《計算機組成與體系結構（原書第4版）》 —1.8　馮·諾依曼模型

1.8　馮·諾依曼模型

在最早的電子計算機器中，程序設計與把電線連接到插頭是同義詞。不存在分層體系結構，所以即使給計算機設計一個非常簡單的程序也非常麻煩。在ENIAC的研制工作完成之前，莫克利和艾克特構思了一種改變他們的計算機器行為的更簡單的方法。他們認為用水銀延遲線作為存儲設備可以存儲程序指令。這樣，在編寫新程序或者調試老程序時，就可以不用做單調的系統重新連線的工作了。莫克利和艾克特記錄了他們的想法，提出把這種想法作為下一個計算機EDVAC的基礎。不幸的是，當時他們參與的ENIAC項目在第二次世界大戰期間是絕密項目，莫克利和艾克特不能立即發表他們的見解。

然而，許多在ENIAC項目外圍工作的人不受限制。其中一個人就是著名的匈牙利數學家約翰·馮·諾依曼。在閱讀了莫克利和艾克特為EDVAC提出的想法后，馮·諾依曼公開發表了這個想法。他非常有效地傳遞了這個概念，因此歷史把這項發明歸功于他。所有存儲程序的計算機都使用名為馮·諾依曼架構的馮·諾依曼系統。雖然我們只能按照傳統說存儲程序的計算機使用的是馮·諾依曼架構，但我們還是應該對莫克利和艾克特這兩位真正的發明者表達應有的敬意。

今天的存儲程序的計算機架構至少具有以下特點：

●由三部分硬件系統組成：一個帶有控制單元、算術邏輯單元(ALU）、寄存器（小的存儲區）和程序計數器的中央處理單元(CPU）；一個主存儲器系統，其中存儲著控制計算機操作的程序；一個I/O系統。

●執行順序指令處理的能力。

●在主存儲器系統和CPU的控制單元之間包含一條單一路徑，它既可以是物理上的也可以是邏輯上的，強制交替指令周期和執行周期。這個單一路徑通常稱為馮·諾依曼瓶頸。

圖1-5　馮·諾依曼架構

圖1-5顯示了這些特點如何匯集在現代計算機系統中。請注意，圖中所示的系統通過算術邏輯單元傳送所有I/O（實際上是通過累加器傳送的，累加器是ALU的組成部分）。這種架構在馮·諾依曼執行周期中運行程序。馮·諾依曼執行周期（也稱為取指-譯碼-執行周期）描述了機器的工作過程。一個執行周期的操作如下所示：

1.控制單元從存儲器中取下一條程序指令，使用程序計數器確定指令所在的位置。

2.指令解碼為ALU能夠理解的語言。

3.從存儲器中取出執行這條指令所需要的任何操作數，并且放到CPU的寄存器中。

4.ALU執行這條指令并且把結果放到寄存器或存儲器中。

馮·諾依曼架構中的一些概念已經擴展了，以便存儲在訪問速度慢的存儲介質（如硬盤）中的程序和數據可以在程序執行之前復制到訪問速度快的易失性存儲介質（如RAM）中。這種架構也簡化為系統總線模型，如圖1-6所示。數據總線把數據從主存儲器移動到CPU寄存器（反之亦然）。地址總線保存著數據總線正在訪問的數據的地址?？刂瓶偩€傳送的是在信息傳輸時必要的控制信號。

圖1-6　修改后的馮·諾依曼架構，增加了系統總線

馮·諾依曼架構的其他增強方法包括使用索引寄存器尋址、增加浮點數據、使用中斷和異步I/O、增加虛擬存儲器以及增加通用寄存器。在后面的章節中你將學習很多增強方法。計算機的量子飛躍：我們能做到多小?超大規模集成電路技術已經可以在一個芯片上放置幾十億個晶體管，但是用現在的晶體管技術制造的晶體管在尺寸上有一個限度。新南威爾士大學的量子計算機技術中心和威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員已經把“小”做到了全新的水平。2010年5月，他們宣布了7-原子晶體管，即一個嵌入在僅有7個原子大小的硅中的工作晶體管。雖然早在2002年允許電子流動的1個原子大小的晶體管就被報道過，但是，這個7-原子晶體管有所不同，它提供了今天所知道的晶體管的全部功能。

這個7-原子晶體管是由人使用掃描隧道顯微鏡手工創建的，距離大規模生產還有很長的路要走，但是研究者希望盡快使其商業化。晶體管的微小尺寸意味著更小但更強大的計算機。專家估計它可以把微晶片縮小1/100，而使處理性能呈指數提高。這意味著計算機將變小1/100，同時快100倍。

除了替換傳統的晶體管外，這一發現可能成為努力在硅片上建造量子計算機的基礎。量子計算被認為是計算機技術的下一個重大飛躍?，F在已經研制出來的小的量子計算機的運算速度比傳統計算機快幾百萬倍，但這些計算機太小，沒有多大用處。一個可以工作的大型量子計算機將使我們能夠計算和解決那些用傳統計算機需要花費130多億年才能解決的問題。這可能會改變我們看世界的方式。一方面，面對這種計算能力，現在使用的各種加密算法都將毫無用處。另一方面，使用新型量子技術有可能實現超安全通信。

量子計算機有很大潛力。如果使用量子計算，那么現有的應用程序會有巨大的性能提升，這些應用包括電影特效、密碼學、搜索大量數據文件、大數因式分解、模擬各種系統（如核爆炸和天氣模式）、軍事和情報收集以及密集且耗時的計算（如天文學、物理學和化學中的發現）等，也可能演化出我們還沒有發現的新應用。

除了我們已經了解的計算方面的潛能外，還有另外一個原因使新的7-原子晶體管具有重大意義。回顧摩爾定律，這個定律并不是自然法則，而是對芯片設計的創新和驅動力的期待。自1965年以來，摩爾定律一直適用，但為了做到這一點，芯片制造商已經從一個技術跳轉到另一個技術。戈登·摩爾已經預測，如果僅限于CMOS硅，他的定律將在2020年左右失效。這個7-原子晶體管的發現，賦予了摩爾定律新的生命。然而，著名的物理學家史蒂芬·霍金解釋說，芯片制造商在“強化”摩爾定律時受到兩個基本的制約：光速和物質的原子本質。這意味著無論使用什么技術，摩爾定律終將失效。

量子計算 工業智能體

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