冯诺依曼结构的瓶颈问题
冯诺依曼的瓶颈问题
电脑有四个主要部分：中央处理器、存储器、接口电路和外部设备，各部分之间的互连总线有：地址总线、控制总线、双向数据线和输入输出线。电脑的信息数据采用二进制进行编码，将数据输入电脑时，是一个一个地按地址对号先后入座，经计算、处理，然后输出结果，而不是将数据同时输入电脑。将数据一个一个地输入和处理的方式被称为串行方式；将数据同时输入和处理的方式，被称为并行方式。串行方式比并行方式所需的各部件之间的互联线数目大大减少，从而简化了电路，使目前超大规模集成电路得以实现。但是，却使电脑丧失了实时处理的能力，因为，串行方式延长了数据输入和处理的时间，从而限制了电脑的计算处理速度，这就是所谓冯诺依曼"瓶颈"问题。如同满瓶之水，只能从瓶颈慢慢地流出，使时间延长了。
思考：冯?诺依曼瓶颈本质的原因是什么？
冯?诺依曼型计算机以存储程序原理为基础，指令与数据混合存储，程序执行时，CPU 在程序计数器的指引下，线性顺序地读取下一条指令和数据，以运算器为中心，这就注定了其本质特点是线性或是串行性，表现在两个方面：
1．指令执行的串行性。CPU的运算依赖于寄存器。每一个指令的运算或多或少依赖于其前序指令的执行结果，尽管后来有些技术，比如将以运算器为中心通过运用DMA等技术变为以存储器为中心、超标量、智能预测执行、寄存器改名技术以达到多条管道并行进行，这已经或多或少地改变了冯?诺依曼的原型，但是本质还是串行执行指令。使得我们在设计程序时，基本上是按流水线的方式在思考问题，即使结构化编程，每个结构体本身也还是串行思考方式下实现的。而时下时兴的面向对象技术只是实现了封装，每个对象成员在设计时也是以串行的思考方式实现的，使得软件的实现效率比较低。
2．存储器读取的串行性。存储器是现代冯?诺依曼体系的核心。一切数据都要在存储器里打转，但是研究计算机原理，注意到，所有对内存的读取都是独占性的，每一个瞬间，内存实体只能被一个操作对象通过片选信号占据。这就决定了内存的串行读取特性，尽管后来出现了许多新的技术，比如双端内存读取技术（可以从两个读取口同时互不影响地操作内存，初期为了解决显存的显示瓶劲）及双通道甚至多通道技术（可以将待写入的数据分块同时写入不同的存储区块，可以将内存存取速度成倍地提高，这种技术我认为源于RAID技术），这些技术或多或少增强了系统的性能，但都没有改变每一个单体串行工作的特点。
综上所述，我认为冯?诺依曼瓶劲的本质是串性。改善的出路是使用并行技术，在指令运算处理及数据存储上都巧妙地运用并行技术。比如：存储器的访问不再用片选控制，而是可以任意地访问单元，在读写数据时用原子操作或事务处理的思想保证数据的一致性。
.冯?诺依曼结构的特点
把冯?诺依曼计算机（V on Neumann computer）的特点归纳如下:
（1）使用单一处理部件来完成计算、存储及通信工作。
（2）使用线性组织的定长存储单元来存储程序，存储时对指令和数据不加区别。
（3）存储空间的单元是直接寻址的。
（4）使用二进制机器语言，其指令完成基本操作码的简单操作。
（5）对计算进行集中的顺序的控制。
4.普林斯顿结构与哈佛结构
有人就把冯?诺依曼结构称为普林斯顿体系结构（Princetion architecture）。与此相对的一种结构则称为哈佛体系结构（Harvard architecture）。哈佛体系结构的主要特点是把指令和数据分开进行存储。今天，我们所说的哈佛结构主要是指在单一的主存储器情况下，带有两个分离的指令高速缓存（instruction cache）和数据高速缓存（data cache）。来源：www.exa https://www.360docs.net/doc/26362480.html, 5.非冯?诺依曼结构的发展
冯结构既为计算机的发展铺平了道路，又因“集中的、顺序的控制”而成为性能提高的瓶颈。因此，计算机科学家仍在不断地探索各种非冯?诺依曼结构的计算机。例如，函数式编程语言计算机、数据流计算机就是著名的非冯?诺依曼结构。
（三）体系结构的分类
1.宏观上按处理机数量的分类
（1）单处理系统单处理系统（uniprocessing system）是利用一个处理单元与其它外部设备
结合起来，实现存储、计算、通信、输入与输出等功能的系统。
（2）并行处理与多处理系统并行处理与多处理系统（parallel processing and multiprocessin g system）是为了充分发挥问题求解过程中处理的并行性，利用两个以上的处理机互连起来，彼此进行通信协调，以便共同求解一个大问题的计算机系统。
（3）分布式处理系统分布式处理系统（distributed processing system）是指物理上远距离而松耦合的多计算机系统。其中，物理上的远距离意味着通信时间与处理时间相比已不可忽略，在通信线路上的数据传输速率要比在处理机内部总线上传输慢得多，这也正是松耦合的含义。
2.微观上按并行程度的分类
（1）Flynn的分类法1966年M.J.Flynn提出按指令流和数据流的多少进行分类的方法。他首先定义了:指令流是机器执行的指令序列;数据流是由指令调用的数据序列。然后，他把计算机系统分为四类
冯诺依曼体系结构计算机的要点和工作过程
