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  • 冯诺依曼体系结构 存储程序原理 程序(指令)和数据同时存放在一个存储器上,控制流由指令流产生,且指令在存储器中按执行 顺序存放,存储程序计算机最早是由著名数学家冯·诺依曼等人在1946年总结并明确提出来的, ...

    冯诺依曼体系结构

    存储程序原理

    程序(指令)和数据同时存放在一个存储器上,控制流由指令流产生,且指令在存储器中按执行
    顺序存放,存储程序计算机最早是由著名数学家冯·诺依曼等人在1946年总结并明确提出来的,
    因此又被称为冯·诺依曼计算机(又称为普林斯顿体系结构)。

    基本点是指令驱动

    程序预先存放在计算机存储器中,计算机一旦启动,
    就按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序

    冯诺依曼体系结构的主要特点
    1. 计算机以运算器为处理中心
    2. 在存储器中指令和数据同等对待(可以进行运算);
    3. 存储器是按地址访问的,按地址线性编址的一维结构,每个单元格的位数是一定的;
    4. 指令的执行是顺序的;
    5. 指令由操作码和地址码组成。操作码指明指令的类型,
      地址码指明操作数地址和存放运算结果的地址。操作数的类型由操作码决定,
      操作数本身不能判断是何种数据类型;
    6. 指令和数据均以二进制编码表示,采用二进制运算;  
      缺点是在高速运行时,不能达到同时取指令和取操作数,从而形成了传输过程的瓶颈
      后来的计算机对上述不足之处做的改进:
    7. 对输入输出方式的改进:
    8. 采用并行处理技术:
    9. 存储器组织结构的发展:
    10. 指令集的发展

    哈佛结构

    哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构,它的主要特点是
    将程序和数据存储在不同的存储空间中,即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器,、
    每个存储器独立编址、独立访问,目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈。

    总结

    随着CPU设计的发展,流水线的增加,指令和数据的互斥读取影响CPU指令执行的scale程度。
    哈佛结构中数据存储器与程序代码存储器分开,各自有自己的数据总线与地址总线,取操作数与取指令能同时进行。
    但这是需要CPU提供大量的数据线,因而很少使用哈佛结构;构作为CPU外部构架来使用。
    对于CPU内部,通过使用不同的数据和指令cache,可以有效的提高指令执行的效率,
    因而目前大部分计算机体系都是在CPU内部的使用哈佛结构,在CPU外部使用冯·诺依曼结构。

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  • 冯诺依曼体系结构2.操作系统 linux系统编程阶段 这个是后续学习linux中的学习次序,我们一起加油吧!! 一.进程概念 对于进程概念这一点,我们可以分为6个基本概念,每一个都挺重要的,努力! 1.冯诺依曼体系结构 ...

    这个是后续学习linux中的学习次序,我们一起加油吧!!
    在这里插入图片描述

    一.进程概念

    对于进程概念这一点,我们可以分为6个基本概念,每一个都挺重要的,努力!
    在这里插入图片描述

    1.冯诺依曼体系结构

    冯诺依曼体系结构就是由冯诺依曼决定的一种现代计算机的硬件体系结构,规定了现在计算机中都有哪些硬件单元.大概分为下图:

    1.输入设备 2. 输出设备 3.存储器 4.运算器 5.控制器
    (运算器和控制器组成CPU)

    在这里插入图片描述
    所有的设备都是围绕着存储器在运行的,在每一个程序需要运行的时候,都会加载到存储器中,存储器相当于起到一个缓冲的作用

    例如:在我们发送微信消息的时候,首先从屏幕上采集下来,放入到了内存中,然后CPU进行处理,再通过网卡对数据进行发送.

    2.操作系统

    操作系统的组成: 内核+应用

    管理体系:
    这就是操作系统内部执行的过程:
    在这里插入图片描述
    库函数就是对系统调用接口进行一层封装后的接口!

    今天的是进程概念的两个小点,大家大概理解这两个小点就行了,都是挺基础的,很简单的,加油!!!

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  • 文章目录目录计算机组成原理的研究目的·诺依曼体系结构的五大组成部分·诺依曼机与图灵机之间的关系计算机的逻辑电路部件组合逻辑电路时序逻辑电路阵列逻辑电路中央处理器(CPU)控制单元(控制器)运算单元...

