冯诺依曼的经典理论

冯诺依曼的经典理论

冯诺依曼体系机构

说到计算机的发展，就不能不提到德国科学家冯诺依曼。从20世纪初，物理学和电子学科学家们就在争论制造可以进行数值计算的机器应该采用什么样的结构。人们被十进制这个人类习惯的计数方法所困扰。所以，那时以研制模拟计算机的呼声更为响亮和有力。20世纪30年代中期，德国科学家冯诺依曼大胆的提出，抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础。同时，他还说预先编制计算程序，然后由计算机来按照人们事前制定的计算顺序来执行数值计算工作。 冯诺依曼理论的要点是：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行。 人们把冯诺依曼的这个理论称为冯诺依曼体系结构。从ENIAC 到当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构。所以冯诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。

根据冯诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：

把需要的程序和数据送至计算机中。

必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。

能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。

能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。

能够按照要求将处理结果输出给用户。

为了完成上述的功能，计算机必须具备五大基本组成部件，包括：

输人数据和程序的输入设备记忆程序和数据的存储器完成数据加工处理的运算器控制程序执行的控制器输出处理结果的输出设备

这里所说的总线主要是指系统总线。PC 机的系统总线又可分为ISA 、EISA 、MCA 、VESA 、PCI 、AGP 等多种标准。

一、ISA/EISA/MCA/VESA总线

ISA(Industry Standard Architecture) 是IBM 公司为286/AT电脑制定的总线工业标准, 也称为AT 标准。ISA 总线的影响力非常大，直到现在仍存在大量ISA 设备，最新的主板也还为它保留了一席之地。MCA (Micro Channel Architecture) 是IBM 公司专为PS/2系统开发的微通道总线结构。由于要求使用许可证，违背了PC 发展开放的潮流，因此还未有效推广即告失败。

EISA(Extended Industry Standard Architecture) ，是EISA 集团(由Compaq 、HP 、AST 等组成) 专为32位CPU 设计的总线扩展工业标准，向下兼容ISA ，当年在高档台式机上得到一定应用。VESA(Video Electronics Standards Association) ，是VESA 组织(由IBM 、Compaq 等发起，有120多家公司参加) 按Local Bus(局部总线) 标准设计的一种开放性总线，但成本较高，只是适用于486的一种过渡标准，目前已经淘汰。

二、PCI 总线

90年代后，随着图形处理技术和多媒体技术的广泛应用，在以Windows 为代表的图形用户接口(GUI)进入PC 机之后，要求PC 具有高速的图形及 I/O运算处理能力，这对总线的速度提出了挑战。原有的ISA 、EISA 总线已远远不能适应要求，成为整个系统的主要瓶颈。1991年下半年，Intel 公司首先提出了PCI(Peripheral Component Interconnect) 的概念，并联合IBM 、Compaq 、AST 、HP 、等100多家公司成立了PCI 集团。PCI 是一种先进的局部总线，已成为局部总线的新标准，是目前应用最广泛的总线结构。 PCI 总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线，从结构上看，PCI 是在CPU 和原来的系统总线之间插入的一级总线，需要时具体由一个桥接电路，实现对这一层的智能设备取得总线控制权，以加速数据传输管理。

三、AGP 总线

虽然现在PC 机的图形处理能力越来越强，但要完成细致的大型3D 图形描绘，PCI 总线结构的性能仍然有限。为了让PC 的3D 应用能力能同图形工作站相比，Intel 公司开发了AGP(Accelerated Graphics Port) 标准，主要目的就是要大幅提高高档PC 机的图形尤其 D 图形的处理能力。严格说来，AGP 不能称为总线，因为它是点对点连接，即连接控制芯片和AGP 显示卡。AGP 在主内存与显示卡之间提供了一条直接的通道，使得3D 图形数据越过PCI 总线，直接送入显示子系统。这样就能突破由于PCI 总线形成的系统瓶颈，从而达到高性能3D 图形的描绘功能。PCI 及 AGP 插槽外观见图1。标准接口的类型

在微机系统中采用标准接口技术，其目的是为了便于模块结构设计, 可以得到更多厂商的广泛支持，便于“生产”与之兼容的外部设备和软件。不同类型的外设需要不同的接口，不同的接口是不通用的。以前在8086/286机器上存在过的ST506和ESDI 等接口标准都已经淘汰, 目前在微机中使用最广泛的接口是：IDE 、EIDE 、SCSI 、USB 和IEEE 1394五种。

一、 IDE/EIDE接口

IDE 的原文是Integrated Device Electronics, 即集成设备电子部件。它是由Compaq 开发并由Western Digital 公司生产的控制器接口。IDE 采用了40线的单组电缆连接。由于把控制器集成到驱动器之中, 适配卡已变得十分简单, 现在的微机系统中已不再使用适配卡，而把适配电路集成到系统主板上, 并留有专门的IDE 连接器插口。IDE 由于具有多种优点, 且成本低廉, 在个人微机系统中得到了广泛的应用。

增强型IDE (Enhanced IDE) 是Western Digital 为取代IDE 而开发的接口标准。在采用EID E 接口的微机系统中,EIDE 接口已直接集成在主板上, 因此不必再购买单独的适配卡。与IDE 相比, EIDE 具有支持大容量硬盘、可连接四台EIDE 设备、有更高数据传输速率（13.3MB/s以上）等几方面的特点。为了支持大容量硬盘，EIDE 支持三种硬盘工作模式：NORMAL 、LBA 和LARGE 模式。

