计算机系统02 - 冯·诺依曼架构

冯·诺依曼架构

一：冯·诺依曼架构：电子计算机的实现结构

1：什么是冯·诺依曼架构

冯·诺依曼架构将通用计算机定义为以下 3 个基本原则：

• 采用二进制：
  • 指令和数据均采用二进制格式；
• 存储程序：
  • 一个计算机程序，不可能只有一条指令，而是由成千上万条指令组成的。
  • 指令和数据均存储在存储器中，而不是早期的插线板中，计算机按需从存储器中取指令和取数据；
• 3、计算机由 5 个硬件组成：
  • 运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
  • 在最开始的计算机中，五个部件是围绕着运算器运转的，这使得存储器和 I/O 设备之间的数据传送也需要经过运算器。
  • 而现代计算机中，五个部件是围绕着存储器运转的，这使得存储器和 I/O 设备可以直接完成数据传送，而不需要经过 CPU。

2：冯·诺依曼瓶颈

由于 CPU 和存储器之间共享同一个系统总线，并且 CPU 和存储器之间存在巨大的速度差

CPU 需要不断地被迫等待数据读取或写入到存储器，因此遏制了 CPU 的吞吐量

要从根本上解决冯·诺依曼瓶颈，还是只能重新构建一套新的计算机体系，例如生物计算机、量子计算机。不过，目前它们都还处在非常原始的阶段。现代计算机体系只能采用优化策略来减弱冯·诺依曼瓶颈的影响，这些内容我们后面都会提到，例如：

1、增加一个位于 CPU 和主内存之间的高速缓存 [cache]

2、将指令缓存和数据缓存分离

3、CPU 分支预测

4、将存储器集成到 CPU 芯片内部，以减少内存访问（SoC 芯片）