    目录

    前言

    本地是笔者基于《计算机组成原理》、《深入理解计算机系统》、《深入浅出计算机组成原理》和《大话计算机第一卷》的学习总结与归纳。主要记录了 CPU 组成及运算原理、指令系统、存储系统、I/O 系统等内容,围绕如何提高计算机性能展开思考。

    计算机组成原理的研究目的

    计算机组成(Computer Organization),其中 Organization 是 “组织机构” 的意思。所以计算机组成原理就是研究计算机这一实体内部的多个不同部件之间是如何变成一个 “组织机构” 的,这个组织机构最终又是如何能够进行各种计算、控制、读取输入、返回输出,从而提供各种强大功能的。

    • 学习控制器、运算器的工作原理,也就是 CPU 的工作原理;
    • 学习存储器的工作原理;
    • 学习 CPU 是如何与输入/输出设备交互的;
    • 学习计算机指令和计算,即高级语言到机器指令的翻译过程;
    • 学习浮点数的实现。

    冯·诺依曼体系结构的五大组成部分

    冯·诺依曼体系结构,也叫存储程序计算机。即程序本身是存储在计算机的内存里的,可以通过加载不同的程序来解决不同的问题。

    冯·诺依曼在《First Draft of Report o the EDVAC》(《第一份草案》)中提出了现代计算机组成的五大部分 —— 控制器,处理器,存储器,输入和输出设备。

    :EDVAC(Electronic Numerical Integrator And Computer,电子数值积分计算机) 是实际上第一台电子计算机。
    在这里插入图片描述

    • 处理单元(Processing Unit,PU):又称数据通路(Datapath)或运算器,包含了算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit,ALU)和处理器寄存器(Processor Register)。用于完成各种算术和逻辑运算。

    • 控制器单元(Control Unit,CU):包含了指令寄存器(Instruction Register)和程序计数器(Program Counter)。用于控制程序的流程(程序流),通常是条件判断和跳转。

    NOTE:PU 和 CU 就组成了 CPU(Central Processing Unit,中央处理器)。

    • 储存器:包括用于存储数据(Data)和指令(Instruction)的主存储器和容量更大但速度却慢的外部存储器。

    • 输入/输出设备:键盘、鼠标属于输入设备,显示器是输出设备,网卡即是输入设备又是输出设备。

    冯·诺依曼机与图灵机之间的关系

    • 图灵机是一个抽象的思想模型(计算机的基本理论基础),是一种有穷的、构造性的问题的问题求解思路。背后对应着可计算性理论,告诉我们什么样的问题是计算机解决得了的,什么样的问题是解决不了的。图灵认为凡是能用算法解决的问题也一定能用图灵机解决;

    • 冯诺依曼提出了 “存储程序” 的计算机设计思想,并“ 参照” 图灵模型设计了历史上第一台电子计算机,即冯诺依曼机。

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  • 冯诺依曼体系结构、哈佛体系结构

    千次阅读 2015-10-15 12:43:27
    冯诺依曼体系结构、哈佛体系结构与改进型哈佛结构之间的区别 1、冯·诺依曼结构 冯·诺依曼结构又称作普林斯顿体系结构(Princetionarchitecture)。 1945年,冯·诺依曼首先提出了“存储程序”的概念和二进制...

    冯诺依曼体系结构、哈佛体系结构与改进型哈佛结构之间的区别

    1、冯·诺依曼结构

    冯·诺依曼结构又称作普林斯顿体系结构(Princetionarchitecture)。

    1945年,冯·诺依曼首先提出了“存储程序”的概念和二进制原理,后来,人们把利用这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为“冯·诺依曼型结构”计算机。冯·诺依曼结构的处理器使用同一个存储器,经由同一个总线传输。

    冯·诺依曼结构处理器具有以下几个特点:

    • 必须有一个存储器;
    • 必须有一个控制器;
    • 必须有一个运算器,用于完成算术运算和逻辑运算;
    • 必须有输入和输出设备,用于进行人机通信。

    冯·诺依曼的主要贡献就是提出并实现了“存储程序”的概念。由于指令和数据都是二进制码,指令和操作数的地址又密切相关,因此,当初选择这种结构是自然的。但是,这种指令和数据共享同一总线的结构,使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈,影响了数据处理速度的提高。

    在典型情况下,完成一条指令需要3个步骤,即:取指令、指令译码和执行指令。从指令流的定时关系也可看出冯·诺依曼结构与哈佛结构处理方式的差别。举一个最简单的对存储器进行读写操作的指令,指令1至指令3均为存、取数指令,对冯·诺依曼结构处理器,由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取,经由同一总线传输,因而它们无法重叠执行,只有一个完成后再进行下一个。

    arm7系列的CPU有很多款,其中部分CPU没有内部cache的,比如arm7TDMI,就是纯粹的冯·诺依曼结构,其他有内部cache且数据和指令的cache分离的cpu则使用了哈弗结构。

