現在主流のコンピュータシステムはどのような構造になっているのでしょうか？

コンピュータシステムの構造は「フォン・ノイマン」構造を採用しています。プリンストン構造としても知られるフォン ノイマン構造は、プログラム命令メモリとデータ メモリを組み合わせたメモリ構造です。バイナリ ロジック、プログラムの保存と実行を使用し、コンピュータは 5 つの部分 (オペレータ、コントローラ、メモリ、この構造の特徴は「プログラムの保存、データの共有、逐次実行」であり、対応する計算を実行するために CPU がメモリから命令とデータを取得する必要があります。

このチュートリアルの動作環境: Windows 7 システム、Dell G3 コンピューター。

現在主流のコンピュータシステムの構造は「フォン・ノイマン構造」を採用しています。

プリンストン構造としても知られるフォン ノイマン構造は、プログラム命令メモリとデータ メモリを組み合わせたメモリ構造です。プログラム命令のストレージ アドレスとデータ ストレージ アドレスは、同じメモリ内の異なる物理的な場所を指しているため、プログラム命令とデータの幅は同じです。たとえば、Intel の 8086 中央プロセッサのプログラム命令とデータは両方とも 16 ビットです。広い。

数学者フォン・ノイマンは、コンピュータ製造の 3 つの基本原則、すなわちバイナリ ロジックの使用、プログラムの保存と実行を提案しました。コンピュータは 5 つの部分 (オペレータ、コントローラ、メモリ、入力デバイス、出力デバイス) で構成されています。 ）、この理論はフォン・ノイマン・アーキテクチャと呼ばれます。

開発の歴史

コンピュータが誕生する前、人々は計算の精度と量にボトルネックを抱えていました。機械に対する需要は非常に強く、フォン ノイマンの論理とコンピューターのアイデアは、彼を史上初の汎用電子コンピューターの設計と製造に導きました。彼のコンピュータ理論は主に自身の数学的基礎に影響を受けており、高度に数学的かつ論理的であり、一般にこの理論を「コンピュータの論理理論」と呼んでいます。コンピューターに保存されたプログラムという彼のアイデアは、彼の偉大な革新のもう 1 つであり、保存されたプログラムを内部メモリに配置することで、当時のコンピューターの記憶容量が小さすぎることと計算速度が遅すぎるという問題を解決することに成功しました。

第二次世界大戦中、米軍は研究所に対し、大量の計算を必要とする計算結果を提供することを要求しました。そこで、電子コンピュータを開発するという考えがありました。この需要に直面して、米国は直ちに多くの技術者や物理学者を含む研究開発チームを結成し、世界初のコンピュータ（後にENIACマシンと呼ばれる）の開発を試みた。最先端の電子技術が採用されているにもかかわらず、原則的な指針が欠如しています。このときフォン・ノイマンが登場した。彼は、コンピューターの論理構造という重要な側面を持ち出しました。フォン・ノイマン氏はロジックからスタートし、チームを率いてENIACを改善しました。彼の論理設計には次のような特徴があります:

(1) 回路設計と論理設計を分離してコンピュータ構築に最適な条件を作り出す;

(2) 個人の神経系とコンピュータを結合する新しい概念、つまり生物学的コンピューターが提案されています。

ENIACマシンは、米国、さらには世界でもトップクラスの技術で実現されたものの、一時記憶装置を使用し、基礎となる演算器を決定するなど、多くの欠点を抱えていました。ストレージスペースが限られている、プログラムを保存できないなど、動作速度が遅く、本質的に不合理です。フォン・ノイマンは、この前提に基づいて次の最適化計画を策定しました:

(1) バイナリを使用して演算を実行し、コンピューターを大幅に高速化します;

(2) プログラムを保存します。コンピュータ経由 内部メモリには計算プログラムが保存されています。このようにして、プログラマはメモリを介して関連する計算命令を書き込むだけで済み、コンピュータは即座に計算操作を実行できるため、計算効率が大幅に向上します。

