目前的主流電腦系統結構採用什麼結構

電腦系統結構採用「馮諾依曼」結構。馮諾依曼結構也稱普林斯頓結構，是一種將程式指令記憶體和資料記憶體合併在一起的記憶體結構，採用二進位邏輯、程式儲存執行以及電腦由五個部分組成（運算器、控制器、記憶體、輸入設備、輸出設備）；該結構的特點是“程式存儲，共享數據，順序執行”，需要CPU從記憶體中取出指令和數據進行相應的計算。

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目前的主流電腦系統結構採用「馮諾依曼」結構。

馮諾依曼結構也稱為普林斯頓結構，是將程式指令記憶體和資料記憶體合併在一起的記憶體結構。程式指令儲存位址和資料儲存位址指向同一個記憶體的不同實體位置，因此程式指令和資料的寬度相同，如英特爾公司的8086中央處理器的程式指令和資料都是16位元寬。

數學家馮諾依曼提出了電腦製造的三個基本原則，即採用二進位邏輯、程式儲存執行以及電腦由五個部分組成（運算器、控制器、記憶體、輸入裝置、輸出設備），這套理論稱為馮諾依曼體系結構。

發展歷史

在電腦誕生之前，人們在計算的精確度和數量上出現了瓶頸，對於電腦這樣的機器的需求就十分強烈，馮諾依曼的邏輯和電腦思想指導他設計並製造出歷史上第一台通用的電子計算機。他的計算機理論主要受自身數學基礎影響，且具有高度數學化、邏輯化特徵，對於該理論，他自己一般會叫作「計算機的邏輯理論」。而他的電腦儲存程式的思想，則是他的另一個偉大創新，透過內部記憶體安放儲存程序，成功解決了當時電腦儲存容量太小，運算速度過慢的問題。

第二次世界大戰期間，美軍要求實驗室為其提供計算量龐大的計算結果。於是便有了研發電子計算機的設想。面對這種需求，美國立即組成研發團隊，包括許多工程師與物理學家，試圖開發全球首台電腦（後世稱作ENIAC機）。雖然採取了最先進的電子技術，但缺乏原理上的指導。這時，馮·諾依曼出現了。他提出了一個至關重要的面向：電腦的邏輯結構。馮諾依曼從邏輯入手，帶領團隊對ENIAC進行改進。他的邏輯設計有以下特點：

（1）將電路、邏輯兩種設計進行分離，為電腦建立創造最佳條件；

（2）將個人神經系統、計算機結合在一起，提出全新理念，即生物計算機。

即便ENIAC機是透過當時美國乃至全球頂尖技術實現的，但它採用臨時存儲，將運算器確定成根本，故而缺點較多，比如存儲空間有限、程序無法存儲等，且運行速度較慢，具有先天不合理性。馮·諾依曼以此為前提制定以下優化方案：

（1）用二進制進行運算，大大加快了計算機速度；

（2）存儲程序，也就是通過計算機內部記憶體保存運算程式。如此一來，程式設計師僅透過記憶體寫入相關運算指令，電腦便能立即執行運算操作，大幅加快運算效率。

馮諾依曼結構示意圖

特點

現代電腦發展所遵循的基本結構形式始終是馮諾依曼機結構。這種結構特點是“程式存儲，共享數據，順序執行”，需要 CPU 從記憶體取出指令和數據進行相應的計算。 主要特點有：

（1）單一處理機結構，機器以運算器為中心；

（2）採用程式儲存思想；

（3 ）指令和資料一樣可以參與運算；

（4） 資料以二進位表示；

（5）將軟體和硬體完全分開；

（6） 指令由操作碼和操作數組成；

（7）指令順序執行。

限制

CPU 與共用記憶體間的資訊交換的速度成為影響系統效能的主要因素，而資訊交換速度的提升又受制於儲存元件的速度、記憶體的效能和結構等諸多條件。

傳統馮諾依曼電腦體系結構的儲存程式方式造成了系統對記憶體的依賴，CPU 存取記憶體的速度限制了系統運作的速度。整合 電路 IC 晶片的技術水準決定了記憶體及其他硬體的效能。為了提高硬體的性能， 以英特爾公司為代表的晶片製造企業在積體電路生產方面做出了極大的努力，並獲得了巨大的技術成果。現在每隔 18 個 月 IC 的整合度翻一倍，效能也提升一倍，產品價格降低一半，這就是所謂的「摩爾定律」。這個規律已經持續了40 多年，估計還會延續若干年。然而，電子產品面臨的二個基本限制是客觀存在的：光的速度和材料的原子特性。首先，訊息傳播的速度最終將取決於電子流動的速度，電子訊號在元件和導線裡流動會產生時間延遲，頻率過高會造成訊號畸變，所以元件的速度不可能無限的提高直到達到光速。第二，電腦的電子訊號儲存在以矽晶體材料為代表電晶體上，集成度的提高在於電晶體變小，但是電晶體不可能小於一個矽原子的體積。隨著半導體技術逐漸逼近矽製程尺寸極限，摩爾定​​律原導出的法則將不再適用。

對馮諾依曼電腦體系結構缺陷的分析：

（1）指令和資料儲存在同一個記憶體中，形成系統對記憶體的過度依賴。如果儲存裝置的發展受阻，系統的發展也將受阻。

（2）指令在記憶體中依其執行順序存放，由指令計數器PC指明要執行的指令所在的單元位址。然後取出指令執行操作任務。所以指令的執行是串行。影響了系統執行的速度。

（3）記憶體是按地址訪問的線性編址，按順序排列的地址訪問，利 於存儲和執行的機器語言指令，適用於作數值計算。但是高階語言表示的記憶體則是一組有名字的變量，依名字呼叫變量，不依位址存取。機器語言同高級語言在語意上有很大的間隔， 稱為馮諾依曼語 義間隔。消除語意間隔成了電腦發展面臨的一大難題。

（4）馮諾依曼體系結構計算機是為算術和邏輯運算而誕生的，目前在數值處理方面已經到達較高的速度和精度，而非數值處理應用領域發展緩慢，需要在體系結構上有重大的突破。

（5）傳統的馮諾依曼型結構屬於控制驅動方式。它是執行指令程式碼對數值程式碼進行處理，只要指令明確，輸入資料準確，啟動程式後自動執行而且結果是預期的。一旦指令和資料有錯誤，機器不會主動修改指令並完善程式。而人類生活中有許多資訊是模糊的，事件的發生、發展和結果是不能預期的，現代電腦的智慧是無法應付如此複雜任務的。

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