馮·諾伊曼結構

馮·諾伊曼結構（Von Neumann architecture），全稱馮·諾依曼體系結構，也稱馮·紐曼模型（Von Neumann model）或普林斯頓結構（Princeton architecture），是一種將程序指令存儲器和數據存儲器合併在一起的電腦設計概念結構，由約翰·馮·諾伊曼等人提出。本詞描述的是一種實作通用圖靈機的計算裝置，以及一種相對於平行計算的序列式架構參考模型（referential model）。

本架構隱約指導了將儲存裝置與中央處理器分開的概念，因此依本架構設計出的電腦又稱存儲程序電腦。

## 理論

存儲程序電腦在體系結構上主要特點有：

- 以運算單元為中心
- 採用存儲程序原理
- 存儲器是按地址訪問、線性編址的空間
- 控制流由指令流產生
- 指令由操作碼和地址碼組成
- 數據以二進位編碼

## 歷史

最早的計算機器僅內含固定用途的程式。現代的某些電腦依然維持這樣的設計方式，通常是為了簡化或教育目的。例如一個計算器僅有固定的數學計算程式，它不能拿來當作文書處理軟體，更不能拿來玩遊戲。若想要改變此機器的程式，你必須更改線路、更改結構甚至重新設計此機器。當然最早的電腦並沒有設計的那麼可程式化。當時所謂的「重寫程式」很可能指的是紙筆設計程式步驟，接著制訂工程細節，再施工將機器的電路配線或結構改變。

而儲存程式型電腦的概念改變了這一切。藉由創造一組指令集架構，並將所謂的運算轉化成一串程式指令的執行細節，讓此機器更有彈性。藉著將指令當成一種特別型態的靜態資料，一台儲存程式型電腦可輕易改變其程式，並在程式控制下改變其運算內容。

馮·諾伊曼結構與儲存程式型電腦是互相通用的名詞，其用法將於下述。而哈佛結構則是一種將程式資料與普通資料分開儲存的設計概念，但是它並未完全突破馮.諾伊曼架構。

儲存程式型概念也可讓程式執行時自我修改程式的運算內容。本概念的設計動機之一就是可讓程式自行增加內容或改變程式指令的記憶體位置，因為早期的設計都要使用者手動修改。但隨著索引暫存器與間接位置存取變成硬體架構的必備機制後，本功能就不如以往重要了。而程式自我修改這項特色也被現代程式設計所揚棄，因為它會造成理解與除錯的難度，且現代中央處理器的管線與快取機制會讓此功能效率降低。

從整體而言，將指令當成資料的概念使得組合語言、編譯器與其他自動編程工具得以實現；可以用這些「自動編程的程式」，以人類較易理解的方式編寫程式；從局部來看，強調I/O的機器，例如Bitblt，想要修改畫面上的圖樣，以往是認為若沒有客制化硬體就辦不到。但之後顯示這些功能可以藉由「執行中編譯」技術而有效達到。

此架構當然有所缺陷，除了下列將述的馮·諾伊曼瓶頸之外，修改程式很可能是非常具傷害性的，無論無意或設計錯誤。在一個簡單的儲存程式型電腦上，一個設計不良的程式可能會傷害自己、其他程式甚或是作業系統，導致當機。緩衝區溢位就是一個典型例子。而創造或更改其他程式的能力也導致了惡意軟體的出現。利用緩衝區溢位，一個惡意程式可以覆蓋呼叫堆疊（Call stack）並覆寫程式碼，並且修改其他程式檔案以造成連鎖破壞。記憶體保護機制及其他形式的存取控制可以保護意外或惡意的程式碼更動。

## 第一次提出及實作

「馮·諾伊曼結構」這個詞出自美籍猶太數學家約翰·馮·諾伊曼（John von Neumann）的論文：《EDVAC報告書的第一份草案》（First Draft of a Report on the EDVAC）。

於1945年6月30日。馮·諾依曼由於在曼哈頓工程中需要大量的運算，從而使用了當時最先進的兩台電腦Mark I和ENIAC，在使用Mark I和ENIAC的過程中，他意識到了存儲程序的重要性，從而提出了存儲程序邏輯架構。雖然馮·諾伊曼的概念非常新穎，但馮·諾伊曼結構這個詞，對馮·諾伊曼的合作夥伴、時人甚至先輩都不公平。

一份由德國工程師康拉德·楚澤（Konrad Zuse）提出的專利應用就已在1936年點出這類概念。而儲存程式型電腦的概念早在馮·諾伊曼知曉ENIAC的存在前就已在賓州大學的摩爾電機學院流傳了。此構想的確實創立者永遠是個謎。

赫曼·魯寇夫相信是艾克特創建此概念（見參考資料）。

莫奇利與艾克特在1943年於他們建造ENIAC時寫下關於儲存程式的概念，另外，ENIAC計畫管理員布萊德（Grist Brainerd）在1943年12月為ENIAC做的進度回報，就已隱約提及儲存程式的概念（雖然也同時否決了在ENIAC實作的計畫），他說「為了擁有最簡單的實作計畫以及不複雜的事務，ENIAC建造時後將不需要任何自動整備」。

