4-计算的自动化3课件

计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论u 可计算性与图灵u ENIAC第一台数字电子计算机u 冯诺依曼与计算机体系结构 冯诺依曼其人 冯诺依曼介入ENIAC的改进前后 冯诺依曼体系结构要点 冯诺依曼体系结构的意义 冯诺依曼体系结构的不足u 计算机体系结构的发展u 计算机系统及其相关学科第4章 计算的自动化计算机硬件计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼介入ENIAC改进前后1944年夏，戈德斯坦在阿贝丁车站等候去费城的火车，偶然邂逅闻名世界的大数学家冯诺依曼教授。戈德斯坦抓住机会向数学大师讨教，冯诺依曼和蔼可亲，耐心地回答戈德斯坦的提问。听着听着，他敏锐地从这些数学问题里，察觉到不寻常事情。他反过来向戈德斯坦发问，直问得年轻人“好像又经历了一次博士论文答辩”。最后，戈德斯坦毫不隐瞒地告诉他莫尔学院的电子计算机项目。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼介入ENIAC改进前后从1940年起，冯诺依曼就是阿贝丁试炮场的顾问，计算问题也曾使数学大师焦虑万分。他向戈德斯坦表示，希望亲自到莫尔学院看看那台正在研制之中的机器。从此，冯 诺依曼成为了莫尔小组的实际顾问，与小组成员频繁地交换意见。年轻人机敏地提出各种设想，冯诺依曼则运用他渊博的学识，把讨论引向深入，并逐步形成电子计算机的系统设计思想。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼介入ENIAC改进前后 在ENIAC尚未投入运行前，冯诺依曼就看出这台机器致命的缺陷，主要弊端是程序与计算两分离。程序指令存放在机器的外部电路里，需要计算某个题目，必须首先用人工接通数百条线路，需要几十人干好几天之后，才可进行几分钟运算。他明确指出：一定要彻底实现程序由外存储向内存储的转化，所有程序指令都用内在记忆的方式存储在磁带上以电子的速度运行。原有的设计必须作修改，经费不够再追加。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼介入ENIAC改进前后 因实际工作中对计算的需要以及把数学应用到其他科学问题的强烈愿望，使诺伊曼迅速决定投身到计算机研制者的行列。对业已功成名就的诺伊曼来说，这样做需要极大的勇气，因为这是一个成败未卜的新征途，一旦失败，会影响他已取得的名誉和地位。诺伊曼却以对新事物前途的洞察力，毅然决然地向此征途迈出了第一步，于1944年8月加入莫尔计算机研制小组，为计算机研制翻开了辉煌的一页。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼介入ENIAC改进前后 冯诺依曼决定起草一份新的设计报告，对电子计算机进行脱胎换骨的改造。他把新机器的方案命名为“离散变量自动电子计算机”，英文缩写是“EDVAC”(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼介入ENIAC改进前后 诺伊曼以其非凡的分析、综合能力及雄厚的数理基础，集众人之长，提出了一系列优秀的设计思想，在他和莫尔小组其他成员的共同努力下，只经历了短短的十个月，人类在数千年中积累起来的科学技术文明，终于结出了最激动人心的智慧之花一个全新的存储程序通用电子计算机方案（EDVAC方案）诞生了。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼介入ENIAC改进前后 1945年6月，冯 诺依曼与戈德斯坦、勃克斯等人，联名发表了一篇长达101页纸的报告，即计算机史上著名的“101页报告”，直到今天，仍然被认为是现代电脑科学发展里程碑式的文献。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼介入ENIAC改进前后 冯诺依曼在报告中提出的主要建议有四个方面：（1）将十进位改为二进位；（2）建立多级存储结构，由它容纳并指令程序；（3）机器要处理的程序和数据，均由二进制数码表示；（4）采用并行计算原理，即对一个数的各位同时进行处理 报告明确规定出计算机的五大部件，并用二进制替代.十进制运算。EDVAC方案的革命意义在 于“存储程序”，以便电脑自动依次执行指令。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼介入ENIAC改进前后 由于种种原因，莫尔小组发生令人痛惜的分裂，EDVAC机器无法被立即研制。1946年6月，冯诺依曼和戈德斯坦、勃克斯回到普林斯顿大学高级研究院，先期完成了另一台 ISA电子计算机电子计算机（ISA是高级研究院的英文缩写），普林斯顿大学也成为电子计算机的研究中心。