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大家好

这一节我们介绍

冯·诺依曼机及其发展与演化

冯·诺依曼是二十世纪

最伟大的数学家之一

是在现代计算机

博弈论

和核武器等诸多领域

都有杰出建树的

最伟大的科学全才之一

被称为计算机之父和博弈论之父

冯·诺依曼从实现的角度

提出了计算机的核心模型

由于电子学

以及电子工业的迅速发展

人们早已把控制器

和运算器做在一起了

也就是集成在一块芯片上

通常称之为中央处理器

CPU和存储器之间

通过三大总线

也就是

数据总线

地址总线

和控制总线连接在一起

如果我们暂且不考虑

与人

或者与外界打交道的

输入 输出设备

则冯·诺依曼计算机

可用这么一个图来表示

冯·诺依曼计算机的基本工作原理

可归结为两点

一 存储程序

二 指令驱动

也就是说先要把

原始数据和程序存于主存器之中

然后 按照程序中的指令

驱动CPU

从存储器中读取数据进行计算

并将计算结果

当然也包括中间结果

再存入存储器中

电子计算机就是按照

这种思路研制出来的

那么冯·诺依曼计算机完美无缺了吗

不 它还有一些问题

比如

一 CPU和存储器速度上不匹配

前者快 后者慢

二 总线BUS太繁忙

成了瓶颈问题

三 主存储器容量有限

特别是总线BUS

上面分时跑着

数据

指令

地址信息

控制信息

穿梭不息 特别繁忙

成了性能提升的瓶颈

被人称之为 冯·诺依曼峡道

面对问题

我们有什么对策呢

性能强大的CPU

需要快速轻松地

存取大量数据

才能实现最优性能

如果CPU无法及时

获取所需要的指令和数据

则只能不断地

停下来等待指令和数据

这将浪费宝贵的CPU资源

如何解决这个问题呢

那么提高主存储器的

工作频率可行吗

也不现实

因为设计能够匹配CPU工作频率的

存储器也许并非难事

但价格昂贵

费用方面人们负担不起

聪明的设计者

在CPU和主存储器之间

增设一级高速缓冲存储器

也称之为Cache

较好地解决了这个问题

当然 为进一步

改善存储系统的性能

人们还采取一些办法

一是价格可以承受的情况下

扩大Cache的容量

二是把Cache分成

一级Cache和二级Cache

一级Cache位于CPU内

二级Cache位于CPU外

就像这样

Cache为何能提高性能

这个问题不难理解

比如 过去家里面没有自来水

家家都备有一个水缸

吃喝用水都从水缸里面舀取

如果水缸里没水了

就去村外水井里面挑水

直至把水缸装满为止

下次用水又从水缸里舀取

假设每次用水

哪怕喝一小口

都要去水井里取水

那将是多么不可思议的事情

现在有了水缸

用水就方便

高效多了

在这里

水缸就是家用的Cache

它能明显地提高人们的生活效率

类似的

家家备用的米缸也是同样道理

那么针对第三个问题

解决的办法是增设辅助存储器

也就是外部存储器 简称外存

外存可以永久保存程序和数据

而且容量比主存储器大得多

价格也便宜得多

可以把暂时不用的

程序和数据存放在外存之中

主存储器中只需存储当前

正在运行的程序

和正在处理的数据即可

这样也就解决了

主存储器容量非常有限的问题

如果外存的容量还不够大的话

还可以利用互联网

把数据和程序

存放在容量巨大的网络之中

如网格存储 云存储

这样 就形成了一个

分层次的 完整的存储系统

就像这样

为了进一步提高计算性能

人们提出了从以CPU为中心的

体系结构转化为

以存储器为中心的体系结构

实现 并行计算

现在的高性能计算机大致上

就是按照这种思路研制出来的

这也就是生活中我们常说的

三个臭皮匠 顶个诸葛亮

Cache也罢

多CPU并行计算也罢

理论上涉及许多科学问题

微观上涉及许多技术细节

但从宏观上看

解决问题的思路和方法

大家都不难理解

甚至与生活中的一些思想

和理念是相通的

理解这些思维方法

对提高我们分析问题

解决问题是非常有帮助的

好 这一节就讲到这

谢谢大家