《计算机组成与体系结构（原书第4版）》 —1.8　冯·诺依曼模型

1.8　冯·诺依曼模型

在最早的电子计算机器中，程序设计与把电线连接到插头是同义词。不存在分层体系结构，所以即使给计算机设计一个非常简单的程序也非常麻烦。在ENIAC的研制工作完成之前，莫克利和艾克特构思了一种改变他们的计算机器行为的更简单的方法。他们认为用水银延迟线作为存储设备可以存储程序指令。这样，在编写新程序或者调试老程序时，就可以不用做单调的系统重新连线的工作了。莫克利和艾克特记录了他们的想法，提出把这种想法作为下一个计算机EDVAC的基础。不幸的是，当时他们参与的ENIAC项目在第二次世界大战期间是绝密项目，莫克利和艾克特不能立即发表他们的见解。

然而，许多在ENIAC项目外围工作的人不受限制。其中一个人就是著名的匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼。在阅读了莫克利和艾克特为EDVAC提出的想法后，冯·诺依曼公开发表了这个想法。他非常有效地传递了这个概念，因此历史把这项发明归功于他。所有存储程序的计算机都使用名为冯·诺依曼架构的冯·诺依曼系统。虽然我们只能按照传统说存储程序的计算机使用的是冯·诺依曼架构，但我们还是应该对莫克利和艾克特这两位真正的发明者表达应有的敬意。

今天的存储程序的计算机架构至少具有以下特点：

●由三部分硬件系统组成：一个带有控制单元、算术逻辑单元(ALU）、寄存器（小的存储区）和程序计数器的中央处理单元(CPU）；一个主存储器系统，其中存储着控制计算机操作的程序；一个I/O系统。

●执行顺序指令处理的能力。

●在主存储器系统和CPU的控制单元之间包含一条单一路径，它既可以是物理上的也可以是逻辑上的，强制交替指令周期和执行周期。这个单一路径通常称为冯·诺依曼瓶颈。

图1-5　冯·诺依曼架构

图1-5显示了这些特点如何汇集在现代计算机系统中。请注意，图中所示的系统通过算术逻辑单元传送所有I/O（实际上是通过累加器传送的，累加器是ALU的组成部分）。这种架构在冯·诺依曼执行周期中运行程序。冯·诺依曼执行周期（也称为取指-译码-执行周期）描述了机器的工作过程。一个执行周期的操作如下所示：

1.控制单元从存储器中取下一条程序指令，使用程序计数器确定指令所在的位置。

2.指令解码为ALU能够理解的语言。

3.从存储器中取出执行这条指令所需要的任何操作数，并且放到CPU的寄存器中。

4.ALU执行这条指令并且把结果放到寄存器或存储器中。

冯·诺依曼架构中的一些概念已经扩展了，以便存储在访问速度慢的存储介质（如硬盘）中的程序和数据可以在程序执行之前复制到访问速度快的易失性存储介质（如RAM）中。这种架构也简化为系统总线模型，如图1-6所示。数据总线把数据从主存储器移动到CPU寄存器（反之亦然）。地址总线保存着数据总线正在访问的数据的地址。控制总线传送的是在信息传输时必要的控制信号。

图1-6　修改后的冯·诺依曼架构，增加了系统总线

冯·诺依曼架构的其他增强方法包括使用索引寄存器寻址、增加浮点数据、使用中断和异步I/O、增加虚拟存储器以及增加通用寄存器。在后面的章节中你将学习很多增强方法。计算机的量子飞跃：我们能做到多小?超大规模集成电路技术已经可以在一个芯片上放置几十亿个晶体管，但是用现在的晶体管技术制造的晶体管在尺寸上有一个限度。新南威尔士大学的量子计算机技术中心和威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员已经把“小”做到了全新的水平。2010年5月，他们宣布了7-原子晶体管，即一个嵌入在仅有7个原子大小的硅中的工作晶体管。虽然早在2002年允许电子流动的1个原子大小的晶体管就被报道过，但是，这个7-原子晶体管有所不同，它提供了今天所知道的晶体管的全部功能。

这个7-原子晶体管是由人使用扫描隧道显微镜手工创建的，距离大规模生产还有很长的路要走，但是研究者希望尽快使其商业化。晶体管的微小尺寸意味着更小但更强大的计算机。专家估计它可以把微晶片缩小1/100，而使处理性能呈指数提高。这意味着计算机将变小1/100，同时快100倍。

除了替换传统的晶体管外，这一发现可能成为努力在硅片上建造量子计算机的基础。量子计算被认为是计算机技术的下一个重大飞跃。现在已经研制出来的小的量子计算机的运算速度比传统计算机快几百万倍，但这些计算机太小，没有多大用处。一个可以工作的大型量子计算机将使我们能够计算和解决那些用传统计算机需要花费130多亿年才能解决的问题。这可能会改变我们看世界的方式。一方面，面对这种计算能力，现在使用的各种加密算法都将毫无用处。另一方面，使用新型量子技术有可能实现超安全通信。

量子计算机有很大潜力。如果使用量子计算，那么现有的应用程序会有巨大的性能提升，这些应用包括电影特效、密码学、搜索大量数据文件、大数因式分解、模拟各种系统（如核爆炸和天气模式）、军事和情报收集以及密集且耗时的计算（如天文学、物理学和化学中的发现）等，也可能演化出我们还没有发现的新应用。

除了我们已经了解的计算方面的潜能外，还有另外一个原因使新的7-原子晶体管具有重大意义。回顾摩尔定律，这个定律并不是自然法则，而是对芯片设计的创新和驱动力的期待。自1965年以来，摩尔定律一直适用，但为了做到这一点，芯片制造商已经从一个技术跳转到另一个技术。戈登·摩尔已经预测，如果仅限于CMOS硅，他的定律将在2020年左右失效。这个7-原子晶体管的发现，赋予了摩尔定律新的生命。然而，著名的物理学家史蒂芬·霍金解释说，芯片制造商在“强化”摩尔定律时受到两个基本的制约：光速和物质的原子本质。这意味着无论使用什么技术，摩尔定律终将失效。

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