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼介入ENIAC改进前后 直到1951年，在极端保密情况下，冯诺依曼主持的EDVAC计算机计算机才宣告完成，它不仅可应用于科学计算，而且可用于信息检索等领域，主要缘于“存储程序”的威力。EDVAC只用了3563只电子管和1万只晶体二极管，以1024个44比特水银延迟线来储存程序和 数据，消耗电力和占地面积只有ENIAC的1/3。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼体系结构要点 “电子计算机之父”的桂冠，被戴在数学家 冯冯诺依曼诺依曼头上，而不是ENIAC的两位实际研究者，这是因为冯诺依曼提出了现代电脑的体系结构：运算器运算器；控控制器制器；存储器存储器；输入输入；输出输出。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼体系结构要点冯诺依曼提出的现代计算机的体系结构控制器负责程序和指令的解释及执行，指挥全系统的工作；运算器对数据进行加工和运算；存储器负责程序、数据信息的存储和管理；输入和输出与用户打交道，负责提交用户的需求和输出计算结果。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼体系结构-硬件基本构成硬件基本构成运算器运算器输输入入设设备备存储器存储器控制器控制器输输出出设设备备CPUCPU由很多逻辑电路组成。当由很多逻辑电路组成。当控制器把数据带给控制器把数据带给ALUALU后，后，它能根据指令完成算术运它能根据指令完成算术运算或逻辑运算。算或逻辑运算。时序电路和逻辑电路组成，负责从存储时序电路和逻辑电路组成，负责从存储器中取出指令，确定指令的类型并对指器中取出指令，确定指令的类型并对指令进行译码，控制整个计算机系统一步令进行译码，控制整个计算机系统一步一步地完成各种操作。一步地完成各种操作。计算机的记忆部件。计算机中的全部信息，包计算机的记忆部件。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息控制器指定的位置存入和取出信息输入要计算的数据输入要计算的数据以及计算程序。以及计算程序。输出程序运行输出程序运行的结果的结果计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论运算器和控制器运算器又称为算术逻辑单元（ALU），它由很多逻辑电路组成。当控制器把数据带给ALU后，它能根据指令完成算术运算或逻辑运算。控制器由时序电路和逻辑电路组成，它的任务是负责从存储器中取出指令，确定指令的类型并对指令进行译码，控制整个计算机系统一步一步地完成各种操作。随着技术的发展，运算器和控制器现在一般都做在一个集成块中，合称为中央处理机（CPU）。那么计算机中的各种控制和运算便都由CPU来完成，因此，人们把CPU称为计算机的心脏。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论存储器存储器一般分为主存储器（内存）、辅助存储器（外存）和高速缓冲存储器（cache）3大类。内存内存一般安装在主机板上，根据材料和工作原理的不同，内存可分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种。控制器和运算器只能接受在内存中存放的指令和数据。特点：存储容量小、存取速度快、位价格适当。使用的器件：微型计算机多数采用半导体动态存储器，写作DRAM。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论存储器辅助存储器：辅助存储器：存放当前不参与运行的程序和数据。它与主存储器交换信息。当需要时，将参与运行的程序和数据调入主存：或将主存中的信息转来保存。特点：容量大、存取速度慢、位价格低。存储的信息能够长期保留。常用的外存储器：磁盘、磁带、光盘等。n高速缓冲存储器：高速缓冲存储器：n存放正在运行的一小段程序和数据。它在CPU与主存储器之间不停地进行程序和数据交换，把需要的内容调入，用过的内容返还。n特点：存储容量很小、存取速度很快、位价格高。存储信息不能长期保留。n使用的器件：采用半导体静态存储器，写作SRAM。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论输入输出设备输入输出设备常用的输入设备：鼠标、键盘、扫描仪、电子摄像头、光盘驱动器等常用的输出设备：显示器、打印机、音箱、耳机、绘图仪、磁记录设备计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼体系结构-二进制系统二进制系统冯诺依曼在他的101页报告中明确提出机器必须采用二进制数制来表示指令和数据，以充分发挥电子器件的工作特点，使结构紧凑且更通用化。