冯·诺依曼体系结构的诞生

冯·诺依曼体系结构由美籍匈牙利数学家冯·诺伊曼于1946年提出，也叫普林斯顿结构，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。该体系结构确定了存储程序计算机的五大组成部分和基本工作方法，对现代计算机的发展有着深远的影响，从最早的EDVAC到当前最先进的计算机都采用的是冯·诺伊曼体系结构。

冯·诺依曼体系结构特点

冯·诺依曼体系是一套规定计算机制造基本原则的理论，确定了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成

1.二进制逻辑
计算机处理的数据和指令一律用二进制数1和0表示，大大加快了计算机速度
2.程序存储执行
将指令和数据同时存放在存储器中，数据和程序在内存中是没有区别的，也就是通过计算机内部存储器保存运算程序。如此一来，人们仅仅通过存储器写入相关运算指令，计算机便能立即执行运算操作，大大加快运算效率。
3.五个组成部分
输入设备，输出设备，运算器，控制器，存储器

与哈佛体系结构的比较

说到冯诺依曼结构，就不得不谈到哈佛结构。
冯·诺依曼结构的特点是：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行；计算机由输入设备，输出设备，运算器，控制器，存储器五部分组成.

哈佛结构的计算机由CPU；程序存储器；数据存储器。是为了高速数据处理而采用的，它的特点是将程序指令和数据分开存储，由于数据存储器与程序存储器采用不同的总线，因而较大的提高了存储器的带宽，使之数字信号处理性能更加优越。

简而言之，如果你的计算机是哈佛结构的，你就得在电脑安装两块硬盘，一块装程序，一块装数据，内存装两根，一根储存指令，一根存储数据，而冯·诺依曼指令和数据是混合存储的，结构上简单，成本低，这成为现在主流计算机是冯·诺依曼结构而不是哈佛结构的一个重要原因。

冯·诺依曼体系结构的局限

早期由于种种软硬件等种种方面的原因，冯·诺依曼体系结构从计算机的发展史中脱颖而出，但由于科技的发展已经人们计算需求的提升，冯·诺依曼体系结构的弊端也暴露出来了。

冯·诺依曼计算机的软件和硬件完全分离，适用于作数值计算。这种计算机的机器语言同高级语言在语义上存在很大的间隔，称之为冯.依曼语义间隔。造成这个差距的其中一个重要原因就是存储器组织方式不同，冯·诺依曼机存储器是一维的线性排列的单元，按顺序排列的地址访问。而高级语言表示的存储器则是一组有名字的变量，按名字调用变量，不考虑访问方法，而且数据结构经常是多维的（如数组，表格）。

在大多数高级语言中，数据和指令截然不同，并无指令可以像数据一样进行运算操作的概念。同时，高级语言中的每种操作对于任何数据类型都是通用的，数据类型属于数据本身，而·诺依曼机的数据本身没有属性标志，同一种操作要用不同的操作码来对数据加以区分。这些因素导致了语义的差距。如何消除如此大的语义间隔，这成了计算机面临的一大难题和发展障碍。

计算机体系结构的发展趋势

冯·诺依曼结构开启了计算机系统结构发展的先河，但是因为其集中、顺序的的控制而成为性能提高的瓶颈，冯·诺依曼体系结构的局限已经严重束缚了现代计算机的进一步发展，而非数值处理应用领域对计算机性能的要求越来越高，这就亟待需要突破传统计算机体系结构的框架，寻求新的体系结构来解决实际应用问题。

因此各国科学家仍然在探索各种非冯·诺依曼结构目前在体系结构方面已经有了重大的变化和改进，如并行计算机、数据流计算机以及量子计算机、 函数式编程语言计算机等非冯计算机，它们部分或完全不同于传统的冯.诺依曼型计算机，很大程度上提高了计算机的计算性能。

近几年来人们努力谋求突破传统冯·诺依曼体制的局限，各类非诺依曼化计算机的研究如雨后春笋蓬勃发展，主要表现在以下四个方面：
（1）对传统冯·诺依曼机进行改良，如传统体系计算机只有一个处理部件是串行执行的，改成多处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率。
（2）由多个处理器构成系统，形成多指令流多数据流支持并行算法结构。这方面的研究目前已经取得一些成功。
（3）否定冯·诺依曼机的控制流驱动方式。设计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，这样的研究还在进行中，已获得阶段性的成果，如神经计算机。
（4）彻底跳出电子的范畴，以其它物质作为信息载体和执行部件，如光子、生物分子、量子等。众多科学家正为进行这些前瞻性的研究。]

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