說到計算機的發展，就不能不提到德國科學家馮諾依曼。從20世紀初，物理學和電子學科學家們就在争論制造可以進行數值計算的機器應該采用什麼樣的結構。人們被十進制這個人類習慣的計數方法所困擾。所以，那時以研制模拟計算機的呼聲更為響亮和有力。20世紀30年代中期，德國科學家馮諾依曼大膽的提出，抛棄十進制，采用二進制作為數字計算機的數制基礎。同時，他還說預先編制計算程序，然後由計算機來按照人們事前制定的計算順序來執行數值計算工作。

内容概述

馮·諾依曼理論的要點是：數字計算機的數制采用二進制；計算機應該按照程序順序執行。人們把馮·諾依曼的這個理論稱為馮·諾依曼體系結構。從ENIAC到當前最先進的計算機都采用的是馮·諾依曼體系結構。所以馮·諾依曼是當之無愧的數字計算機之父。

根據馮·諾依曼體系結構構成的計算機，必須具有如下功能：把需要的程序和數據送至計算機中。必須具有長期記憶程序、數據、中間結果及最終運算結果的能力。能夠完成各種算術、邏輯運算和數據傳送等數據加工處理的能力。能夠根據需要控制程序走向，并能根據指令控制機器的各部件協調操作。能夠按照要求将處理結果輸出給用戶。

為了完成上述的功能，計算機必須具備五大基本組成部件，包括：輸人數據和程序的輸入設備、記憶程序和數據的存儲器、完成數據加工處理的運算器、控制程序執行的控制器、輸出處理結果的輸出設備。

馮諾依曼體系結構的局限

從計算機誕生那天起，馮·諾依曼體系結構占據着主導地位，幾十年來計算機體系結構理論并沒有新理論出現。随着計算機應用範圍的迅速擴大，使用計算機解決的問題規模也越來越大，因此對計算機運算速度的要求也越來越高。而改進計算機的體系結構是提高計算機速度的重要途徑，從而促進了計算機體系結構的發展，出現了諸如數據流結構、并行邏輯結構、歸約結構等新的非馮諾依曼體系結構。

馮·諾依曼體系結構是現代計算機的基礎，現在大多計算機仍是馮·諾依曼計算機的組織結構，隻是作了一些改進而已，并沒有從根本上突破馮體系結構的束縛。然而由于傳統馮·諾依曼計算機體系結構天然所具有的局限性，從根本上限制了計算機的發展。

(1) 采用存儲程序方式，指令和數據不加區别混合存儲在同一個存儲器中（數據和程序在内存中是沒有區别的），它們都是内存中的數據，當EIP指針指向哪兒，CPU就加載那段内存中的數據，如果是遇到不正确的指令格式，CPU就會發生錯誤中斷，在現在CPU的保護模式中，每個内存段都有其描述符，這個描述符記錄着這個内存段的訪問權限（可讀,可寫,可執行），這就變相地指定了哪些内存中存儲的是指令哪些是數據，指令和數據都可以送到運算器進行運算，即由指令組成的程序是可以修改的。

(2) 存儲器是按地址訪問的線性編址的一維結構，每個單元的位數是固定的。

(3) 指令由操作碼和地址組成。操作碼指明本指令的操作類型，地址碼指明操作數和地址。操作數本身無數據類型的标志，它的數據類型由操作碼确定。

(4) 通過執行指令直接發出控制信号控制計算機的操作。指令在存儲器中按其執行順序存放，由指令計數器指明要執行的指令所在的單元地址。指令計數器隻有一個，一般按順序遞增，但執行順序可按運算結果或當時的外界條件而改變。

(5) 以運算器為中心，I/O設備與存儲器間的數據傳送都要經過運算器。

(6) 數據以二進制表示。

從本質上講，馮·諾依曼體系結構的本征屬性就是兩個“一維性”，即一維的計算模型和一維的存儲模型，簡單地說“存儲程序”是不确切的。而正是這兩個“一維性”，成就了現代計算機的輝煌，也限制了計算機的進一步的發展，真可謂“成也馮，敗也馮”。

馮·諾依曼計算機的軟件和硬件完全分離，适用于作數值計算。這種計算機的機器語言同高級語言在語義上存在很大的間隔，稱之為馮·依曼語義間隔。造成這個差距的其中一個重要原因就是存儲器組織方式不同，馮·諾依曼機存儲器是一維的線性排列的單元，按順序排列的地址訪問。而高級語言表示的存儲器則是一組有名字的變量，按名字調用變量，不考慮訪問方法，而且數據結構經常是多維的（如數組，表格）。另外，在大多數高級語言中，數據和指令截然不同，并無指令可以像數據一樣進行運算操作的概念。同時，高級語言中的每種操作對于任何數據類型都是通用的，數據類型屬于數據本身，而馮.諾依曼機的數據本身沒有屬性标志，同一種操作要用不同的操作碼來對數據加以區分。這些因素導緻了語義的差距。如何消除如此大的語義間隔，這成了計算機面臨的一大難題和發展障礙。

馮.諾依曼體系結構的局限嚴重束縛了現代計算機的進一步發展，而非數值處理應用領域對計算機性能的要求越來越高，這就亟待需要突破傳統計算機體系結構的框架，尋求新的體系結構來解決實際應用問題。目前在體系結構方面已經有了重大的變化和改進。

非諾依曼化

必須看到，傳統的馮·諾依曼型計算機從本質上講是采取串行順序處理的工作機制，即使有關數據巳經準備好，也必須逐條執行指令序列。而提高計算機性能的根本方向之一是并行處理。這種過程也被稱為非諾依曼化。對所謂非諾依曼化的探讨仍在争議中，一般認為它表現在以下三個方面的努力。

(1) 在馮·諾依曼體制範疇内，對傳統馮·諾依曼機進行改造，如采用多個處理部件形成流水處理，依靠時間上的重疊提高處理效率；又如組成陣列機結構，形成單指令流多數據流，提高處理速度。這些方向已比較成熟，成為标準結構；

(2) 用多個馮·諾依曼機組成多機系統，支持并行算法結構。這方面的研究目前比較活躍；

(3) 從根本上改變馮·諾依曼機的控制流驅動方式。例如，采用數據流驅動工作方式的數據流計算機，隻要數據已經準備好，有關的指令就可并行地執行。這是真正非諾依曼化的計算機，它為并行處理開辟了新的前景，但由于控制的複雜性，仍處于實驗探索之中。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!