當設計ENIAC時，它很清楚說明從讀卡機或紙帶讀取指令是不夠快的，因為ENIAC設計用於高速執行運算。因此ENIAC直接以電路管線設計程式，並在需要新程式時重新配接線路。設計師也很清楚他們需要更好的系統架構，因此在ENIAC建造期間第一份EDVAC的報告就已撰寫完畢，並包含了儲存程式的概念，此概念敘述程式指令儲存在高速記憶體（水銀延遲記憶體）中，因此可以在執行時快速存取。

艾倫·圖靈在1946年2月19日講演了一份包含程式儲存型電腦（Pilot ACE）完整設計的論文。

## 馮·諾伊曼瓶頸

將CPU與記憶體分開並非十全十美，反而會導致所謂的馮·諾伊曼瓶頸（Von Neumann bottleneck）：在CPU與記憶體之間的流量（資料傳輸率）與記憶體的容量相比起來相當小，在現代電腦中，流量與CPU的工作效率相比之下非常小，在某些情況下（當CPU需要在巨大的資料上執行一些簡單指令時），資料流量就成了整體效率非常嚴重的限制。CPU將會在資料輸入或輸出記憶體時閒置。由於CPU速度遠大於記憶體讀寫速率，因此瓶頸問題越來越嚴重。

而馮·諾伊曼瓶頸是約翰·巴科斯在1977年ACM圖靈獎得獎致詞時第一次出現，根據巴科斯所言：

……確實有一個變更儲存裝置的方法，比藉由馮·諾伊曼瓶頸流通大量資料更為先進。瓶頸這詞不僅是對於問題本身資料流量的敘述，更重要地，也是個使我們的思考方法侷限在『一次一字元』模式的智能瓶頸。它使我們怯於思考更廣泛的概念。因此編程成為一種計畫與詳述通過馮諾伊曼瓶頸的字元資料流，且大部分的問題不在於資料的特徵，而是如何找出資料。

原文如下：

Surely there must be a less primitive way of making big changes in the store than by pushing vast numbers of words back and forth through the von Neumann bottleneck. Not only is this tube a literal bottleneck for the data traffic of a problem, but, more importantly, it is an intellectual bottleneck that has kept us tied to word-at-a-time thinking instead of encouraging us to think in terms of the larger conceptual units of the task at hand. Thus programming is basically planning and detailing the enormous traffic of words through the von Neumann bottleneck, and much of that traffic concerns not significant data itself, but where to find it.

在CPU與記憶體間的快取記憶體抒解了馮·諾伊曼瓶頸的效能問題。另外，分支預測（branch prediction）演演算法的建立也幫助緩和了此問題。巴科斯在1977年論述的「智能瓶頸」已改變甚多。且巴科斯對於此問題的解決方案並沒有造成明顯影響。現代的函數式編程以及物件導向編程已較少執行如早期Fortran一般會「將大量數值從記憶體搬入搬出的操作」，但平心而論，這些操作的確佔用電腦大部分的執行時間。

## 早期的儲存程式型電腦

下列的日期資料很難給予一個適當的日期順序。一些是第一次執行測試程式的日期；一些是電腦第一次公開展示或完成建造的日期；還有一些是第一次散佈及安裝日期。

製造者｜型號｜測試日期｜完成日期｜展示日期｜備註

IBM｜SSEC｜1948年1月27日｜由於他的某些零件是機械式的，因此不算完全的電子電腦。

曼徹斯特大學｜SSEM｜1948年6月21日｜第一個完全電子式且執行儲存程式概念的電腦。它在1948年6月21日以52分鐘執行了一個因式分解程式，之後執行了一個簡單除法演算，以及一個判定兩整數是否互質的程式。

賓夕法尼亞大學｜ENIAC｜1948年9月16日｜藉由執行一個Adele Goldstine為馮諾伊曼所寫的程式，展示它已被修改為儲存程式型電腦。

Eckert-Mauchly Computer Corporation｜1949年2、3、4月｜1949年9月

曼徹斯特大學｜Mark I｜1949年4月建造中版本1949年10月正式版本

Cambridge｜EDSAC｜1949年5月6日

賓夕法尼亞大學｜EDVAC｜1949年｜1951年

歐澳兩洲合作｜CSIR Mk I｜1949年11月

NIST｜SEAC｜1950年4月

NPL｜Pilot ACE｜1950年5月10日｜1950年12月

NIST｜SWAC｜1950年7月

MIT｜Whirlwind｜1950年12月｜1951年4月

雷明頓蘭德公司｜第一代ERA Atlas｜1950年12月｜之後的商業版本是ERA 1101/UNIVAC 1101

## 參考文獻

### 書籍

- The First Computers: History and Architectures：由Raúl Rojas與Ulf Hashagen編輯，MIT Press，2000. ISBN 0-262-18197-5。
- From Dits to Bits... : A Personal History of the Electronic Computer，Herman Lukoff，1979. Robotics Press, ISBN 0-89661-002-0
- Martin Davis（2000），第八章，"Making the first Universal computers"，Engines of Logic: Mathematicians and the origin of the Computer，W. W. Norton & Company，Inc. New York. ISBN 0-393-32229-7 pbk。
- Can Programming be Liberated from the von Neumann Style?，John Backus，1977 ACM Turing Award Lecture. Communications of the ACM，August 1978，Volume 21，Number 8. 線上PDF
- C. Gordon Bell與Allen Newell（1971），Computer Structures: Readings and Examples，McGraw-Hill Book Company，New York. Massive（668頁）。

## 參見

- 哈佛架構
- 圖靈機
- 隨機存取機 (random access machine)