事实上，人们通过分析证明，发现计算机采用二进制的原因除了冯诺依曼所说的理由外，还有很多，总结起来，有以下5点：采用二进制保存数码最为经济；二进制只需用两种状态表示数字，容易实现；二进制的运算规则简单；用二进制容易实现逻辑运算；二进制的弱点可以克服。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼体系结构-二进制系统二进制系统 二进制只需用两种状态表示数字，容易实现。计算机是由电子元器件构成的，二进制在电气、电子元器件中最易实现。它只有两个数字，用两种稳定的物理状态即可表达，而且稳定可靠。比如继电器的开与关，磁化与未磁化，晶体管的载止与导通（表现为电平的高与低）等。而若采用十进制，则需用十种稳定的物理状态分别表示十个数字，不易找到具有这种性能的元器件。即使有，其运算与控制的实现也极复杂。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼体系结构-二进制系统二进制系统二进制的运算规则简单十进制的加法和乘法运算规则的口诀各有100条，根据交换率去掉重复项，也各有55条。相比之下，二进制的算术运算规则非常简单，加法、乘法各仅四条：0000000110101011001110 111 根据交换率去掉重复项，实际各仅3条。用计算机的脉冲数字电路是很容易实现的。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼体系结构-二进制系统二进制系统用二进制容易实现逻辑运算计算机不仅需要算术运算功能，还应具备逻辑运算功能，二进制的0，1分别可用来表示假（false）和真（true），用布尔代数的运算法则很容易实现逻辑运算。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼体系结构-二进制系统二进制系统二进制的弱点可以克服二进制主要的弱点是表示同样大小的数值时，其位数比十进制或其它数制多得多，难写难记，因而在日常生活和工作中是不便使用的。但这个弱点对计算机而言，并不构成困难。在计算机中每个存储记忆元件（比如由晶体管组成的触发器）可以代表一位数字，“记忆”是它们本身的属性，不存在“记不住”或“忘记”的问题。至于位数多，只要多排列一些记忆元件就解决了，鉴于集成电路芯片上元件的集成度极高，在体积上不存在问题。对于电子元、器件，0 和1 两种状态的转换速度极快，因而运算速度是很高的。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼体系结构-程序存储程序存储 ENIAC的主要弊端是程序与计算两分离：程序指令存放在机器的外部电路里，需要计算某个题目，必须首先用人工接通数百条线路，需要几十人干好几天之后，才可进行几分钟运算。在冯诺依曼提出的计算机体系结构中，程序和数据存入同一存储器，计算机能够以电子的速度获取指令，然后自动一条接着一条地依次执行指令，再也不必去接通什么线路。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼体系结构-硬件基本构成硬件基本构成冯诺依曼体系结构的计算机的工作过程：通过输入设备将原始数据和程序送入到存储器；控制器从存储器中依次取出指令，并分析其操作码；根据操作码决定其操作，并根据地址码取出相应的操作数送往运算器；当运算器运算完毕后，将结果送至输出设备输出。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼体系结构的意义“冯诺依曼机”，其中心就是有存储程序原则指令和数据一起存储。这个概念被誉为计算机发展史上的一个里程碑。它标志着电子计算机时代的真正开始，指导着以后的计算机设计。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼体系结构的不足 从本质上讲，冯.诺依曼体系结构的属性就是二个一维性，即一维的计算模型一维的计算模型和一维的存储模型一维的存储模型。而正是这二个一维性，成就了现代计算机的辉煌，也限制了计算机的进一步的发展。（1）软硬件完全分离造成冯诺依曼语义间隔（2）“指令串行执行并由控制器加以集中控制”限制了并行性的发展（3）“单元定长的一维线性空间的存储器”限制了并行性的发展（4）CPU存储器之间存在瓶颈（5）复杂数据结构必须经过映像存放计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构-非诺依曼化非诺依曼化 近年来人们谋求突破传统冯诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非诺依曼化。对所谓非诺依曼化的探讨仍在争议中，一般认为它表现在以下三个方面的努力。（1）在冯诺依曼体制范畴内，对传统冯诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。这些方向已比较成熟，成为标准结构；（2）用多个冯诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。