二、Ultra DMA33和Ultra DMA66接口

在ATA －2标准推出之后，SFFC 又推出了ATA －3标准。ATA －3标准的主要特点是提高了ATA －2的安全性和可靠性。ATA －3本身并没有定义更高的传输模式。此外，ATA 标准本身只支持硬盘，为此SFFC 将推出ATA －4标准，该标准将集成ATA －3和ATAPI 并且支持更高的传输模式。在 ATA －4标准没有正式推出之前，作为一个过渡性的标准,Quantum 和Intel 推出了Ultra ATA(Ultra DMA) 标准。

Ultra ATA 的第一个标准是Ultra DMA33(简称UDMA33) ，也有人把它称为ATA －3。符合该标准的主板和硬盘早在1997年便已经投放市场，目前几乎所有的主板及硬盘都支持该标准。 Ultra ATA 的第二个标准是Ultra DMA66（或者Ultra ATA －66）是由Quantum 和Intel 在1998年2月份提出的最新标准。Ultra DMA66进一步提高了数据传输率，突发数据传输率理论上可达66.6MB/s。并且采用了新型的CRC 循环冗余校验，进一步提高了数据传输的可靠性，改用80针的排线(保留了与现有的电脑兼容的40针排线，增加了40条地线) ，以保证在高速数据传输中降低相邻信号线间的干扰。

目前，有Intel 810、VIA Apollo Pro 等芯片组提供了对Ultra DMA66硬盘的支持。部分主板也提供了支持Ultra DMA66硬盘的接口。而新出的大部分硬盘都支持Ultra DMA －66接口。

三、SCSI 接口

SCSI 的原文是Small Computer System Interface, 即小型计算机系统接口。SCSI 也是系统级接口(外观如图2), 可与各种采用SCSI 接口标准的外部设备相连, 如硬盘驱动器、扫描仪、光驱、打印机和磁带驱动器等。采用SCSI 标准的这些外设本身必须配有相应的外设控制器。SCSI 接口早期只在小型机上使用, 近年来也在PC 机中广泛采用。 最新的Ultra3 SCSI 的Ultra160/m接口标准，进一步把数据传输率提高到160MB/s。昆腾也在1998年11月推出了第一个支持Ultra160/m接口标准的硬盘Atlas10K 和Atlas 四代。SCSI 对PC 来说应是一种很好的配置, 它不仅是一个接口, 更是一条总线。相信随着技术的进一步发展， SCSI 也会像EIDE 一样广泛应用在微机系统和外设中。

四、USB 接口

USB(Universal Serial Bus) 接口(外观如图3) 的提出是基于采用通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC 机连接外设的范围的目的。目前PC 中似乎每个设备都有它自己的一套连接设备。外设接口的规格不一、有限的接口数量，已无法满足众多外设连接的迫切需要。解决这一问题的关键是，提供设备的共享接口来解决个人计算机与周边设备 的通用连接。

USB 技术应用是计算机外设连接技术的重大变革。现在USB 接口标准属于中低速的界面传输，面向家庭与小型办公领域的中低速设备。比如键盘、鼠标、游戏杆、显示器、数字音箱、数字相机以及Modem 等，目的是在统一的USB 接口上实现中低速外设的通用连接。PC 主机上只需要一个USB 端口，其他的连接可以通过USB 接口和USB 集线器在桌面上完成。USB 系统由USB 主机（H OST ）、集线器（HUB ）、连接电缆、USB 外设组成。下一代的USB 接口，数据传输率将提高到120Mbps ～240Mbps ，并支持宽带宽数字摄像设备及新型扫描仪、打印机及存储设备。

五、IEEE 1394接口

IEEE 1394是一种串行接口标准，这种接口标准允许把电脑、电脑外部设备、各种家电非常简单地连接在一起。从IEEE 1394可以连接多种不同外设的功能特点来看，也可以称为总线，即一种连接外部设备的机外总线。IEEE 1394的原型是运行在Apple Mac 电脑上的Fire Wire(火线) ，由IEEE 采用并且重新进行了规范。它定义了数据的传输协定及连接系统，可用较低的成本达到较高的性能，以增强电脑与外设如硬盘、打印机、扫描仪，与消费性电子产品如数码相机、DVD 播放机、视频电话等的连接能力。由于要求相应的外部设备也具有IEEE 1394接口功能才能连接到1394总线上，所以，直到1995年第3季度Sony 推出的数码摄像机加上了IEEE 1394接口后，I EEE 1394才真正引起了广泛的注意。

六、Device Bay

Device Bay 是由Microsoft 、Intel 和Compaq 公司共同开发的标准，这一技术可让所有设备协同运作，包括CD －ROM 、DVD －ROM 、磁带、硬盘驱动器以及各种符合IEEE 1394的设备。

由于Device Bay 技术能够处理类型广泛的设备，所以它可创建一种新PC ：主板将仅包括C PU ，所有驱动器和设备都在外部与计算机相连，并包括所有数字家电，例如电视和电话。

尽管Device Bay 的规范已于1997年制定完毕，但由于这一技术研发经费开销过高，因此很可能会搁浅。迄今Microsoft 还没有准备在未来的操作系统中，支持DeviceBay 的具体计划。