1、简述诺依曼体系结构计算机的要点和工作过程。 答：诺依曼体系结构计算机的要点：计算机中的信息（程序和数据）以二进制方式表示。程序预存储，机器自动执行。计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。计算机通过执行预存储在存储器中的程序来完成预定的运算。程序由计算机的指令序列构成，计算机在处理器的控制下，首先从存储器读取一条待执行的指令到处理器中，接下来分析这条指令，而后发出该指令对应的电平脉码序列，即执行该指令。并以此递归运行程序。 2、何谓总线？计算机中有哪几类总线？简述其用途。 答：计算机的总线（Bus）就是连接计算机硬件各部件，用于计算机硬件各部件之间信息传输的公共通道。按照其传送信号的用途属性，总线可细分为：地址总线（Address Bus）、数据总线（Data Bus）和控制总线（Control Bus）三类。 ?地址总线（A_Bus）：专用于在CPU、存储器和I/O端口间传送地址信息的信号线。此类信号线传送的信息总是从CPU到存储器或I/O端口，它是单向信号线。 ?数据总线（D_Bus）：专用于在CPU、存储器和I/O端口间传送数据信息的信号线。此类信号线传送的信息可以是从CPU到存储器或I/O端口（“写”操作），也可能是从存储 器或I/O端口到CPU（“读”操作），它是双向信号线。 ?控制总线（C_Bus）：专用于CPU与其它部件之间传送控制信息和状态信息的信号线。此类信号线的构成比较复杂，传送的控制、状态信息可以是从CPU到其它部件，也可能 是从其它部件到CPU。此类总线中的某些具体的线是单向的（或从CPU到其它部件， 或反之），但作为总线来说，它是双向信号线。 3、中央处理器CPU是计算机的核心部件，主要功能是解释并执行计算机指令，完成数据处理和对计算机其他各部分进行控制。存储器是计算机系统中用来存储程序和数据的信息记忆部件。 4、嵌入式系统：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。简而言之，嵌入式系统就是嵌入到目标应用系统中、完成特定处理功能的专用计算机系统。 5嵌入式处理器分类嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统1.何谓计算机体系结构？ 答：计算机体系结构是对计算机较高层次的抽象，是摆脱具体电路的实现而主要着眼于计算机系统的逻辑特征、原理特征、结构特征和功能特征的抽象。 3.什么是RISC？什么是CISC？简述他们的特点与差别。 答：RISC是Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机。特点是指令系统精炼，处理器电路逻辑相对简单，且能够以更快的速度执行操作。对于负载的功能需要编程实现。 CISC是Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机。特点是指令系统中含有大量的类似于高级程序设计语言结构的复合功能指令。指令系统庞大，处理器硬件电路的复杂度。 21.存储器和IO端口统一编址和独立编址各有什么特点？ARM7处理器统一编址编址方式 答：统一编址方式---存储器单元资源和IO端口资源统一编址在一个地址空间。特点：按地址空间位置约定各分类资源，访问IO端口如同访问存储器单元，无需专用的IO访问指令。 芯片上没有专用于IO访问的引脚。 独立编址方式---存储器资源和IO端口资源分别编址在两个地址空间，存储器地址空间和IO 地址空间。特点：按资源分类的地址空间清晰，使用不同的指令访问存储器和IO端口，处理器指令系统中既有存储器访问指令，又有专用的IO访问指令。芯片上有专用于IO访问的引脚。 22.大端存储模式和小端存储模式的含义：高位数据存储在高地址字节，这种组织数据的存储方
计算机特点
计算机特点 1、运算速度快、精度高。现代计算机每秒钟可运行几百万条指令，数据处理的速度相当快，是其他任何工具无法比拟的。 2、具有存储与记忆能力。计算机的存储器类似于人的大脑，可以“记忆“(存储)大量的数据和计算机程序。 3、具有逻辑判断能力。具有可靠逻辑判断能力是计算机能实现信息处理自动化的重要原因。能进行逻辑判断，使计算机不仅能对数值数据进行计算，也能对非数值数据进行处理，使计算机能广泛应用于非数值数据处理领域，如信息检索、图形识别以及各种多媒体应用等。 4、自动化程度高。利用计算机解决问题时，人们启动计算机输入编制好的程序以后，计算机可以自动执行，一般不需要人直接干预运算、处理和控制过程。 计算机(computer)俗称电脑，是现代一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。 由硬件系统和软件系统所组成，没有安装任何软件的计算机称为裸机。可分为超级计算机、工业控制计算机、网络计算机、个人计算机、嵌入式计算机五类，较先进的计算机有生物计算机、光子计算机、量子计算机等。 计算机发明者约翰·冯·诺依曼。计算机是20世纪最先进的科学技术发明之一，对人类的生产活动和社会活动产生了极其重要的影响，
并以强大的生命力飞速发展。它的应用领域从最初的军事科研应用扩展到社会的各个领域，已形成了规模巨大的计算机产业，带动了全球范围的技术进步，由此引发了深刻的社会变革，计算机已遍及一般学校、企事业单位，进入寻常百姓家，成为信息社会中必不可少的工具。 计算机的应用在中国越来越普遍，改革开放以后，中国计算机用户的数量不断攀升，应用水平不断提高，特别是互联网、通信、多媒体等领域的应用取得了不错的成绩。1996年至2009 年，计算机用户数量从原来的630万增长至6710 万台，联网计算机台数由原来的2.9万台上升至5940万台。互联网用户已经达到3.16 亿，无线互联网有6.7 亿移动用户，其中手机上网用户达1.17 亿，为全球第一位。
冯诺依曼体系结构计算机的要点和工作过程
