计算机原理

计算机原理之图灵机与冯诺依曼机计算机科学班 边敬云，刘迎春，曹晔一、冯诺依曼机冯诺伊曼结构，也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器 和数据存储器合并在一起的计算机设计概念结构。冯诺依曼机由一 个同时存放指令和数据的主存储器、一个二进制的算逻运算部件、一 个解释存储器中的指令并能控制指令执行的程序部件以及由控制部 件操作的I/O设备，因此被称为存储程序型计算机。冯诺依曼首次提 出了三大概念：1. 五大组成部件：输入设备，辅存储器，主存储器，运算器，控制器, 输出设备。2. 米用二进制。3. 存储程序。但是将CPU与存储器分开并非十全十美，反而会导致一些问题， 也就是所谓的冯诺伊曼瓶颈：在CPU与存储器之间的数据传输率与 存储器的容量相比起来相当小，在现代计算机中，数据传输率与CPU 的工作效率相比之下非常小，在某些情况下（当CPU需要在巨大的数 据上运行一些简单指令时），数据传输率就成了整体效率非常严重的 限制。CPU将会在数据输入或输出存储器时闲置。由于CPU速度远大 于存储器读写速率，因此瓶颈问题越来越严重。（但后来这个问题被 高速缓存解决了！）冯诺依曼结构还将运算器和存储器分开，则意味 着存储器和运算器之间的传输通道的速率必须高于运算器的速度，否 则运算器会处于等待状态，提高了技术上的难度。二、图灵机图灵机，是在1936年提出的一种抽象计算模型，其更抽象的意义 为一种数学逻辑机，可以看作等价于任何有限逻辑数学过程的终极强 大逻辑机器。仅是解决数学问题的理想化机器。图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他 把这样的过程看作下列两种简单的动作：在纸上写上或擦除某个符号；把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置；而在每个阶段，人要决定下一步的动作，依赖于当前所关注的纸上某 个位置的符号和当前思维的状态。为了模拟人的这种运算过程，图灵 构造出一台假想的机器，该机器由以下几个部分组成：1、一条无限长（理想化）的纸带。纸带被划分为一个接一个的小 格子，每个格子上包含一个来自有限字母表的符号，还有字母表 中特殊的符号表示空白。纸带上的格子从左到右依次被编号为0,1, 2,.，纸带的右端可以无限伸展（理想化）。2、一个读写头HEAD。该读写头可以在纸带上左右移动，它能读出当前所指的格子上的符号，并能改变当前格子上的符号。3、一套控制规则TABLE。它根据当前机器所处的状态以及当前读 写头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状 态寄存器的值，令机器进入一个新的状态。4、一个状态寄存器。它用来保存图灵机当前所处的状态。图灵机 的所有可能状态的数目是有限的，并且还有一个特殊的状态，称 为停机状态 。这个机器的每一部分都是有限的，但它有一个潜在的无限长的纸 带，因此这种机器只是一个理想的设备。图灵认为这样的一台机器就 能模拟人类所能进行的任何计算过程。其实图灵机最重要的还是限输入、有限控制、有限状态的想法。现代电脑也包含图灵机的原理，实际上还是从图灵机发展过来的，因 为CPU能充当图灵机里的控制规则、状态寄存器，是CPU解决这两个 问题，附带的，CPU还能解决下面的问题：(1) 对外提供运算功能；(2) 设计“纸带”访问方法；(3) 控制规则，按照什么规则找到纸带上的输入，并输出到纸带；三、异同图灵机冯诺依曼机相同占都是串行的，并且有顺序性，具有存储结构，都能提供运算 功能，可以设置计算规则。不同占71、只能进行数学计算2、理想型的计算机3、是一个整体4、注重过程步骤5、字母表示1、是一台真正意义上的计算机2、非理想型3、分成了很多部分4、注重结果5、一进制码表示四、继承图灵机模型是计算机领域的一个重要理论，但并不是计算机模型， 而是数学模型。冯诺依曼是在图灵的基础上提出了最早的计算机模 型，冯诺依曼机是通用型的图灵机。现在计算机中，做大量的“运算 器” “控制器” “存储器” “输入设备” “输出设备”的厂商都是脱 胎于冯诺依曼的模型。五、展望未来计算机体系结构1、未来的计算机应该是智能化的，有可能更偏向于人工智能的机器 人。2、进行其他微处理器体系结构及其相关技术的研究，主要包括：超 长指令字（VLIW）、单芯片多处理器、多线程超标量、处理器存贮器 耦合等。六、遇到的问题：1、图灵机的控制规则是指它根据当前机器所处的状态以及当前读写 头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存 器的值，令机器进入一个新的状态。那么格子中存储的是指向应该进 彳丁的下一步的运算步骤的指示还是这一步的计算过程？2、图灵机中有一个状态寄存器。它用来保存图灵机当前所处的状态。 图灵机的所有可能状态的数目是有限的，并且还有一个特殊的状态， 称为停机状态。状态寄存器是指记录现在的还是以前的都能一起记 住？是不是图灵机的存储器特点？3、图灵认为这样的一台机器就能模拟人类所能进行的任何计算过程。 到底可不可以？感觉好像不可以。参考资料1、wiki-冯诺依曼结构2、wiki-图灵机3、Tag Archives，图灵机，冯诺依曼，CISCI, RISC,计算机基本理 论4、Intel 64 and IA -32 Architectures Software Developer s Manual Volume 1:Basic Architecture,Chapter 5 Instruetion Set Summary.5、The comparison between CISC&RISC CPU instruetion set