현재 주류 컴퓨터 시스템은 어떤 구조를 사용합니까?

컴퓨터 시스템 구조는 "Von Neumann" 구조를 채택합니다. 프린스턴 구조라고도 알려진 폰 노이만 구조는 프로그램 명령 메모리와 데이터 메모리를 결합한 메모리 구조로 이진 논리, 프로그램 저장 및 실행을 사용하며 컴퓨터는 5개 부분(연산자, 컨트롤러, 메모리, 입력 장치, 출력 장치) 이 구조의 특징은 "프로그램 저장, 공유 데이터, 순차적 실행"입니다. 이는 CPU가 해당 계산을 수행하기 위해 메모리에서 명령과 데이터를 검색해야 합니다.

이 튜토리얼의 운영 환경: Windows 7 시스템, Dell G3 컴퓨터.

현재 주류 컴퓨터 시스템 구조는 "Von Neumann" 구조를 채택하고 있습니다.

프린스턴 구조라고도 불리는 폰 노이만 구조는 프로그램 명령 메모리와 데이터 메모리를 결합한 메모리 구조입니다. 프로그램 명령 저장 주소와 데이터 저장 주소는 동일한 메모리에서 서로 다른 물리적 위치를 가리키므로 프로그램 명령과 데이터의 폭은 동일합니다. 예를 들어 Intel의 8086 중앙 프로세서의 프로그램 명령과 데이터는 모두 16비트입니다. 넓은.

수학자 폰 노이만(Von Neumann)은 이진 논리의 사용, 프로그램 저장 및 실행이라는 컴퓨터 제조의 세 가지 기본 원리를 제안했으며, 컴퓨터는 5가지 부분(연산자, 컨트롤러, 메모리, 입력 장치, 출력 장치)으로 구성되며, 이 이론은 폰 노이만 아키텍처라고 불린다.

개발의 역사

컴퓨터가 탄생하기 전에는 폰 노이만의 논리와 컴퓨터 아이디어를 바탕으로 컴퓨터와 같은 기계에 대한 수요가 매우 높았습니다. 그리고 역사상 최초의 범용 전자 컴퓨터를 만들었습니다. 그의 컴퓨터 이론은 주로 자신의 수학적 기초에 영향을 받았으며 고도로 수학적이며 논리적입니다. 그는 일반적으로 이 이론을 "컴퓨터의 논리적 이론"이라고 부릅니다. 컴퓨터 저장 프로그램에 대한 그의 아이디어는 그의 또 다른 위대한 혁신이었습니다. 저장 프로그램을 내부 메모리에 배치함으로써 그는 당시 컴퓨터 저장 용량이 너무 작고 컴퓨팅 속도가 너무 느린 문제를 성공적으로 해결했습니다.

제2차 세계대전 중에 미군은 대규모 계산 결과를 제공하기 위해 실험실을 요구했습니다. 그래서 전자컴퓨터를 개발하자는 생각이 나왔습니다. 이러한 요구에 직면하여 미국은 즉시 많은 엔지니어와 물리학자를 포함하는 연구 개발 팀을 구성하여 세계 최초의 컴퓨터(이후 ENIAC 기계로 불림)를 개발하려고 했습니다. 가장 진보된 전자 기술을 채택했지만 원칙적인 지침이 부족합니다. 이때 폰 노이만이 나타났다. 그는 컴퓨터의 논리적 구조라는 중요한 측면을 언급했습니다. Von Neumann은 논리부터 시작하여 팀을 이끌고 ENIAC을 개선했습니다. 그의 논리 설계는 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.

(1) 회로 설계와 논리 설계를 분리하여 컴퓨터 구성에 최적의 조건을 만듭니다.

(2) 개인 신경계와 컴퓨터를 결합하여 새로운 개념을 제안하는 것이 바로 생물학적 컴퓨터입니다.

ENIAC 기계는 당시 미국은 물론 세계 최고의 기술로 구현되었음에도 불구하고 임시 저장 장치를 사용하고 연산 장치를 기반으로 삼았기 때문에 저장 공간이 제한되는 등 많은 단점이 있었습니다. , 프로그램 저장 불가 등의 문제와 실행 속도가 느린 것은 본질적으로 비합리적이었습니다. 폰 노이만은 이러한 전제를 바탕으로 다음과 같은 최적화 계획을 수립했습니다.

(1) 바이너리를 사용하여 작업을 수행하면 컴퓨터 속도가 크게 향상됩니다.

(2) 프로그램을 저장합니다. 즉, 컴퓨터 내부를 통해 작동 프로그램을 저장합니다. 메모리. 이런 방식으로 프로그래머는 메모리를 통해 관련 컴퓨팅 명령만 작성하면 컴퓨터는 즉시 컴퓨팅 작업을 수행할 수 있어 컴퓨팅 효율성이 크게 향상됩니다.

폰 노이만 구조의 개략도

특징

현대 컴퓨터의 발전에 따른 기본 구조 형태는 언제나 폰 노이만 기계 구조입니다. 이 구조의 특징은 "프로그램 저장, 데이터 공유, 순차적 실행"으로, 해당 계산을 수행하려면 CPU가 메모리에서 명령과 데이터를 검색해야 합니다. 주요 기능은 다음과 같습니다.

