更新时间:2024-09-07 15:41
冯·诺依曼机(von Neumann machine),又称冯·诺依曼计算机,根据冯·诺依曼提出的存储程序概念设计的计算机。主要特征是:指令与数据都以二进制形式储存在存储器里;指令根据其储存的顺序执行。
冯·诺依曼型计算机一般具有以下五个功能: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;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;能够根据需要控制程序走向,并能根据指令控制机器的各部件协调操作;能够按照要求将处理结果输出给用户。
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,即使有关数据已经准备好,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。
冯·诺依曼体系结构的计算机,其基本设计思想就是存储程序和程序控制。
采用二进制形式表示数据和指令:在存储程序的计算机中,数据和指令都是以二进制形式存储在存储器中的。从存储器存储的内容来看两者并无区别.都是由0和1组成的代码序列,只是各自约定的含义不同而已。计算机在读取指令时,把从计算机读到的信息看作是指令;而在读取数据时,把从计算机读到的信息看作是操作数。数据和指令在软件编制中就已加以区分,所以正常情况下两者不会产生混乱。有时我们也把存储在存储器中的数据和指令统称为数据,因为程序信息本身也可以作为被处理的对象,进行加工处理,例如对照程序进行编译,就是将源程序当作被加工处理的对象。
采用存储程序方式:这是冯·诺依曼思想的核心内容。如前所述,它意味着事先编制程序,事先将程序(包含指令和数据)存入主存储器中,计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序,计算机功能的扩展在很大程度上也体现为所存储程序的扩展。计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。冯·诺依曼机的这种工作方式,可称为控制流(指令流)驱动方式。即按照指令的执行序列,依次读取指令,然后根据指令所含的控制信息,调用数据进行处理。因此在执行程序的过程中,始终以控制信息流为驱动工作的因素,而数据信息流则是被动地被调用处理。为了控制指令序列的执行顺序,设置一个程序(指令)计数器PC(Program Counter),让它存放当前指令所在的存储单元的地址。如果程序是顺序执行的,每取出一条指令后PC内容加l,指示下一条指令该从何处取得。如果程序将转移到某处,就将转移的目标地址送入PC,以便按新地址读取后继指令。所以,PC就像一个指针,一直指示着程序的执行进程,也就是指示控制流的形成。虽然程序与数据都采用二进制代码,仍可按照PC的内容作为地址读取指令,再按照指令给出的操作数地址去读取数据。由于多数情况下程序是顺序执行的,所以大多数指令需要依次地紧挨着存放,除了个别即将使用的数据可以紧挨着指令存放外、一般将指令和数据分别存放在该程序区的不同区域内。
由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成计算机系统,并规定了这五部分的基本功能。
CPU的处理速度和内存容量的成长速率要远大于两者之间的流量,将大量数值从内存搬入搬出的操作占用了CPU大部分的执行时间,也造成了总线的瓶颈。
程序指令的执行是串行的,由程序计数器控制,这样使得即使有关数据已经准备好,也必须遵循逐条执行指令序列,影响了系统运行的速度;
存储器是线性编址,按顺序排列的地址访问,这是有利于存储和执行机器语言,适用于数值计算。但高级语言的存储采用的是一组有名字的变量,是按名字调用变量而非按地址访问,且高级语言中的每个操作对于任何数据类型都是通用的,不管采用何种数据结构,多维数组、二叉树还是图,最终在存储器上都必须转换成一维的线性存储模型进行存储。这些因素都导致了机器语言和高级语言之间存在很大的语义差距,这些语义差距之间的映射大部分都要由编译程序来完成,在很大程度上增加了编译程序的工作量。
冯·诺依曼体系结构计算机是为逻辑和数值运算而诞生的,它以CPU为中心,I/O设备与存储器间的数据传送都要经过运算器,在数值处理方面已经达到很高的速度和精度,但对非数值数据的处理效率比较低,需要在体系结构方面有革命性突破。
在计算机体系结构研究方面也已经有了重大进展,越来越多的非冯计算机相继出现,如光子计算机、量子计算机、神经计算机以及DNA计算机等等。
光子计算机(Photonic computer)是一种采用光信号作为物质介质和信息载体,依靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行数值运算、逻辑操作和信息的存储和处理。它可以实现对复杂度高、计算量大、实时性强的任务的高效、并行处理,比普通电子计算机快1000倍,在图像处理、模式识别和人工智能方面有着非常巨大的应用前景。
神经计算机(Neural computer)是一种可以并行处理多种数据功能的神经网络计算机,它以神经元为处理信息的基本单元,将模仿大脑神经记忆的信息存放在神经元上。神经网络具有自组织、自学习、自适应及自修复功能,可以模仿人脑的判断能力和适应能力。美国科学家研究出的神经计算机可以模拟人的左脑和右脑,能识别语言文字和图形图像,能控制机器人行为,进行智能决策。它的左脑由100万个神经元组成,用于存储文字和语法规则,右脑由1万多个神经元组成,适用于图形图像识别。这将有可能成为人工智能硬件发展的主攻方向。
量子计算机(Quantum computer)是遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机本身的特性,扩充了逻辑和数学理论,通过核自旋、光子、束缚离子和原子等制成的量子位,创造出经典条件下不可能存在的新的逻辑门。马约拉纳费米子反粒子就是自己本身的属性,或许是令量子计算机的制造变成现实的一个关键。与经典的比特位不同,对量子位操作1次等同于对经典位操作2次,因为量子不像半导体只能记录0和1,它可以同时表示多种状态。这些都为新的算法实现提供了条件,也为人工智能的发展提供了可能的硬件条件。