5.1　冯·诺依曼结构

现代计算机都采用存储程序结构，又称为冯·诺依曼结构，是1945年匈牙利数学家冯·诺依曼受宾夕法尼亚大学研制的ENIAC计算机结构的启发提出的，是世界上第一个完整的计算机体系结构。

冯·诺依曼结构的主要特点是：①计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五部分组成，其中运算器和控制器合称为中央处理器（Central Processing Processor，简称CPU）。②存储器是按地址访问的线性编址的一维结构，每个单元的位数固定。③采用存储程序方式，即指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中。④控制器通过执行指令发出控制信号控制计算机的操作。指令在存储器中按其执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址。指令计数器一般按顺序递增，但执行顺序可按运算结果或当时的外界条件而改变。⑤以运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送都经过运算器。冯·诺依曼计算机的工作原理如图5.1所示。

图5.1　冯·诺依曼计算机体系结构

随着技术的进步，冯·诺依曼结构得到了持续的改进，主要包括以下几个方面：①由以运算器为中心改进为以存储器为中心。使数据的流向更加合理，从而使运算器、存储器和输入输出设备能够并行工作。②由单一的集中控制改进为分散控制。计算机发展初期，工作速度很低，运算器、存储器、控制器和输入输出设备可以在同一个时钟信号的控制下同步工作。现在运算器、内存与输入输出设备的速度差异很大，需要采用异步方式分散控制。③从基于串行算法改进为适应并行算法。出现了流水线处理器、超标量处理器、向量处理器、多核处理器、对称多处理器（Symmetric Multiprocessor，简称SMP）、大规模并行处理机（Massively Parallel Processing，简称MPP）和机群系统等。④出现为适应特殊需要的专用计算机，如图形处理器（Graphic Processing Unit，简称GPU）、数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称DSP）等。⑤在非冯·诺依曼计算机的研究方面也取得一些成果，如依靠数据驱动的数据流计算机、图归约计算机等。

虽然经过了长期的发展，现代计算机系统占据主要地位的仍然是以存储程序和指令驱动执行为主要特点的冯·诺依曼结构。

作为冯·诺依曼结构的一个变种，哈佛结构把程序和数据分开存储。控制器使用两条独立的总线读取程序和访问数据，程序空间和数据空间完成分开。在通用计算机领域，由于应用软件的多样性，要求计算机不断地变化所执行的程序内容，并且频繁地对数据与程序占用的存储器资源进行重新分配，使用统一编址可以最大限度地利用资源。但是在嵌入式应用中，系统要执行的任务相对单一，程序一般是固化在硬件里的，同时嵌入式系统对安全性、可靠性的要求更高，哈佛结构独立的程序空间更有利于代码保护。因此，在嵌入式领域，哈佛结构得到了广泛应用。需要指出的是，哈佛结构并没有改变冯·诺依曼结构存储程序和指令驱动执行的本质，它只是冯·诺依曼结构的一个变种，并不是独立于冯·诺依曼结构的一种新型结构。