非諾依曼體系結構 non von Neuman architecture 一種由數據而不是由指令來驅動程式執行的計算機體系結構。
基本介紹
不適應性,計算機,優缺點,
不適應性
諾依曼體系結構是由諾依曼等人1946年提出來的一種以存儲程式為主要原理的體系結構。它的主要特點是集中控制、順序執行、共享存儲單元及單處理機等。具有諾依曼體系結構的計算機，在中央處理器（ CPU ）和主存之間只有一條每次只能交換一個字的數據通路，稱諾依曼瓶頸。這樣，不論 CPU和 主存的吞吐率有多高，不論主存的容量有多大，只能順序處理和交換數據。另外 ，隨著軟體系統的複雜性和開發成本不斷提高，而軟體的可靠性、可維護性和整個系統的性能都明顯下降，大量的系統資源消耗在必不可少的軟體開銷上，出現了軟體危機，其根源是全部軟體賴以建立的諾依曼體系結構的不適應性。隨著計算機套用領域的擴大，這種矛盾愈來愈突出，迫使人們不斷對這種體系結構進行改進。例如出現了流水處理機，並行處理機，相聯處理機，多處理機和分布處理機等。但這些結構本質上仍是存儲程式型的順序操作概念。諾依曼體系結構的兩個最主要特徵還沒有被突破，一是計算機內部的信息流動是由指令驅動的，而指令執行的順序由指令計數器決定；二是計算機的套用主要是面向數值計算和數據處理。為了使計算機具有更強的計算能力，解決軟體危機，讓計算機能模擬人類在自然語言的理解、圖像圖形聲音的識別和處理、學習和探索、思維和推理等方面的功能以及具有良好的環境自適應能力，出現了一種非諾依曼體系結構。
計算機
數據流計算機
該機徹底改變了諾依曼體系結構的指令流驅動的機制，而採用了數據流驅動的機制。其基本原理可歸納為以下兩點：①一條指令若且唯若所需的運算元準備就緒時便開始執行，完全不需要指令計數器的控制。指令的啟動取決於數據的可用性，與這條指令在程式中的物理位置無關。這樣，只要有一批數據都準備就緒，如果功能部件可以使用，就可以激發一批指令並行執行。這就是數據流體系結構所特有的指令操作的異步性和操作結果的確定性。②任何操作都是純函式操作，即每一數據流操作都是消耗一組輸入值，產生一組輸出值而不產生副作用，這就確保任何兩個並發操作可以任意次序執行，而不會產生干擾。數據流計算機的典型體系結構由指令存儲器、處理部件、路徑網路、輸入輸出部件組成。指令存儲器用來存放指令序列。處理部件專門並行地執行可執行指令。路徑網路用來傳送數據令牌，把令牌中所攜帶的運算元送入需要它的指令中。輸入輸出部件是數據流計算機與外部的接口。
歸約計算機
該機也是基於數據流的計算模型，但執行的操作序列取決於對數據的需求，即需求驅動，而這種需求又來源於函式式語言對表達式的歸約，即化簡。歸約機的體系結構具有以下特點：①採取適合于歸約存儲結構和存儲器結構，設有函式定義存儲器和表達式存儲器，而不是程式存儲器和數據存儲器這種組織方式。②歸約處理對象是多個運算或函式套用嵌套組合的表達式，處理器根據表達式攜帶的運算信息來處理表達式中的數據。因此，處理的數據和操作的信息合併存儲，而不是數據按地址存儲，且數據中不含運算信息。③設有相應部件來跟蹤指示表達式歸約順序和路徑，而不是採用指令計數器。④具有大容量的物理存儲器並採用有大的虛擬存儲容量的虛擬存儲器系統，具備高效的動態存儲分配和管理的軟硬體支持，滿足歸約機對動態存儲分配及所需存儲空間較大的要求。歸約機典型的體系結構由函式定義存儲器、處理器、蹤跡指示器、表達式存儲器組成。歸約機中有代表性的為美國 DAPS 系統，Readflow系統和TTDA系統，英國的ALICE系統、GRIP系統和Flagship系統等等。
程式設計語言的計算機
從概念上講，對象是一個把數據結構和對數據進行操作的過程融合為一體的一個邏輯實體。從計算機的實現角度看，對象是占據一片存儲空間的、統一格式的數據結構。各個對象將在程式的運行中動態地建立和消亡。各個對象之間只通過傳送或接收訊息互相作用。因此，基於面向對象程式設計語言的計算機體系結構應具有高效能的、面向對象的動態存儲管理、存儲保護和快速匹配、檢索對象的機制。同時還應提供實現對象之間高效通信的機制。面向對象程式設計語言具備固有的並行性，因此，基於面向對象程式設計語言的計算機還應當是一個多處理機系統，以便讓各個對象或由多個對象組成的模組分別在各自分配到的處理機上執行，提高並行處理的能力。
智慧型計算機
即基於面向智慧型信息處理的計算機。從功能上看，它的體系結構具備以下特點：具有高效的推理機制和極強的符號處理能力；能有效地支持非確定性計算，同時也能有效地支持確定性計算；具有高度並行處理、多重處理或分布處理能力；具有能適應不同套用特點和需求的動態可變的開放式的拓撲結構；有大容量存儲器，數據不是以線性模式存儲，而是分布存儲，存儲訪問具有不可預測性；具有知識庫管理功能；有良好的人機界面，具有自然語言、聲音 、文字、圖像等智慧型接口功能；具有支持智慧型程式設計語言功能。因此，知識庫機、推理機和智慧型接口處理機是智慧型機的主要組成部分。知識庫機以高效可用形式存放各種知識、語義和規則，同時具有極大的存儲容量，能快速有效地進行知識的存儲、查找、更新、數據變換的並行關係運算及知識處理。推理機硬體由幾百甚至上千個處理器構成，並能並行工作。在進行以謂詞邏輯為基礎的演繹推理時，能具有遇錯自動換向，重新尋找目標的功能，還具有高級的隱含推理、遞歸推理及類推理等功能。智慧型接口處理機以各種專用的VLSI處理器為基礎，進行自然語言、信號、語音、圖形和圖像的轉換，並具有聯網的接口硬體。
優缺點
非諾依曼體系結構的主要優點為：
①支持高度的並行操作。
②與VLSI技術相適應。
③有利於提高軟體生產能力。
缺點有：
①操作開銷過大。
②不能有效地利用傳統諾依曼體系結構計算機已積累起來的豐富的軟體資源。