1、简述冯诺依曼体系结构计算机的要点和工作过程。 答：冯诺依曼体系结构计算机的要点：计算机中的信息（程序和数据）以二进制方式表示。程序预存储，机器自动执行。计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。计算机通过执行预存储在存储器中的程序来完成预定的运算。程序由计算机的指令序列构成，计算机在处理器的控制下，首先从存储器读取一条待执行的指令到处理器中，接下来分析这条指令，而后发出该指令对应的电平脉码序列，即执行该指令。并以此递归运行程序。 2、何谓总线？计算机中有哪几类总线？简述其用途。 答：计算机的总线（Bus）就是连接计算机硬件各部件，用于计算机硬件各部件之间信息传输的公共通道。按照其传送信号的用途属性，总线可细分为：地址总线（Address Bus）、数据总线（Data Bus）和控制总线（Control Bus）三类。 ?地址总线（A_Bus）：专用于在CPU、存储器和I/O端口间传送地址信息的信号线。此类信号线传送的信息总是从CPU到存储器或I/O端口，它是单向信号线。 ?数据总线（D_Bus）：专用于在CPU、存储器和I/O端口间传送数据信息的信号线。此类信号线传送的信息可以是从CPU到存储器或I/O端口（“写”操作），也可能是从存 储器或I/O端口到CPU（“读”操作），它是双向信号线。 ?控制总线（C_Bus）：专用于CPU与其它部件之间传送控制信息和状态信息的信号线。此类信号线的构成比较复杂，传送的控制、状态信息可以是从CPU到其它部件，也可 能是从其它部件到CPU。此类总线中的某些具体的线是单向的（或从CPU到其它 部件，或反之），但作为总线来说，它是双向信号线。 3、中央处理器CPU是计算机的核心部件，主要功能是解释并执行计算机指令，完成数据处理和对计算机其他各部分进行控制。存储器是计算机系统中用来存储程序和数据的信息记忆部件。 4、嵌入式系统：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。简而言之，嵌入式系统就是嵌入到目标应用系统中、完成特定处理功能的专用计算机系统。 5嵌入式处理器分类嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统1.何谓计算机体系结构？ 答：计算机体系结构是对计算机较高层次的抽象，是摆脱具体电路的实现而主要着眼于计算机系统的逻辑特征、原理特征、结构特征和功能特征的抽象。 3.什么是RISC？什么是CISC？简述他们的特点与差别。 答：RISC是Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机。特点是指令系统精炼，处理器电路逻辑相对简单，且能够以更快的速度执行操作。对于负载的功能需要编程实现。 CISC是Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机。特点是指令系统中含有大量的类似于高级程序设计语言结构的复合功能指令。指令系统庞大，处理器硬件电路的复杂度。 21.存储器和IO端口统一编址和独立编址各有什么特点？ARM7处理器统一编址编址方式 答：统一编址方式---存储器单元资源和IO端口资源统一编址在一个地址空间。特点：按地址空间位置约定各分类资源，访问IO端口如同访问存储器单元，无需专用的IO访问指令。芯片上没有专用于IO访问的引脚。 独立编址方式---存储器资源和IO端口资源分别编址在两个地址空间，存储器地址空间和IO地址空间。特点：按资源分类的地址空间清晰，使用不同的指令访问存储器和IO端口，处理器指令系统中既有存储器访问指令，又有专用的IO访问指令。芯片上有专用于IO访问的引脚。 22.大端存储模式和小端存储模式的含义：高位数据存储在高地址字节，这种组织数据的存储方式称为‘小端模式’；另一种则反之，高位数据存储在低地址字节，这种组织数据的存储方式称为‘大端模式’；
计算机体系结构的分类模型_沈绪榜
第28卷 第11期2005年11月 计 算 机 学 报 CH INESE JOURNA L OF COM PU TERS V ol.28N o.11 No v.2005 收稿日期:2004-09-01;修改稿收到日期:2005-05-08.沈绪榜,男,1933年生,中国科学院院士,博士生导师,长期从事嵌入式计算机及其国产芯片实现的研究工作.张发存,男,博士,副教授,研究方向为嵌入式计算机系统结构.冯国臣,男,1975年生,博士研究生,研究方向为嵌入式计算机系统结构.车德亮,男,1975年生,博士研究生,研究方向为嵌入式计算机系统结构.王 光,男,1973年生,博士研究生,嵌入式计算机系统结构. 计算机体系结构的分类模型 沈绪榜1) 张发存 1),2) 冯国臣1) 车得亮1) 王 光 1) 1)(西安微电子技术研究所 西安 710054) 2) (西安理工大学计算机学院 西安 710048) 摘 要 根据计算机体系结构的发展,以指令流(instruction st ream)计算、数据流(data stream )计算与构令流(config ur atio n str eam)计算的概念为基础,提出了一种新的计算机体系结构的分类模型.关键词 指令流;数据流;构令流;软件;构件;流件;体系结构中图法分类号T P 302 The Classification Model of Computer Architectures SHEN Xu -Bang 1) ZH AN G Fa -Cun 1),2) FENG Guo -Chen 1) CH E De -Liang 1) WANG Guang 1) 1) (X i c an M icroelectronic T echnique Institute ,X i c an 710054)2)(S chool of Compu ter ,X i c an Univ ersity of T ech nology ,X i c an 710048) Abstract A ccording to the dev elo pment o f computer architectures,on the basis o f the concept of Instruction Str eam co mputation,Data Stream computation and Co nfiguration Str eam co mputa -tion,this paper proposes a new classification m odel of co mputer architectures. Keywords instruction stream;data stream;co nfiguratio n stream;so ftw are;configw are;flow -w are;ar chitecture 1 引 言 从制造技术上讲,芯片的集成度是按摩尔定律成指数增长的,摩尔定律不是一个物理定律,而是一个经营管理的规律,目前已成为IC 业制定规划的标准,只有达到这个标准,才能实现计算能力不变时,微处理器的价格和体积每18个月能减小1倍的目标.