几年,勤奋好学的中学生很快又超过了大学教授,他居然把学习的触角伸进了当时最新数学分支——集合论和泛函分析,同时还阅读了大量历史和文学方面的书籍,并且学会了七种外语。毕业前夕,冯·诺依曼与数学教授联名发表了他第一篇数学论文,那一年,他还不到17岁。父亲无可奈何,只好把冯·诺依曼送进一所正规学校就读。不到一个学期,他班上的数学老师走进家门,告诉银行家自己的数学水平已远不能满足冯·诺依曼的需要。“假如不给创造这孩子深造的机会,将会耽误他的前途,”老师认真地说道,“我可以将他推荐给一位数学教授,您看如何?”