非诺依曼体系结构

由数据驱动程序执行的计算机体系结构

非诺依曼体系结构 non von Neuman architecture 一种由数据而不是由指令来驱动程序执行的计算机体系结构。

不适应性

诺依曼体系结构是由诺依曼等人1946年提出来的一种以存储程序为主要原理的体系结构。它的主要特点是集中控制、顺序执行、共享存储单元及单处理机等。具有诺依曼体系结构的计算机，在中央处理器（ CPU ）和主存之间只有一条每次只能交换一个字的数据通路，称诺依曼瓶颈。这样，不论 CPU和主存的吞吐率有多高，不论主存的容量有多大，只能顺序处理和交换数据。另外，随着软件系统的复杂性和开发成本不断提高，而软件的可靠性、可维护性和整个系统的性能都明显下降，大量的系统资源消耗在必不可少的软件开销上，出现了软件危机，其根源是全部软件赖以建立的诺依曼体系结构的不适应性。随着计算机应用领域的扩大，这种矛盾愈来愈突出，迫使人们不断对这种体系结构进行改进。例如出现了流水处理机，并行处理机，相联处理机，多处理机和分布处理机等。但这些结构本质上仍是存储程序型的顺序操作概念。诺依曼体系结构的两个最主要特征还没有被突破，一是计算机内部的信息流动是由指令驱动的，而指令执行的顺序由指令计数器决定；二是计算机的应用主要是面向数值计算和数据处理。为了使计算机具有更强的计算能力，解决软件危机，让计算机能模拟人类在自然语言的理解、图像图形声音的识别和处理、学习和探索、思维和推理等方面的功能以及具有良好的环境自适应能力，出现了一种非诺依曼体系结构。

计算机

非诺依曼体系结构的计算机主要有数据流计算机、归约计算机、基于面向对象程序设计语言的计算机、面向智能信息处理的智能计算机等。

数据流计算机

该机彻底改变了诺依曼体系结构的指令流驱动的机制，而采用了数据流驱动的机制。其基本原理可归纳为以下两点：①一条指令当且仅当所需的操作数准备就绪时便开始执行，完全不需要指令计数器的控制。指令的启动取决于数据的可用性，与这条指令在程序中的物理位置无关。这样，只要有一批数据都准备就绪，如果功能部件可以使用，就可以激发一批指令并行执行。这就是数据流体系结构所特有的指令操作的异步性和操作结果的确定性。②任何操作都是纯函数操作，即每一数据流操作都是消耗一组输入值，产生一组输出值而不产生副作用，这就确保任何两个并发操作可以任意次序执行，而不会产生干扰。数据流计算机的典型体系结构由指令存储器、处理部件、路径网络、输入输出部件组成。指令存储器用来存放指令序列。处理部件专门并行地执行可执行指令。路径网络用来传送数据令牌，把令牌中所携带的操作数送入需要它的指令中。输入输出部件是数据流计算机与外部的接口。

归约计算机

该机也是基于数据流的计算模型，但执行的操作序列取决于对数据的需求，即需求驱动，而这种需求又来源于函数式语言对表达式的归约，即化简。归约机的体系结构具有以下特点：①采取适合于归约存储结构和存储器结构，设有函数定义存储器和表达式存储器，而不是程序存储器和数据存储器这种组织方式。②归约处理对象是多个运算或函数应用嵌套组合的表达式，处理器根据表达式携带的运算信息来处理表达式中的数据。因此，处理的数据和操作的信息合并存储，而不是数据按地址存储，且数据中不含运算信息。③设有相应部件来跟踪指示表达式归约顺序和路径，而不是采用指令计数器。④具有大容量的物理存储器并采用有大的虚拟存储容量的虚拟存储器系统，具备高效的动态存储分配和管理的软硬件支持，满足归约机对动态存储分配及所需存储空间较大的要求。归约机典型的体系结构由函数定义存储器、处理器、踪迹指示器、表达式存储器组成。归约机中有代表性的为美国 DAPS 系统，Readflow系统和TTDA系统，英国的ALICE系统、GRIP系统和Flagship系统等等。

程序设计语言的计算机

从概念上讲，对象是一个把数据结构和对数据进行操作的过程融合为一体的一个逻辑实体。从计算机的实现角度看，对象是占据一片存储空间的、统一格式的数据结构。各个对象将在程序的运行中动态地建立和消亡。各个对象之间只通过发送或接收消息互相作用。因此，基于面向对象程序设计语言的计算机体系结构应具有高效能的、面向对象的动态存储管理、存储保护和快速匹配、检索对象的机制。同时还应提供实现对象之间高效通信的机制。面向对象程序设计语言具备固有的并行性，因此，基于面向对象程序设计语言的计算机还应当是一个多处理机系统，以便让各个对象或由多个对象组成的模块分别在各自分配到的处理机上执行，提高并行处理的能力。

智能计算机

即基于面向智能信息处理的计算机。从功能上看，它的体系结构具备以下特点：具有高效的推理机制和极强的符号处理能力；能有效地支持非确定性计算，同时也能有效地支持确定性计算；具有高度并行处理、多重处理或分布处理能力；具有能适应不同应用特点和需求的动态可变的开放式的拓扑结构；有大容量存储器，数据不是以线性模式存储，而是分布存储，存储访问具有不可预测性；具有知识库管理功能；有良好的人机界面，具有自然语言、声音、文字、图像等智能接口功能；具有支持智能程序设计语言功能。因此，知识库机、推理机和智能接口处理机是智能机的主要组成部分。知识库机以高效可用形式存放各种知识、语义和规则，同时具有极大的存储容量，能快速有效地进行知识的存储、查找、更新、数据变换的并行关系运算及知识处理。推理机硬件由几百甚至上千个处理器构成，并能并行工作。在进行以谓词逻辑为基础的演绎推理时，能具有遇错自动换向，重新寻找目标的功能，还具有高级的隐含推理、递归推理及类推理等功能。智能接口处理机以各种专用的VLSI处理器为基础，进行自然语言、信号、语音、图形和图像的转换，并具有联网的接口硬件。

优缺点

非诺依曼体系结构的主要优点为：

①支持高度的并行操作。

②与VLSI技术相适应。

③有利于提高软件生产能力。

缺点有：

①操作开销过大。

②不能有效地利用传统诺依曼体系结构计算机已积累起来的丰富的软件资源。

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