从设计技术上讲,芯片集成度的不断提高,促进了可重用的芯片实现形式的不断发展变化.如何改变和重新定义计算硬件的性质,这不但会影响软件和硬件的计算平台,而且也会影响计算机的应用领域.在多媒体、无线通信、数据通信与许多其它的嵌入式应用领域中,为了满足标准的不断更新和多标 准操作所带来的高吞吐量和超低功耗要求,可重构 计算技术成了当前的研究热点. 重构计算已经为硬件设计开辟了一个新天地,可能导致计算/逻辑0的一次革命.硬件重构不仅能加快程序执行,而且也能调整计算平台.为了尽可能地降低可重构性的开销,设计者必须从硬件与软件两个方面考虑计算任务的优化划分,寻找可重构性与性能之间的平衡.人们估计到2010年,90%以上的程序设计者都将是从事嵌入式系统的程序设计的,那时,可重构计算也将是程序设计者必须具备的基础知识之一. 可重构计算技术的发展,使计算机不仅有传统的基于指令流计算的体系结构和基于数据流计算的体系结构,而且有基于构令流的体系结构.所以,为
冯诺依曼体系结构与哈佛体系结构
冯诺依曼体系结构、哈佛体系结构与改进型哈佛结构之间的区别 1、冯·诺依曼结构 冯·诺依曼结构又称作普林斯顿体系结构（Princetionarchitecture）。 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·诺依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。 冯·诺依曼的主要贡献就是提出并实现了“存储程序”的概念。由于指令和数据都是二进制码，指令和操作数的地址又密切相关，因此，当初选择这种结构是自然的。但是，这种指令和数据共享同一总线的结构，使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈，影响了数据处理速度的提高。 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·诺依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·诺依曼结构处理器，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。 arm7系列的CPU有很多款，其中部分CPU没有内部cache的，比如arm7TDMI，就是纯粹的冯·诺依曼结构，其他有内部cache且数据和指令的cache分离的cpu则使用了哈弗结构。 2、哈佛结构 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，如图1所示。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。 目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多，除了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。
冯诺依曼计算机的基本原理
冯诺依曼计算机的基本原理 核心是“存储程序”和“程序控制” 存储程序是指以代码的形式事先输入到计算机主存储器中，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。 冯诺依曼机的特点： 1）运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备 2）指令和数据以同等地位存于存储器中，并可按地址寻访 3）指令和数据均用二进制代码表示 4）指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。 5）指令在存储器内按顺序存放 运算器和控制器集成到同一芯片，合称为中央处理器（CPU）。CPU 和主存储器共同构成主机。 存储器： 主存储器由许多存储单元组成，每个存储单元包含若干个存储元件，每个元件存储一位二进制代码“0”或“1”。故而存储单元可存储一串二进制代码，称这串代码为存储字，这串代码的位数称为存储字长，存储字长可以是一个字节或者是字节的偶数倍。 主存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取的这种存取方式称为按地址存取方式（相联存储器可按内容访问）
