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計算機概論功課(二)
2012 - 10 - 19 林中誠老師
| 中文字 | Unicode-16編碼 |
| 高 | 9AD8 |
| 展 | 5C55 |
| 霖 | 9716 |
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何謂馮紐曼機器
計算機概論功課(一)
2012-10-12 林中誠老師
最早的計算機器僅內涵固定用途的程式。現代的某些計算機依然維持這樣的設計方 ，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件，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。當然最早的計算機並沒有設計的那個可程式化。當時所謂的「重寫程式」很可能指的是紙筆設計程式步驟，接着制訂工程細節，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。藉着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。 馮紐曼架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。但隨着索引暫存器與間接位置存取變成硬件架構的必備機制後，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棄揚，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[1]；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件就辦不到。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，除了下列將述的馮紐曼瓶頸之外，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件的出現。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。