[科普中国]-冯。诺依曼计算机

简介

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，即使有关数据巳经准备好，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。这方面的研究目前比较活跃；
（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·诺依曼结构冯·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。

特点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。如果程序现在是顺序执行的，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。1

局限性目前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。

其他类型计算机近几年，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。2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。