主存储器的基本组成： 存储体存放二进制信息。 地址寄存器（MAR）存放访存地址，经过地址译码后找到所选的存储单元。 数据寄存器（MBR）是主存和其他部件的中介机构，用于暂存要从存储器中读或者写的信息。 时序控制逻辑用于产生存储器操作所需的各种时序信号 注意：MAR和MDR属于存储器，但存在于CPU中 运算器：对数据进行加工处理，完成算术运算和逻辑运算。运算器的核心是算数逻辑单元，运算器包含若干通用寄存器，用于暂存操作数和中间结果（累加器ACC，乘商寄存器、操作数寄存器、变址寄存器、基址寄存器）。还有程序状态字寄存器，保留各类运算指令或测试指令的结果的各类状态信息，以表征系统运行状态。 控制器：硬布线控制器、微程序控制器。由程序计数器、指令寄存器、控制单元组成。PC用来存放当前欲执行指令的地址，可以自动+1以形成下一条指令的地址，它与主存的MAR之间有一条直接通路。IR用来存放当前的指令，其内容来自主存的MDR。指令中的操作码（OP）送至CU，用以分析指令并发出各种微操作命令序列，而地址码送往MAR来取操作数。 输入设备的主要功能是将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入到计算机。 输出设备的任务是将计算机处理的结果以人们所能接受的形式或其
冯诺依曼与哈佛结构计算机的区别(精品)
冯诺依曼与哈佛结构计算机的区别（精品）冯诺依曼型计算机与哈佛结构计算机的区别 说到计算机的发展，就不能不提到德国科学家冯诺依曼。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，德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。 (一)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。 传统计算机采用冯?诺依曼(Von Neumann)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并在一起的存储器结构。冯?诺依曼结构的计算机其程序和数据公用一个存储空间，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;采用单一的地址及数据总线，程序指令和数据的宽度相同。处理器执行指令时，先从储存器中取出指令解码，再取操作数执行运算，即使单条指令也要耗费几个甚至几十个周期，在高速运算时，在传输通道上会出现瓶颈效应。 如图 1-3 所示，冯?诺依曼结构的计算机由 CPU 和存储器构成，程序计算器(PC)是CPU 内部指示指令和数据的存储位置的寄存器。CPU 通过程序计数器提供的地址信息，对存储器进行寻址，找到所需要的指令或数据，然后对指令进行译码，最后执行指令规定的操作。
冯诺依曼结构与哈佛结构
1、冯·诺依曼结构 冯·诺依曼结构又称作普林斯顿体系结构（Princetionarchitecture）。 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·诺依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。 冯·诺依曼的主要贡献就是提出并实现了“存储程序”的概念。由于指令和数据都是二进制码，指令和操作数的地址又密切相关，因此，当初选择这种结构是自然的。但是，这种指令和数据共享同一总线的结构，使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈，影响了数据处理速度的提高。 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·诺依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·诺依曼结构处理器，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。 arm7系列的CPU有很多款，其中部分CPU没有内部cache的，比如arm7TDMI，就是纯粹的冯·诺依曼结构，其他有内部cache且数据和指令的cache分离的cpu则使用了哈弗结构。 2、哈佛结构 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，如图1所示。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。 图1 哈佛体系结构框图 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。 目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多，除了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A VR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
第4章冯诺依曼计算机机器级程序及其执行练习题答案解析
百度文库 1 第4章冯.诺依曼计算机：机器级程序及其执行 1、关于“图灵机”，下列说法不正确的是_____。 (A)图灵机给出的是计算机的理论模型； (B)图灵机的状态转移函数
冯·诺依曼结构和哈佛结构
中央处理器的体系架构可以分为：冯·诺依曼结构和哈佛结构 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。 目前使用冯·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·诺伊曼结构。 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。冯·诺依曼的主要贡献就是提出并实现了“存储程序”的概念。由于指令和数据都是二进制码，指令和操作数的地址又密切相关，因此，当初选择这种结构是自然的。但是，这种指令和数据共享同一总线的结构，使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈，影响了数据处理速度的提高。 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·诺依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。 哈佛结构
