# 计算机体系与结构

# 冯·诺伊曼体系

也称作冯·诺伊曼结构（英语：Von Neumann architecture）、冯·诺伊曼模型（Von Neumann model）或普林斯顿结构（Princeton architecture），是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的电脑设计概念结构。描述的是一种实现通用图灵机的计算设备，以及一种相对于并行计算的序列式结构参考模型（referential model）。

• 指令集架构（Instruction set architecture；简称ISA）：被视为一种机器语言，包含了许多相关的指令集（存储器定址、处理器控制，寄存器控制等等……）。

• 微体系结构/微架构（Microarchitecture）或称计算机组织（Computer organization）：是更详细的叙述系统内部各元素如何进行合作与沟通。

• 数据表示，即硬件能直接识别和处理的数据类型和数据格式；

• 寻址方式，包括最小寻址单位和地址运算等；

• 寄存器定义，包括操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器等的定义、数量和使用方式；

• 指令系统，包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机制等；

• 异常机制，包括中断、NMI和内部异常等；

• 机器工作状态的定义和切换，如管态和目态等；

• 输入输出结构，包括处理机、存储器与输入输出设备之间的连接方式、数据传送方式、数据流量、以及数据交换过程的控制等；

# 体系结构的特点

• 以运算单元为中心；

• 采用存储程序原理；

• 存储器是按地址访问、线性编址的空间；

• 控制流由指令流产生；

• 指令由操作码和地址码组成；

• 数据以二进制编码；

# 冯·诺伊曼瓶颈

将CPU与存储器分开并非十全十美，反而会导致所谓的冯·诺伊曼瓶颈（von Neumann bottleneck）：在CPU与存储器之间的流量（数据传输率）与存储器的容量相比起来相当小，在现代电脑中，流量与CPU的工作效率相比之下非常小，在某些情况下（当CPU需要在巨大的数据上运行一些简单指令时），数据流量就成了整体效率非常严重的限制。CPU将会在数据输入或输出存储器时闲置。由于CPU速度远大于存储器读写速率，因此瓶颈问题越来越严重。