Welche Struktur verwendet das aktuelle Mainstream-Computersystem?

Die Computersystemstruktur übernimmt die „Von Neumann“-Struktur. Die von Neumann-Struktur, auch Princeton-Struktur genannt, ist eine Speicherstruktur, die Programmanweisungsspeicher und Datenspeicher kombiniert. Sie verwendet binäre Logik, Programmspeicherung und -ausführung, und der Computer besteht aus fünf Teilen (Operator, Controller, Speicher). Eingabegerät, Ausgabegerät); die Merkmale dieser Struktur sind „Programmspeicher, gemeinsame Daten, sequentielle Ausführung“, was erfordert, dass die CPU Anweisungen und Daten aus dem Speicher abruft, um entsprechende Berechnungen durchzuführen.

Die Betriebsumgebung dieses Tutorials: Windows 7-System, Dell G3-Computer.

Die aktuelle Mainstream-Computersystemstruktur übernimmt die „Von Neumann“-Struktur.

Die Von-Neumann-Struktur, auch Princeton-Struktur genannt, ist eine Speicherstruktur, die Programmanweisungsspeicher und Datenspeicher kombiniert. Die Programmbefehlsspeicheradresse und die Datenspeicheradresse verweisen auf unterschiedliche physische Speicherorte im selben Speicher, sodass die Breite der Programmbefehle und Daten gleich ist. Beispielsweise sind die Programmbefehle und Daten des Intel 8086-Zentralprozessors beide 16 Bit breit.

Der Mathematiker von Neumann schlug drei Grundprinzipien für die Computerherstellung vor, nämlich die Verwendung binärer Logik, Programmspeicherung und -ausführung, und der Computer besteht aus fünf Teilen (Operator, Controller, Speicher, Eingabegerät, Ausgabegerät). Diese Theorie wird die von Neumann-Architektur genannt.

Entwicklungsgeschichte

Vor der Geburt von Computern gab es bei den Menschen Engpässe bei der Genauigkeit und Quantität von Berechnungen, geleitet von von Neumanns Logik und Computerideen baute den ersten elektronischen Allzweckcomputer der Geschichte. Seine Computertheorie basiert hauptsächlich auf seinen eigenen mathematischen Grundlagen und ist hochgradig mathematisch und logisch. Er nennt diese Theorie allgemein „die logische Theorie der Computer“. Seine Idee von computergespeicherten Programmen war eine weitere seiner großen Innovationen, indem er gespeicherte Programme im internen Speicher platzierte und damit das Problem der damals zu geringen Computerspeicherkapazität und zu langsamen Rechengeschwindigkeit löste.

Während des Zweiten Weltkriegs benötigte das US-Militär Labore, um ihm umfangreiche Berechnungsergebnisse zu liefern. So entstand die Idee, einen elektronischen Computer zu entwickeln. Angesichts dieser Nachfrage bildeten die Vereinigten Staaten sofort ein Forschungs- und Entwicklungsteam, dem viele Ingenieure und Physiker angehörten, um zu versuchen, den ersten Computer der Welt (später ENIAC-Maschine genannt) zu entwickeln. Obwohl modernste elektronische Technologie eingesetzt wird, mangelt es an grundsätzlichen Leitlinien. Zu dieser Zeit erschien von Neumann. Er brachte einen entscheidenden Aspekt zur Sprache: die logische Struktur von Computern. Von Neumann begann mit Logik und leitete das Team zur Verbesserung von ENIAC. Sein Logikdesign weist die folgenden Merkmale auf:

(1) Trennt Schaltungs- und Logikdesigns, um optimale Bedingungen für den Computerbau zu schaffen.

(2) Kombiniert persönliches Nervensystem und Computer, um neue Konzepte vorzuschlagen. Das ist der biologische Computer.

Obwohl die ENIAC-Maschine zu dieser Zeit mit der Spitzentechnologie in den Vereinigten Staaten und sogar auf der Welt realisiert wurde, nutzte sie temporäre Speicherung und bestimmte die Recheneinheit als Grundlage. Daher hatte sie viele Mängel, wie beispielsweise begrenzten Speicherplatz , die Unfähigkeit, Programme usw. zu speichern, und seine Laufgeschwindigkeit war von Natur aus irrational. Basierend auf dieser Prämisse formulierte von Neumann den folgenden Optimierungsplan:

(1) Verwenden Sie Binärfunktionen, um den Computer erheblich zu beschleunigen.

(2) Speichern Sie das Programm, dh speichern Sie das Betriebsprogramm über das interne System des Computers Erinnerung. Auf diese Weise müssen Programmierer nur relevante Rechenanweisungen über den Speicher schreiben, und der Computer kann sofort Rechenoperationen ausführen, was die Recheneffizienz erheblich beschleunigt.

Schematische Darstellung der Von-Neumann-Struktur

Merkmale

Die grundlegende Strukturform, der die Entwicklung moderner Computer folgt, ist immer die Von-Neumann-Maschinenstruktur. Die Merkmale dieser Struktur sind „Programmspeicherung, gemeinsam genutzte Daten und sequentielle Ausführung“, was erfordert, dass die CPU Anweisungen und Daten aus dem Speicher abruft, um entsprechende Berechnungen durchzuführen. Die Hauptmerkmale sind:

(1) Einzelprozessorstruktur, die Maschine konzentriert sich auf die Recheneinheit;

(2) Übernimmt die Idee der Programmspeicherung;

(3) Anweisungen und Daten können ebenfalls teilnehmen in Berechnungen;

(4) Daten werden binär dargestellt

(5) Vollständige Trennung von Software und Hardware;

(7) Anweisungen werden nacheinander ausgeführt.