1冯-诺依曼原理的基本思想是什么
1．冯-诺依曼原理的基本思想是什么？ 答：主要有三点： （1）计算机硬件组成应为五大部分：控制器、运算器、存储器、输入和输出； （2）存储程序，让程序来指挥计算机自动完成各种工作； （3）计算机运算基础采用二进制； 2．什么是计算机硬件、计算机软件？各由哪几部分组成？它们之间有何联系？ 答：人们通常把构成计算机的物理装置称为计算机的硬件，其主要功能是：存放控制计算机运行的程序和数据，对信息进行加工处理，实现与外界的信息交换。软件是计算机程序及其相关文档的总称。软件是对硬件功能的完善与扩充，一部分软件又是以另一部分软件为基础的再扩充。 3．什么是位、字节？什么是内存地址？ 答：在计算机中，二进制数中的每个0和1是信息的最小单位，称为二进制位，简称“位”，英文用“bit”表示。 4．什么是存储器？什么是内存？什么是外存？存储器的容量以什么为单位？ 答：在计算机中用于存放供CPU执行的指令，计算或处理的原始数据、中间结果、最终答案的部件称为存储器。用来存放可供CPU直接调用的指令或数据的存储器称为内部存储器，简称内存。计算机的内存一般由RAM和ROM组成，通过电路与CPU相连，CPU可向其中存入数据，也可以从中取得数据，存取数据速度与CPU速度相匹配。外存储器简称外存，主要有磁带、磁盘、光盘等。用于长期保存数据或程序，并能随时恢复或应用。其特点是容量大且断电后数据不丢失，但存储速度较慢。存储器的容量以字节为单位。 5．计算机主频和运算速度的含义是什么？ 答：主频是指机器的时钟频率，它直接影响到机器运行速度。运算速度是指机器每秒能执行的指令数，其单位为MIPS。 6．微型计算机中的主存储器由RAM和ROM组成，二者的主要区别是什么？正运行的用户程序存放在哪部分中？答： （1）RAM为随机存储器，可随时读写，断电后信息归零； （2）ROM为只读存储器，只可读出其内容而不能写入信息，断电后其住处仍保存着； （3）正运行的用户程序存放在RAM中； 7．计算机系统的主要性能指标反映在哪些方面？ 答：四个方面：字长、运算速度、存贮容量和主频。 8．计算：3.5英寸双面高密软盘容量，每道18个扇区，每面80条磁道。（要求有计算过程步骤） 答：512×18×80×2＝1474560（字节）约1.44MB 9．什么是CPU？它在计算机中起什么作用？ 答：运算控制单元又称为中央处理单元，简称CPU。 CUP是计算机的核心，由极其复杂的线路组成，它的作用是完成各种运算，并控制计算机各部件协调工作。 10．简述常用计算机语言及其程序的执行方式？ 答： （1）机器语言，是由若干个0和1，按照一定的规则组成的代码串。用机器语言编写的程序叫做目标程序。计算机可直接识别目标程序。 （2）汇编语言，它不能直接使硬件工作，必须用一套相应的语言处理程序去翻译为机器语言后，才能使硬件接受并
冯诺依曼结构是指计算机结构必须包括五个部分
1.冯诺依曼结构是指计算机结构必须包括五个部分，分别为_________、__________、 _________、__________、__________。 2.复制的快捷键是_____________，粘贴的快捷键是_____________。 3.1MB=_____________KB。 4.在查找中，“*”表示_____________，“？”表示_____________。 5..JPG表示_____________格式；.DOC表示_____________格式。 6.请写出你的一个电子邮箱__________________________。 7.FTP是指__________________。 8.请指出IP地址“192.168.110.257”的错误___________________。 9.数码相机中导出的图片怎么改变其容量和尺寸，写出你常用的软件或方法（至少两种） _________________、________________。 10.使用打印、复印、扫描一体机的复印功能是否需要连接计算机。_____________ 11.硬盘格式化以后，里面的资料是否无法找回？_____________ 12.ROM是指_____________，RAM是指_____________。 13.网址https://www.360docs.net/doc/26362480.html,中gov表示网站类型为_____________。 14.通过电子邮箱一次性发送20个文件，首先应将这些文件进行________处理。 15.大多数打印机连接到计算机上不能直接使用，需先安装该打印机的_____________。 16.请检测你当前计算机的性能：CPU__________________________，内存_____________， 硬盘_____________。 17.写出Office办公组件中常用的三个软件名称：_____________，_____________， _____________。
冯诺依曼在计算机领域中的贡献
冯诺依曼在计算机领域中的贡献 1944年夏的一天，正在火车站候车的诺伊曼巧遇戈尔斯坦，并同他进行了短暂的交谈。当时，戈尔斯坦是美国弹道实验室的军方负责人，他正参与ENIAC计算机的研制工作。在交谈中，戈尔斯坦告诉了诺伊曼有关ENIAC的研制情况。具有远见卓识的诺伊曼为这一研制计划所吸引，他意识到了这项工作的深远意义。 几天之后，诺伊曼专程来到莫尔学院，参观了尚未竣工的这台庞大的机器，并以其敏锐的眼光，一下子抓住了计算机的灵魂－－逻辑结构问题，令年轻的ENIAC的研制们敬佩不已。 因实际工作中对计算的需要以及把数学应用到其他科学问题的 强烈愿望，使诺伊曼迅速决定投身到计算机研制者的行列。对业已功成名就的诺伊曼来说，这样做需要极大的勇气，因为这是一个成败未卜的新征途，一旦失败，会影响他已取得的名誉和地位。诺伊曼却以对新事物前途的洞察力，毅然决然地向此征途迈出了第一步，于1944年8月加入莫尔计算机研制小组，为计算机研制翻开了辉煌的一页。 程序内存是诺伊曼的另一杰作。通过对ENIAC的考察，诺伊曼敏锐地抓住了它的最大弱点－－没有真正的存储器。ENIAC只在20个暂存器，它的程序是外插型的，指令存储在计算机的其他电路中。这样，解题之前，必需先相好所需的全部指令，通过手工把相应的电路联通。这种准备工作要花几小时甚至几天时间，而计算本身只需几分钟。计算的高速与程序的手工存在着很大的矛盾。
