哈佛结构与冯诺依曼模型

  • 哈佛结构

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    • 将程序指令存储和数据存储分开

    • 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

    • 成本高

  • 冯诺依曼模型

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    • 最重要的思想 “存储程序”

    • 使用同一个存储器同时存指令和数据，经由同一个总线传输

    • 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

  • 区别

    • 二者的区别就是程序空间和数据空间是否是一体的
    • 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

图灵机

  • 图灵机计算 4 + 3 例:

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  • 连续4个1代表数字 4, 连续3个1代表数字 3

  • 1 R q1

    • 1: 将数值改为 1
    • R: 读写头向右移
    • L: 读写头向左移
    • H: 读写头停止移动
    • q1: 将读写头状态改为 q1

【什么是图灵机】

冯诺依曼体系结构的关键概念

  • 指令和数据存储在单个读写存储器中

  • 主存中的内容按位置访问, 无需考虑其中包含的类型

  • CPU从一条指令到下一条指令以顺序方式执行 (除非明确修改)

  • 与CPU和内存交换从外部来源收集的数据

  • 总线是连接两个或多个设备的通信通路

计算机组件

CPU

  • CPU的频率不能无限提高

    • 理论限制
      • MOS管开关、脉冲通过门电路需要时间
      • 为了信号同步，每个脉冲信号需要持续一定的时间
      • …
    • 制造限制
      • 芯片面积越来越大，导致连线延迟越来越大，需要保证信号再设计指定时钟周期内从芯片的一角到达另一角
      • 频率越高（即MOS管的开关频率也越高）会导致开关损耗也越高，CPU耗电和散热会提高
    • 解决
      • 改进CPU芯片结构

  • 内存墙的存在

    • 主存和CPU之间传输数据的速率跟不上CPU的速度
    • 解决
      • 采用高速缓存
        • 添加一级或多级缓存以减少存储器访问频率并提高数据传输速率
        • 增大总线的数据宽度, 来增加每次所能取出的位数

  • CPU等待I/O传输数据

    • CPU在等待I/O设备时保持空闲
    • 解决
      • 中断

存储器

  • 兼顾存储容量、速度和成本

  • 解决

    • 层次式存储结构

I/O模块

  • I/O设备传输速率差异大

  • 解决

    • 采用缓冲区和改进I/O操作技术

总线

  • 两大基本特征

    • **共享：**多个部件连接在同一组总线上，各个部件之间都通过该总线进行数据交换
    • **分时：**同一时间，总线上只能传输一个部件发送的信息

  • 计算机部件互连复杂

  • 解决

    • 采用总线
      • 控制线：控制数据线和地址线的访问和使用
      • 地址线：指定数据总线和地址I/O端口上数据的来源或去向
      • 数据线：在系统模块之间传送数据