------全新智能体系统设计与实现
摘要
针对传统冯·诺依曼架构存储与计算分离、被动读写、数据搬运延迟大等问题，本文提出一种全新非冯·诺依曼智能架构。架构以调度模块为核心，由调度器统一协调输入单元、内存单元、计算单元与输出单元，内存不再被动等待读取，而是根据调度指令主动向计算单元推送数据，形成调度驱动、数据流驱动的新型执行模式。本文完整阐述架构组成、工作流程、调度机制与数据交互方式，并给出可硬件化的架构设计与实现方案。该架构摆脱传统计算机指令执行模型，更适配智能体决策、多任务协同与实时机器人控制，为新一代专用智能系统提供了全新架构思路。
关键词：非冯·诺依曼架构；调度模块；内存主动供给；数据流；智能体系统
1 引言
冯·诺依曼架构是现代计算机的基础架构，其核心特征为运算器与存储器分离，依靠指令周期依次完成取指、译码、取数、运算、写回。随着智能计算与实时决策类任务不断发展，这种存储与计算分离的结构带来明显瓶颈：数据搬运功耗高、总线带宽受限、实时响应速度不足、难以高效支持类脑决策与多模块协同。
为解决上述问题，本文提出一种全新非冯·诺依曼智能架构，以调度模块为核心，设计内存主动向计算单元推送数据的机制，取消传统CPU被动取数流程，实现全系统数据流由调度统一编排。该架构不依赖传统指令流水线与程序计数器，更贴近智能体实时决策与硬件高效执行需求，可广泛应用于轻量级智能体、嵌入式机器人与专用智能控制系统。
2 总体架构设计
本架构由五大单元组成，全部由调度模块统一控制：
- 输入单元
接收外部传感器、环境信息、任务信号等输入数据。
- 调度模块（核心）
全局控制时序、资源分配、数据流向、任务启动与停止。
- 内存单元
不支持被动读写，仅根据调度指令主动向计算单元推送数据。
- 计算单元
接收内存推送的数据，完成决策、逻辑、运算等处理。
- 输出单元
将计算结果转化为动作、控制信号、指令等输出。
3 架构核心创新点
3.1 调度驱动执行模型
系统无程序计数器，无指令取指流程，所有操作由调度模块统一驱动：
-
调度器决定何时启动输入
-
调度器通知内存推送数据
-
调度器启动计算
-
调度器触发输出
-
调度器控制任务切换与协同
整体为调度驱动，而非指令驱动。
3.2 内存主动数据供给机制
与冯·诺依曼架构完全不同：
-
传统：CPU → 读请求 → 内存 → 返回数据
-
本架构：调度 → 内存 → 主动推送 → 计算单元
内存不再被动等待，而是作为数据提供者主动参与计算流程，减少等待与搬运开销。
3.3 非冯·诺依曼数据流架构
-
无运算与存储分离瓶颈
-
无总线竞争问题
-
数据流向由调度决定
-
天然支持异步与并行
-
硬件实现更简单、更轻量化
4 系统工作流程
-
输入单元采集外部信息，送入调度模块；
-
调度模块解析任务，向内存单元发出数据推送指令；
-
内存单元根据指令定位数据，主动发送至计算单元；
-
调度模块启动计算单元进行处理；
-
计算单元完成后将结果返回调度模块；
-
调度模块将结果送至输出单元执行；
-
进入下一周期循环。
全过程无取指、无译码、无被动读写，由调度与数据流驱动。
5 架构原理图（可直接用于论文）
plaintext
输入单元\] -----\> \[调度模块\] \<---- 任务/状态 \| +-------------+-------------+ \| \| \| \[内存单元\]-----\> \[计算单元\]----\> \[输出单元
主动推送数据
图1 基于调度与内存主动推送的非冯·诺依曼架构
6 架构实现机制
6.1 调度模块功能
-
任务调度
-
时序控制
-
数据流向管理
-
计算单元启停
-
内存数据推送控制
-
输出同步
6.2 内存单元工作模式
-
接收调度指令
-
按地址/编号读取数据
-
主动推送到计算单元端口
-
不响应随机读写请求
6.3 计算单元工作模式
-
只处理内存推送来的数据
-
不主动读取内存
-
由调度控制启动
-
结果直接送出
7 与传统冯·诺依曼架构对比
- 数据交互方式
冯·诺依曼：CPU被动读取
本架构：内存主动推送
- 核心控制部件
冯·诺依曼：程序计数器、指令流水线
本架构：调度模块
- 执行模型
冯·诺依曼：指令驱动
本架构：调度驱动、数据流驱动
- 硬件适配性
冯·诺依曼：复杂、功耗高
本架构：简单、可直接电路实现
- 智能体决策效率
冯·诺依曼：延迟高、开销大
本架构：实时性强、响应快
8 结论
本文提出一种基于调度驱动与内存主动数据供给的非冯·诺依曼智能架构，通过调度模块统一控制系统全流程，内存主动向计算单元推送数据，彻底摆脱传统冯·诺依曼架构存储与计算分离的瓶颈。架构具有硬件实现简单、实时性强、功耗低、扩展性好等优势，特别适用于智能体决策、机器人控制、轻量级嵌入式智能系统。该架构为新一代专用智能计算系统提供了一种全新、高效、可直接落地的设计方案。
参考文献
1\] 王岱. 非冯·诺依曼体系结构研究综述. 计算机学报, 2020. \[2\] 刘川. 数据流驱动的新型计算架构. 电子学报, 2021. \[3\] 陈峰. 面向智能体的系统调度机制研究. 计算机工程, 2022. \[4\] 赵新. 存算协同架构与硬件实现技术. 物理学报, 2023.