程序存储和二进制冯诺依曼结构

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1、浙江大学计算机科学基础课程大作业程序存储和二进制——冯■诺依曼结构学生姓名：李姝玥学号：3150100437专业班级：应生1516指导老师:孟炳泉2015年12月5日摘要作为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，冯•诺依曼结构无疑是现代计算机的基础，其理论要点是：（1）数字计算机的数制采用二进制（2）计算机应该按照程序顺序执行。这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，创新性地展现了“储存程序型电脑”这一概念，借由创造一组指令集结构，并将所谓的运算转化成一串程序指令的执行细节，让此机器更有弹性，从而颠覆了早期计算机不可编程化的特点。然而，该结构也存

2、在着在CPU与内存之间的流量（资料传输率）与内存的容量相比起來相当小，在某些情况下（当CPU需要在巨大的资料上执行一些简单指令时），资料流量就成了整体效率非常严重的限制的问题，即7马•诺伊曼瓶颈（vonNeumannbottleneck）。随着计算机科学的不断发展，冯•诺依曼结构得到不断完善，这一缺陷也从不同层面上得到了解决。关键词：冯•诺依曼结构；程序存储；二进制；冯•诺依曼瓶颈一、冯■诺依曼结构概述冯•诺依曼结构也称普林斯顿结构，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。它具有使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作；存储单元是定长的线性组织；存储空间

3、的单元直接寻址；使用低级机器语言，指令通过操作码来完成简单操作；对计算进行集中的顺序控制；计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成；采用二进制形式表示数据和指令；在执行程序和处理数据时必须将程序和数据从外存储器装入主存储器中这八大特点，通过使计算机具备五大基本组件从而拥冇把需要的程序和数据送至计算机屮;具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力；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；能够按照要求将处理结果输出给用户这四项功能。但该结构也存在冯•诺依曼瓶颈这一问题，目前运用建立高速缓冲存储器和分支预测的方法缓解该问题。二、冯■

4、诺依曼结构特点MOVAr52„：—••XXHE01I•••XXH内85RAM累加籌A计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成，冯•诺依曼结构也就是存储结构奠定了现代计算机的基本结构，它主要具有以下八个特点。(1)使用单一的处理部件來完成计算、存储以及通信的工作。不同于哈佛结构将程序指令存储和数据存储分开，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，冯•诺依曼结构将程序指令存储器和数据存储器合并在一起，程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同。(2)存储

5、单元是定长的线性组织如上文提到的那样，在冯•诺依曼结构中，程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度和同。(3)存储空间的单元是直接寻址的即采用冯•诺依曼结构的计算机，其存储空间的单元在指令格式的地址的字段中直接指出操作数在内存的地址。(4)使用低级机器语言，指令通过操作码來完成简单的操作(1)对计算进行集中的顺序控制计算机运行过程中，把要执行的程序和处理的数据首先存入主存储器(内存)，计算机执行程序时，将自动地并按顺序从主存储器中取出指令一条一条地执行，这一概念称作顺序执行程序。冯•诺依曼结构的地址总线和数据总线不是分开的，由CPU统

6、一使用一条总线，有点像ADMUX总线接口；并且采用冯•诺依曼结构的计算机只有一个控制单元，不分为南桥、北桥等不同的控制单元。指令1丨*指今ifWMt:ii»RtKfr：衔令3:5；取泔令ifR1MT;（6）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成并规定了它们的基本功能。（7）采用二进制形式表示数据和指令从20世纪初，物理学和电子学科学家们就在争论制造可以进行数值计算的机器应该采用什么样的结构。人们被十进制这个人类习惯的计数方法所困扰，所以，那时以研制模拟计算机的呼声更为响亮和有力。20世纪30年代中期，美国科学家冯•诺依曼大胆的提出：抛弃十进制，采用

7、二进制作为数字计算机的数制基础。同吋，他还说预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算:1:作。（8）在执行程序和处理数据时必须将程序和数据从外存储器装入主存储器中，然后才能使计算机在工作时能够自动调整地从存储器中取出指令并加以执行。三、冯■诺依曼体系结构构成的计算机根据冯•诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下四项功能：（1）把需要的程序和数据送至计算机屮（2）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（3）能够完成各种算术、逻辑运