フォン・ノイマン構造図

特徴

現代のコンピューターの発展に続く基本的な構造形式は常にフォン・ノイマン機械構造になります。この構造の特徴は、「プログラムの保存、データの共有、逐次実行」であり、対応する計算を実行するには、CPU がメモリから命令とデータを取得する必要があります。 主な特長は、

(1) 演算器を中心としたシングルプロセッサ構造、

(2) プログラムストレージの考え方を採用、

(3) 命令とデータが演算に参加可能;

(4) データはバイナリで表現;

(5) ソフトウェアとハ​​ードウェアを完全に分離;

(6) 命令はオペコードとオペランドで構成され、

(7) 命令は順番に実行されます。

制限事項

CPU と共有メモリ間の情報交換の速度は、システムのパフォーマンスに影響を与える主な要因となっており、情報交換速度の向上は、ストレージ要素の速度、メモリのパフォーマンスと構造、その他多くの条件。

従来のノイマン型コンピュータ アーキテクチャのストアド プログラム方式では、システムがメモリに依存するため、メモリにアクセスする CPU の速度がシステムの速度を制限します。集積回路 IC チップの技術レベルによって、メモリやその他のハードウェアの性能が決まります。ハードウェアの性能を向上させるために、インテル社に代表されるチップ製造会社は集積回路の生産に多大な努力を払い、大きな技術的成果を上げてきました。現在、18 か月ごとに、IC の集積度は 2 倍になり、性能は 2 倍になり、製品価格は半分になります。これがいわゆる「ムーアの法則」です。このパターンは 40 年以上続いており、さらに数年間は続くと予想されています。しかし、電子製品が直面する 2 つの基本的な制限、つまり光の速度と材料の原子特性が客観的に存在します。まず第一に、情報伝播の速度は最終的には電子の流れの速度に依存します。コンポーネントやワイヤ内の電子信号の流れは時間遅延を引き起こします。周波数が高すぎると信号の歪みが発生するため、コンポーネントの速度を無限に上げることはできません。光の速度に達するまで増加します。第二に、コンピュータの電気信号はシリコン結晶材料に代表されるトランジスタに蓄えられており、集積度が向上するとトランジスタは小さくなりますが、トランジスタはシリコン原子1個の体積よりも小さくすることはできません。半導体技術がシリコンプロセスのサイズ限界に徐々に近づくと、ムーアの法則から導かれたルールは適用されなくなります。

ノイマン型コンピュータ アーキテクチャの構造的欠陥の分析:

(1) 命令とデータが同じメモリに保存されるため、システムはメモリに過度に依存します。ストレージデバイスの開発が阻害されれば、システムの開発も阻害されます。

(2) 命令は実行順にメモリに格納され、命令カウンタPCは実行する命令が存在するユニットアドレスを指定します。次に、操作タスクを実行するための命令をフェッチします。したがって、命令の実行はシリアルです。システムの実行速度に影響します。

(3) メモリはアドレス アクセスに従って線形にアドレス指定され、アドレス アクセスが順番に配置されているため、機械語命令の保存と実行が容易であり、数値計算に適しています。しかし、高級言語で表現されるメモリは名前付き変数の集合であり、変数はアドレスによってアクセスされるのではなく、名前によって呼び出されます。機械語と高級言語の間には、フォン・ノイマン意味論的ギャップと呼ばれる大きな意味論的ギャップがあります。意味上のギャップを解消することは、コンピュータの開発が直面している大きな問題となっています。

(4) ノイマン型アーキテクチャのコンピュータは、算術演算や論理演算を目的として生まれ、現在では数値処理においては高速性と高精度に達していますが、非数値処理アプリケーションの開発は遅れています。アーキテクチャが必要です。

(5) 従来のノイマン型構造は制御駆動方式に属します。数値コードを処理するための命令コードを実行しますが、命令が明確で入力データが正確であれば、プログラム起動後は自動的に実行され、結果が期待されます。命令やデータにエラーが発生すると、マシンは積極的に命令を修正したり、プログラムを改善したりすることはありません。しかし、人間の生活における多くの情報は曖昧であり、出来事の発生、発展、結果は予測不可能であり、現代のコンピューターの知能はそのような複雑なタスクに対処することができません。

関連知識の詳細については、FAQ 列をご覧ください。

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