计组面试题—什么是存储程序原理？它对计算机设计有何重要意义？

Author : Cyan_RA9
Source : 【卡码笔记】网站
Question : 什么是存储程序原理？它对计算机设计有何重要意义？

【简要回答】

“存储程序”的概念：

• 存储程序原理是指将程序指令和数据存储在同一存储器中，并由CPU按顺序读取和执行。

“存储程序”对计算机设计的意义：

1. 通用性：计算机可以执行任意程序，只需将程序加载到存储器中。
2. 灵活性：程序可以像数据一样被修改和存储。
3. 简化设计：统一了指令和数据的存储方式，简化了计算机硬件设计。

【详细回答】

• “存储程序”原理：也叫“存储程序”工作方式，即将程序和数据以同等地位放入存储器中，CPU根据指令周期的不同阶段来区分指令和数据。程序预先存入存储器中，计算机在工作中从程序首地址取出第一条指令并加以执行，以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序结束执行。每条指令由操作码和地址码组成，操作码表示指令操作的性质及功能，地址码包含了操作过程中所需的地址信息。
• 存储程序原理对计算机设计的意义：
  1. 通用性：
     • 计算机可以执行任意程序，只需将程序加载到存储器中。
     • eg: 同一台计算机可以运行操作系统、浏览器、游戏等不同程序。
  2. 灵活性：
     • 程序可以像数据一样被修改和存储。
     • eg: 程序可以在运行时动态加载和修改。
  3. 简化设计：
     • 统一了指令和数据的存储方式，简化了计算机硬件设计。
     • eg: CPU只需通过同一总线访问存储器，无需区分指令和数据。

【知识拓展】

• 现代计算机主要是基于冯·诺依曼体系结构设计的，早在1945年，数学家约翰·冯·诺依曼在研究EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）时，便提出了“存储程序”的概念，以此概念为基础的各类计算机统称为“冯·诺依曼计算机”。
• 存储程序原理的局限性：
  1）冯·诺伊曼瓶颈：由于指令和数据共享同一总线，CPU在同一时间内只能访问指令或数据，导致性能瓶颈。
  2）安全性问题：指令和数据存储在同一存储器中，可能导致代码注入等安全问题。
• 现代改进：
  1）哈佛体系结构：将指令存储器和数据存储器分开，支持并行访问，提高了性能。
  2）缓存技术：通过缓存减少CPU访问存储器的延迟，缓解冯·诺伊曼瓶颈。