    2、哈佛结构

    哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构,如图1所示。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容,解码后得到数据地址,再到相应的数据存储器中读取数据,并进行下一步的操作(通常是执行)。程序指令存储和数据存储分开,可以使指令和数据有不同的数据宽度,如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度,而数据是8位宽度。

    哈佛体系结构框图--冯诺依曼体系结构、哈佛体系结构与改进型哈佛结构之间的区别

    图1 哈佛体系结构框图

    哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储的,执行时可以预先读取下一条指令。

    目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多,除了Microchip公司的PIC系列芯片,还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11。

    哈佛结构是指程序和数据空间独立的体系结构, 目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈。

    例如最常见的卷积运算中, 一条指令同时取两个操作数, 在流水线处理时, 同时还有一个取指操作, 如果程序和数据通过一条总线访问, 取指和取数必会产生冲突, 而这对大运算量的循环的执行效率是很不利的。

    哈佛结构能基本上解决取指和取数的冲突问题。

    而对另一个操作数的访问, 就只能采用Enhanced哈佛结构了, 例如像TI那样,数据区再split, 并多一组总线。 或向AD那样,采用指令cache, 指令区可存放一部分数据。

    在典型情况下,完成一条指令需要3个步骤,即:取指令、指令译码和执行指令。从指令流的定时关系也可看出冯·诺依曼结构与哈佛结构处理方式的差别。举一个最简单的对存储器进行读写操作的指令,指令1至指令3均为存、取数指令,对冯·诺依曼结构处理器,由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取,经由同一总线传输,因而它们无法重叠执行,只有一个完成后再进行下一个。

    如果采用哈佛结构处理以上同样的3条存取数指令,由于取指令和存取数据分别经由不同的存储空间和不同的总线,使得各条指令可以重叠执行,这样,也就克服了数据流传输的瓶颈,提高了运算速度。

    3、冯·诺依曼体系和哈佛总线体系的区别

    二者的区别就是程序空间和数据空间是否是一体的。冯·诺依曼结构数据空间和地址空间不分开,哈佛结构数据空间和地址空间是分开的。

    早期的微处理器大多采用冯·诺依曼结构,典型代表是Intel公司的X86微处理器。取指和取操作数都在同一总线上,通过分时服用的方式进行的。缺点是在高速运行时,不能达到同时取指令和取操作数,从而形成了传输过程的瓶颈。

    哈佛总线技术应用是以DSP和ARM为代表的。采用哈佛总线体系结构的芯片内部程序空间和数据空间是分开的,这就允许同时取指和取操作数,从而大大提高了运算能力。

    DSP芯片硬件结构有冯·诺依曼结构和哈佛结构,两者区别是地址空间和数据空间分开与否。一般DSP都是采用改进型哈佛结构,就是分开的数据空间和地址空间都不只是一条,而是有多条,这根据不同的生产厂商的DSP芯片有所不同。在对外寻址方面从逻辑上来说也是一样,因为外部引脚的原因,一般来说都是通过相应的空间选取来实现的。本质上是同样的道理。

    4.改进型的哈佛结构与哈佛体系结构差别

    与冯.诺曼结构处理器比较,哈佛结构处理器有两个明显的特点:

    (1).使用两个独立的存储器模块,分别存储指令和数据,每个存储模块都不允许指令和数据并存;

    (2).使用独立的两条总线,分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径,而这两条总线之间毫无关联。

    后来,又提出了改进的哈佛结构,其结构特点为:

    (1).使用两个独立的存储器模块,分别存储指令和数据,每个存储模块都不允许指令和数据并存;

    (2).具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线,利用公用地址总线访问两个存储模块(程序存储模块和数据存储模块),公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输;

    (3).两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。

    5.总结

    体系结构与采用的独立与否的总线无关,与指令空间和数据空间的分开独立与否有关。51单片机虽然数据指令存储区是分开的,但总线是分时复用的,所以属于改进型的哈佛结构。ARM9虽然是哈佛结构,但是之前的版本(例如ARM7)也还是冯·诺依曼结构。早期的X86能迅速占有市场,一条很重要的原因,正是靠了冯·诺依曼这种实现简单,成本低的总线结构。现在的处理器虽然外部总线上看是诺依曼结构的,但是由于内部CACHE的存在,因此实际上内部来看已经 类似 改进型哈佛结构的了。至于优缺点,哈佛结构就是复杂,对外围设备的连接与处理要求高,十分不适合外围存储器的扩展。所以早期通用CPU难以采用这种结构。而单片机,由于内部集成了所需的存储器,所以采用哈佛结构也未尝不可。现在的处理器,依托CACHE的存在,已经很好的将二者统一起来了。

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空空如也

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冯诺依曼体系结构缺点