馮諾依曼(von neumann)和哈佛建築(harvard architecture)的區別

有兩種型別的數字計算機體系結構描述計算機系統的功能和實現。一種是著名物理學家和數學家約翰·馮·諾依曼在20世紀40年代末設計的馮·諾依曼體系結構，另一種是哈佛體系結構，它是基於最初的基於哈佛馬克一號繼電器的計算機，採用獨立的儲存系統來儲存資料和指令。...

有兩種型別的數字計算機體系結構描述計算機系統的功能和實現。一種是著名物理學家和數學家約翰·馮·諾依曼在20世紀40年代末設計的馮·諾依曼體系結構，另一種是哈佛體系結構，它是基於最初的基於哈佛馬克一號繼電器的計算機，採用獨立的儲存系統來儲存資料和指令。

最初的哈佛體系結構用於將指令儲存在穿孔磁帶上，並將資料儲存在機電計數器中。馮·諾依曼體系結構構成了現代計算的基礎，並且更易於實現。本文將分別介紹這兩種計算機體系結構，並解釋它們之間的區別。

什麼是馮諾依曼建築(von neumann architecture)？

它是一種基於儲存程式計算機概念的理論設計，其中程式資料和指令資料儲存在同一儲存器中。

這一體系結構是由著名數學家和物理學家約翰·馮·諾依曼在1945年設計的。直到馮·諾依曼提出計算機設計的概念之前，計算機的設計都是為了一個單一的預定目的，由於電路的手工重接，這種設計缺乏先進性。

馮·諾依曼體系結構背後的思想是，能夠將指令與指令操作的資料一起儲存在記憶體中。簡而言之，馮諾依曼體系結構指的是計算機硬體、程式設計和資料應遵循的一般框架。

馮諾依曼體系結構由三個不同的元件組成：中央處理器（CPU）、記憶體單元和輸入/輸出（I/O）介面。CPU是計算機系統的核心，它由三個主要部件組成：算術邏輯單元（ALU）、控制單元（CU）和暫存器。

ALU負責對資料執行所有算術和邏輯運算，而控制單元透過向硬體發出控制訊號來確定需要在程式中執行的指令流的順序。

暫存器基本上是臨時儲存位置，用於儲存需要執行的指令的地址。記憶體單元由RAM組成，RAM是用來儲存程式資料和指令的主儲存器。I/O介面允許使用者與外部世界（如儲存裝置）進行通訊。

什麼是哈佛建築(harvard architecture)？

它是一種計算機體系結構，具有用於程式資料和指令的物理上獨立的儲存和訊號通路。與馮·諾依曼體系結構不同的是，哈佛體系結構採用單一匯流排從記憶體中獲取指令，並將資料從計算機的一個部分傳輸到另一個部分，哈佛體系結構為資料和指令提供了單獨的記憶體空間。

這兩個概念是相似的，除了他們訪問記憶的方式。哈佛架構背後的想法是將記憶體分為兩部分——一部分用於資料，另一部分用於程式。這些術語是基於最初的基於哈佛marki中繼的計算機，它採用了一種允許同時執行資料、傳輸和指令獲取的系統。

現實世界中的計算機設計實際上是基於改進的哈佛體系結構，通常用於微控制器和DSP（數字訊號處理）。

馮·諾依曼與哈佛建築學的差異

馮·諾依曼與哈佛建築學基礎

馮·諾依曼體系結構是一種基於儲存程式概念的理論計算機設計，其中程式和資料儲存在同一記憶體中。這個概念是由數學家約翰馮諾依曼在1945年設計的，目前幾乎所有現代計算機的基礎都是這個概念。哈佛大學的體系結構是基於最初的哈佛馬克一號繼電器為基礎的計算機模型，採用單獨的資料和指令匯流排。

諾依曼記憶系統與哈佛建築

Von Neumann體系結構只有一條匯流排用於指令獲取和資料傳輸，操作必須被排程，因為它們不能同時執行。另一方面，哈佛體系結構有單獨的指令和資料儲存空間，這在物理上把訊號和程式碼與資料儲存分開，從而使同時訪問每個儲存系統成為可能。

諾依曼與哈佛建築的教學處理

在Von Neumann體系結構中，處理單元需要兩個時鐘週期來完成一條指令。處理器在第一個週期從記憶體中取出指令並對其進行解碼，然後在第二個週期從記憶體中取出資料。在哈佛體系結構中，如果有適當的流水線策略，處理單元可以在一個週期內完成一條指令。

諾依曼成本與哈佛建築

由於指令和資料在Von Neumann體系結構中使用相同的匯流排系統，它簡化了控制單元的設計和開發，最終將生產成本降到最低。哈佛體系結構的控制單元的開發比哈佛體系結構的開發成本更高，因為哈佛體系結構採用兩條匯流排作為指令和資料。

馮·諾依曼與哈佛建築的運用

馮·諾依曼體系結構主要用於從臺式電腦、膝上型電腦到高效能電腦和工作站的每臺機器。哈佛體系結構是一個相當新的概念，主要用於微控制器和數字訊號處理（DSP）。

馮諾依曼與哈佛建築：比較圖

總結 - 馮·諾依曼的(of von neumann) vs. 哈佛建築(harvard architecture)

Von Neumann體系結構與Harvard體系結構相似，只是它使用一條匯流排來執行指令獲取和資料傳輸，因此必須對操作進行排程。另一方面，哈佛體系結構使用兩個獨立的記憶體地址來儲存資料和指令，這使得同時向兩條匯流排提供資料成為可能。然而，複雜的體系結構只會增加控制單元的開發成本，而不太複雜的Von Neumann體系結構採用單一的統一快取，其開發成本較低。