针对这个问题，诺伊曼提出了程序内存的思想：诺伊曼以其非凡的分析、综合能力及雄厚的数理基础，集众人之长，提出了一系列优秀的设计思想。诺伊曼以“关于EDVAC的报告草案”为题，起草了长达101页的总结报告。报告广泛而具体地介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想。报告明确规定，EDVAC计算机由计算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出五大部分组成，并阐述了这五大部分的职能和相互关系。这份报告是计算机发展史上一个划时代的文献，它向世界宣告：电子计算机的时代开始了。 1954年6月，诺伊曼到美国普林斯顿高级研究所工作，出任ISA 计算机研制小组的主任职位。在那时，他提出了更加完善的设计报告“电子计算装置逻辑结构初探”。报告中，诺伊曼对EDVAC中的两大设计思想作了进一步的论证，为计算机的设计树立了一座里程碑。设计思想之一是二进制，他根据电子元件双稳工作的特点，建议在电子计算机中采用二进制。报告提到了二进制的优点，并预言，二进制的采用将大简化机器的逻辑线路。 实践证明了诺伊曼预言的正确性。如今，逻辑代数的应用已成为设计电子计算机的重要手段，在EDVAC中采用的主要逻辑线路也一直沿用着，只是对实现逻辑线路的工程方法和逻辑电路的分析方法作了改进。 把运算程序存在机器的存储器中，程序设计员只需要云存储器中寻找运算指令，机器就会自行计算，这样，就不必每个问题都重新编程，从而大大加快了运算进程。这一思想标志着自动运算的实现，标
冯诺依曼结构和哈佛结构
冯?诺依曼结构和哈佛结构 一、冯?诺依曼结构： 1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指令存储器合并在一起并经由同一个总线传输的存储器结构。其结构如下图所示： 2.冯?诺依曼结构处理器具有以下几个特点： ①必须有一个存储器； ②必须有一个控制器； ③必须有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算； ④必须有输入和输出设备，用于进行人机通信。 3.在典型情况下，完成一条指令需要3个步骤，即：取指令、译码和执行。 冯?诺依曼结构的处理器对存储器进行读写操作的指令，如下图所示： 由于冯?诺依曼结构中取指令和存取数据要从同一个存储空间存取，而且由同一总线传输，所以它们无法重叠执行，只有一个完成后再进行下一个。 这种指令和数据共享同一总线的结构，使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈，影响了数据处理速度的提高。为克服数据流传输的瓶颈，提高运算速度，人们开发出了较快运算速率，更高数据吞吐量的哈佛结构。
二、哈佛结构 1.哈佛结构是一种将程序指令存储和数据指令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）。其结构如下图所示： 2..哈佛结构处理器与冯?诺依曼结构处理器相比较有两个明显的特点： ①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； ②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。 3.哈佛结构的处理器对存储器进行读写操作的指令，如下图所示： 通过上图可以看出如果采用哈佛结构，在处理相同的3条存取数指令的时候，各条指令可以重叠地执行，这样就克服了数据流传输过程中的瓶颈，提高了处理器的运算速度。 三、哈佛结构和常见的冯?诺依曼结构区别 哈佛结构与冯?诺依曼结构的最大区别在于冯?诺依曼结构的计算机采用代码与数据的统一编址，而哈佛结构是独立编址的，代码空间与数据空间完全分开。
计算机作业答案
1. 简述计算机发展过程以及各阶段所采用的元器件和主要特点、作用? 答：计算机的发展过程主要有如下四代： 第一代（1946-1957）电子管计算机，主要特点：以电子管为基本电子器件。主要作用：用于科学计算； 第二代(1958年～1963年)是晶体管计算机，主要特点：主要元件由晶体管代替了电子管。主要作用：用于工业自动化控制； 第三代(1964年～1971年)是小规模集成电路计算机，主要特点：逻辑元件采用小规模集成电路，这种电路器件是把几十或几百个独立的电子元件集中做在一块几平方毫米的硅芯片上。主要作用：文字、图像、通信；第四代(1971年～至今)是大规模集成电路计算机，主要特点：逻辑元件采用大规模集成电路，有的甚至采用超大规模集成电路技术，在硅半导体芯片上集成1000到10万个电子器件。 主要作用：社会各领域如公司办公、家庭上网、超市收银等。 2. 简述冯诺依曼原理的基本内容? 答：冯诺依曼体系结构有以下特点： 1）计算机处理的数据和指令一律采用二进制数的形式表示； 2）指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中； 3）顺序执行程序的每一条指令； 4）计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。 程序执行过程实际上是不断的取指令、分析指令、执行的过程。因为其结构特点，冯诺依曼的计算机本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使有关数据已经准备好，也必须逐条执行指令 3. 简述启动控制面板的常用方法? 答：常用打开控制面板的方法：