Einschränkungen

Die Geschwindigkeit des Informationsaustauschs zwischen CPU und gemeinsam genutztem Speicher ist zum Hauptfaktor für die Systemleistung geworden, und die Verbesserung der Geschwindigkeit des Informationsaustauschs hängt von vielen Bedingungen ab, wie z. B. der Geschwindigkeit der Speicherkomponenten, der Speicherleistung und der Struktur .

Die gespeicherte Programmmethode der traditionellen von Neumann-Computerarchitektur führt dazu, dass das System auf den Speicher angewiesen ist. Die Geschwindigkeit der CPU, die auf den Speicher zugreift, schränkt die Geschwindigkeit des Systems ein. Das technische Niveau integrierter IC-Chips bestimmt die Leistung von Speicher und anderer Hardware. Um die Leistung der Hardware zu verbessern, haben die von der Intel Corporation vertretenen Chiphersteller große Anstrengungen in der Produktion integrierter Schaltkreise unternommen und großartige technische Ergebnisse erzielt. Jetzt verdoppelt sich alle 18 Monate der Integrationsgrad der ICs, die Leistung verdoppelt sich und der Produktpreis sinkt um die Hälfte. Dies ist das sogenannte „Mooresche Gesetz“. Dieses Muster hält seit mehr als 40 Jahren an und wird voraussichtlich noch einige Jahre anhalten. Allerdings bestehen objektiv gesehen zwei grundlegende Einschränkungen für elektronische Produkte: die Lichtgeschwindigkeit und die atomaren Eigenschaften von Materialien. Erstens hängt die Geschwindigkeit der Informationsausbreitung letztendlich von der Geschwindigkeit des Elektronenflusses ab. Der Fluss elektronischer Signale in Komponenten und Drähten führt zu Zeitverzögerungen, sodass die Geschwindigkeit der Komponenten nicht erhöht werden kann unendlich, bis es die Lichtgeschwindigkeit erreicht. Zweitens werden die elektronischen Signale des Computers in Transistoren gespeichert, die durch Siliziumkristallmaterialien dargestellt werden. Die Verbesserung der Integration besteht darin, dass die Transistoren kleiner werden, aber die Transistoren dürfen nicht kleiner sein als das Volumen eines Siliziumatoms. Da sich die Halbleitertechnologie allmählich der Größenbeschränkung von Siliziumprozessen nähert, gelten die aus dem Mooreschen Gesetz abgeleiteten Regeln nicht mehr.

Analyse der strukturellen Mängel der von-Neumann-Computerarchitektur:

(1) Anweisungen und Daten werden im selben Speicher gespeichert, was dazu führt, dass das System übermäßig auf den Speicher angewiesen ist. Wenn die Entwicklung von Speichergeräten behindert wird, wird auch die Entwicklung von Systemen behindert.

(2) Anweisungen werden in der Reihenfolge ihrer Ausführung im Speicher gespeichert, und der Befehlszähler-PC gibt die Einheitenadresse der auszuführenden Anweisung an. Rufen Sie dann die Anweisungen zum Ausführen der Betriebsaufgabe ab. Die Ausführung von Anweisungen erfolgt also seriell. Beeinflusst die Geschwindigkeit der Systemausführung.

(3) Der Speicher wird durch Adresszugriff linear adressiert, und der Adresszugriff erfolgt nacheinander, was die Speicherung und Ausführung von Maschinensprachenanweisungen begünstigt und für numerische Berechnungen geeignet ist. Der durch die Hochsprache dargestellte Speicher besteht jedoch aus einer Reihe benannter Variablen. Variablen werden nach Namen aufgerufen und nicht nach Adresse aufgerufen. Zwischen Maschinensprache und Hochsprache besteht eine große semantische Lücke, die als semantische Lücke von Neumann bezeichnet wird. Die Beseitigung semantischer Lücken ist zu einem großen Problem bei der Entwicklung von Computern geworden.

(4) Computer mit Von-Neumann-Architektur wurden für arithmetische und logische Operationen entwickelt. Die Entwicklung nichtnumerischer Verarbeitungsanwendungen ist jedoch langsam und erfordert Verbesserungen in der Architektur waren große Durchbrüche.

(5) Die traditionelle Struktur vom Neumann-Typ gehört zur Kontrollantriebsmethode. Es führt Befehlscodes aus, um numerische Codes zu verarbeiten. Solange die Anweisungen klar sind und die Eingabedaten korrekt sind, wird es nach dem Start des Programms automatisch ausgeführt und die Ergebnisse werden erwartet. Sobald Anweisungen und Daten fehlerhaft sind, ändert die Maschine die Anweisungen nicht aktiv und verbessert das Programm. Allerdings sind viele Informationen im menschlichen Leben vage und das Auftreten, die Entwicklung und die Ergebnisse von Ereignissen unvorhersehbar. Die Intelligenz moderner Computer ist derart komplexen Aufgaben nicht gewachsen.

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