(1) 단일 프로세서 구조, 기계는 산술 단위를 중심으로 합니다.

(2) 프로그램 저장 아이디어를 채택합니다.

(3) 지침 및 데이터도 참여할 수 있습니다.

(4) 데이터는 이진수로 표시됩니다.

(5) 소프트웨어와 하드웨어를 완전히 분리합니다.

(6) 명령은 연산 코드와 피연산자로 구성됩니다.

(7) 명령은 순차적으로 실행됩니다.

Limitations

CPU와 공유 메모리 간의 정보 교환 속도는 시스템 성능에 영향을 미치는 주요 요인이 되었으며, 정보 교환 속도의 향상은 스토리지 구성 요소의 속도, 메모리 성능 및 구조 등 여러 조건에 따라 달라집니다. .

기존 폰 노이만 컴퓨터 아키텍처의 저장 프로그램 방식은 시스템이 메모리에 의존하도록 만듭니다. 메모리에 액세스하는 CPU의 속도는 시스템 속도를 제한합니다. 집적회로 IC 칩의 기술 수준에 따라 메모리 및 기타 하드웨어의 성능이 결정됩니다. 하드웨어의 성능을 향상시키기 위해 Intel Corporation으로 대표되는 칩 제조 회사는 집적 회로 생산에 많은 노력을 기울여 훌륭한 기술 성과를 달성했습니다. 이제 18개월마다 IC의 집적도는 두 배로, 성능은 두 배로, 제품 가격은 절반으로 떨어지는 것이 소위 '무어의 법칙'입니다. 이러한 패턴은 40년 이상 지속되었으며 앞으로 몇 년 더 지속될 것으로 예상됩니다. 그러나 전자제품이 직면하는 두 가지 근본적인 한계는 객관적으로 존재하는데, 빛의 속도와 물질의 원자적 특성이다. 우선, 정보 전파 속도는 궁극적으로 전자 흐름 속도에 따라 달라집니다. 주파수가 너무 높으면 신호 왜곡이 발생하므로 부품의 속도를 높일 수 없습니다. 빛의 속도에 도달할 때까지 무한정. 둘째, 컴퓨터의 전자 신호는 실리콘 결정 소재로 대표되는 트랜지스터에 저장된다. 집적도가 향상되는 점은 트랜지스터의 크기가 작아지지만 트랜지스터의 크기는 실리콘 원자 1개의 부피보다 작을 수 없다는 점이다. 반도체 기술이 점차 실리콘 공정의 크기 한계에 접근함에 따라 무어의 법칙에서 파생된 규칙은 더 이상 적용되지 않습니다.

폰 노이만 컴퓨터 아키텍처의 구조적 결함 분석:

(1) 명령과 데이터가 동일한 메모리에 저장되어 시스템이 메모리에 과도하게 의존하게 됩니다. 저장 장치의 발전이 방해를 받으면 시스템의 발전도 방해를 받게 됩니다.

(2) 명령어는 실행된 순서대로 메모리에 저장되며, 명령어 카운터 PC는 실행될 명령어가 위치한 단위 주소를 지정합니다. 그런 다음 작업 작업을 수행하기 위한 지침을 가져옵니다. 따라서 명령어 실행은 연속적입니다. 시스템 실행 속도에 영향을 미칩니다.

(3) 메모리는 주소 액세스에 의해 선형적으로 주소가 지정되고 주소 액세스는 순서대로 배열되어 기계어 명령어의 저장 및 실행에 도움이 되며 수치 계산에 적합합니다. 그러나 고급 언어로 표현되는 메모리는 이름이 지정된 변수의 집합입니다. 변수는 이름으로 호출되며 주소로 액세스되지 않습니다. 기계어와 고급언어 사이에는 의미론적 격차가 있는데, 이를 폰 노이만 의미론적 격차(von Neumann semantic gap)라고 합니다. 의미상의 차이를 제거하는 것은 컴퓨터 개발이 직면한 주요 문제가 되었습니다.

(4) 폰 노이만 아키텍처 컴퓨터는 산술 및 논리 연산을 위해 탄생했습니다. 현재 수치 처리에서는 빠른 속도와 정확성에 도달했지만, 비수치 처리 애플리케이션의 개발은 느리고 아키텍처의 개선이 필요합니다. 획기적인 발전을 이루었습니다.

(5) 전통적인 폰 노이만형 구조는 제어 구동 방식에 속합니다. 명령 코드를 실행하여 숫자 코드를 처리합니다. 명령이 명확하고 입력 데이터가 정확하면 프로그램 시작 후 자동으로 실행되며 결과가 예상됩니다. 명령어와 데이터에 오류가 있으면 기계는 명령어를 적극적으로 수정하거나 프로그램을 개선하지 않습니다. 그러나 인간 생활의 많은 정보는 모호하며 사건의 발생, 전개 및 결과를 예측할 수 없습니다. 현대 컴퓨터의 지능은 이러한 복잡한 작업에 대처할 수 없습니다.

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