1）点开始，选择控制面板打开。 2）打开我的电脑，选择控制面板。 3）点开始-运行，输入命令control，回车打开控制面板。 4. 什么是存储器? 内存储器和外存储器直接有什么本质的不同? 答：计算机存储器是记忆部件，用来存放程序和数据，是计算机的重要组成部分。计算机 中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在 存储器中。它可分为： 内部存储器 外部存储器 内存（内部存储器）：其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据，只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算， 当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳定运行。 外存（外部存储器）一般用于掉电存储，比如软盘、硬盘、CD/DVD、U盘、移动硬盘等，可以存储程序代码或用户数据资料等。 内存和外存主要的区别： 1）速度不同。内存要比外存速度至少快上百倍，外存通常较慢，运行时要先加载到 内存运行。 2）容量不同。内存容量一般就几个G，大的也就是16G、32G等，而外存，比如硬盘，随便就是几个T。 3）成本不同。内存很贵，而Flash做的U盘或者磁片做的硬盘都相对内存来讲比较 便宜。 3）易失性不同。内存关机断电数据就会全部丢失，而外存掉电后能保持记忆不丢失，数据一直都在。 5. Word2010中，如何为文件设置密码? 答：在 Word 2010 文档中设置密码，请执行下列操作： 1）单击“Office 按钮”Office 按钮，指向“准备”，然后单击“加密文档”。 Word 2010 设置和修改文档密码
画出冯诺依曼结构模型
1;画出冯诺依曼结构模型，并简述冯.诺依曼原理的基本内容。 答；冯诺依曼体系结构有以下特点； 1；计算机处理的数据和指令一律采用二进制数的形式表示； 2；指令和数据不加区别混合储存在同一个储存器中； 3；顺序执行程序的每一条指令； 4；计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。 程序执行过程实际上是不断的取指令、分析指令、执行的过程。因为其结构特点，冯诺依曼的计算机本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使有关数据已经准备好，也必须逐条执行指令。 2. 简述启动控制面板的常用方法。（至少列出三种） 答；1；点开始，选择控制面板打开。 2；打开我的电脑，选择控制面板。 3；点开始-运行，输入命令control,回车打开控制。 3.什么是存储器？内存储器与外存储器之间有什么异同点 答：（1）.存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。 内存储器与外存储器之间有什么本质的不同在于：内存储器就是我们常说的内存，还有其他一些只有通电的时候才能存储信息的东西。一旦停电，数据马上就没了。外存储器就是我们常说的，硬盘，U盘，光盘等，在不通电的情况下数据是不会丢失的。 （2）内储存器与外储存器主要的区别； 1，速度不同，内存要比外存快上百倍。 2，容量不同，一般内存就几个G，大的也就16G,32G,外存，比如硬盘随便就几T.
4. 简述计算机的工作原理。 答；计算机工作是现将需要执行的程序从外储存中读入内存中，由CPU负责从内存中逐条取出指令，分析指令，然后执行指令，再有指令计数器取出一条指令，CPU重复的工作，直到遇到停止指令然后结束程序的执行。 5. 简述记事本和写字板的功能。 答；记事本是txt格式，写字板是rtf格式。 1，记事本用于纯文本文档的编辑，功能没有写字板强大，适于编写一些篇幅短小的文件，由于使用方便，应用也是较多的。如一些程序的README的文件通常是以记事本的方式打开的。 2写字板是一个使用简单，但功能强大的文字处理程序，可以利用它进行日常的文件编辑。不及可以进行中英文文档的编辑，还可以图文混排，插入图片，声音，视频剪辑等多媒体资料。 6.如何设置远程桌面连接，请写出具体过程？ 答；第一步：点开始——在运行里面输入mstsc,按回车键。 第二步：输入远程电脑的ip,点链接。 注；远程电脑必须开启允许连接方法如下 1，选择桌面上的计算机，鼠标右键选择属性。 2，点远程设置。 3选中允许运行任意版本远程桌面的计算机，点选择用户，点添加，输入允许连接本台计算机的用户，然后返回系统属性窗口，点确定。 7.为了保护重要文档，有哪几种具体方法？ 答；根据目的的不同，有很多方法可以实现，如U盘的，disk卡的防写保护，是通过硬件保护，禁止更改或删除，通过windows的权限设置也可以实现防止对电脑中文件进行更改，删除，和复制。另外也可以使用工具软件对需要保护的文件进行加密，隐藏等，总体来说，有三类方法；1是硬件保护，2是系统工具保护，3是工具软件保护。 8. 当输入或更改数据时，会影响所有被选中的工作表，请列出选择工作的几种操作方法？答；（1）选择单张工作表，单击工作表标签，如果看不到所需的标签，可单击标签滚动按钮为显示标签然后再单击它。 （2）选择两张或多张相邻的工作表；选择中第一张工作表的标签，再按住{shif}键，单击最后一张工作表的标签。 （3）选择两张或多张相邻的工作表单击第一张工作表的标签，再按住{ctri}键，单击其它需要选择的工作表标签。