这方面的研究目前比较活跃；（3）从根本上改变冯诺依曼机的控制流驱动方式。例如，采用数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行地执行。这是真正非诺依曼化的计算机，它为并行处理开辟了新的前景，但由于控制的复杂性，仍处于实验探索之中。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼其人1903年出生于匈牙利首都布达佩斯，父亲是一个银行家，家境富裕，十分注意对孩子的教育。11岁上中学后，他的老师就对他卓异的数学禀赋惊叹不已，向他父亲建议，让小诺依曼退学回家，聘请大家教授来当家庭教师。6岁能心算8位数除法，8岁学会微积分，12岁读懂了函数论。通过刻苦学习，在17岁那年，他发表了第一篇数学论文，不久后掌握七种语言，又在最 新数学分支集合论、泛函分析等理论研究中取得突破性进展。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼其人1914年夏天，进入了大学预科班学习，是年7月28日，奥匈帝国借故向塞尔维亚宣战，揭开了第一次世界大战的序幕。由于战争动乱连年不断，冯诺依曼全家离开过匈牙利，以后再重返布达佩斯。当然他的学业也会受到影响。但是在毕业考试时，冯诺依曼的成绩仍名列前茅。1921年，冯诺依曼通过成熟考试时，已被大家当作数学家了。他的第一篇论文是和菲克特合写的，那时他还不到18岁。麦克斯由于考虑到经济上原因，请人劝阻年方17的冯诺依曼不要专攻数学，后来父子俩达成协议，冯诺依曼便去攻读化学。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼其人其后的四年间，冯诺依曼在布达佩斯大学注册为数学方面的学生，但并不听课，只是每年按时参加考试。与此同时，冯诺依曼入柏林大学(1921年)，1923年又进入瑞士苏黎世联邦工业大学学习化学。1926年他在苏黎世的获得化学方面的大学毕业学位，通过在每学期期末回到布达佩斯大学通过课程考试，他也获得了布达佩斯大学数学博士学位。冯诺依曼的这种不参加听课只参加考试的求学方式，当时是非常特殊的，就整个欧洲来说也是完全不合规则的。但是这不合规则的学习方法，却又非常适合冯诺依曼。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼其人逗留在苏黎世期间，冯诺依曼常常利用空余时间研读数学、写文章和数学家通信。在此期间冯诺依曼受到了希尔伯特和他的学生施密特和外尔的思想影响，开始研究数理逻辑。当时外尔和波伊亚两位也在苏黎世，他和他们有过交往。一次外尔短期离开苏黎世，冯诺依曼还代他上过课。聪明的智慧加上得天独厚的栽培，冯诺依曼在茁壮地成长，当他结束学生时代的时候，他已经漫步在数学、物理、化学三个领域的某些前沿。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼其人1926年春，冯诺依曼到哥廷根大学任希尔伯特的助手。19271929年，冯诺依曼在柏林大学任兼职讲师，期间他发表了集合论、代数和量子理论方面的文章。l927年冯诺依曼到波兰里沃夫出席数学家会议，那时他在数学基础和集合论方面的工作已经很有名气。1929年，冯诺依曼转任汉堡大学兼职讲师。1930年他首次赴美，成为普林斯顿大学的客座讲师。善于汇集人才的美国不久就聘冯诺依曼为客座教授。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼其人冯诺依曼曾经算过，德国大学里现有的和可以期待的空缺很少，照他典型的推理得出，在三年内可以得到的教授任命数是三，而参加竞争的讲师则有40名之多。在普林斯顿，冯诺依曼每到夏季就回欧洲，一直到1933年担任普林斯顿高级研究院教授为止。当时高级研究院聘有六名教授，其中就包括爱因斯坦，而年仅30岁的冯诺依曼是他们当中最年轻的一位。在高等研究院初创时间，欧洲来访者会发现，那里充满着一种极好的不拘礼节的、浓厚的研究风气。教授们的办公室设置在大学的优美大厦里，生活安定，思想活跃，高质量的研究成果层出不穷。可以这样说，那里集中了有史以来最多的有数学和物理头脑的人才。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼其人1930年冯诺依曼和玛丽达柯维斯结婚。1935年他们的女儿玛丽娜出生在普林斯顿。冯诺依曼家里常常举办时间持续很长的社交聚会，这是远近皆知的。1937年冯诺依曼与妻子离婚，1938年又与克拉拉丹结婚，并一起回普林斯顿。丹随冯诺依曼学数学，后来成为优秀的程序编制家。与克拉拉婚后，冯诺依曼的家仍是科学家聚会的场所，还是那样殷勤好客，在那里人人都会感到一种聪慧的气氛。二次大战欧洲战事爆发后，冯诺依曼的活动越出了普林斯顿，参与了同反法西斯战争有关的多项科学研究计划。1943年起他成了制造原子弹的顾问，战后仍在政府诸多部门和委员会中任职。1954年又成为美国原子能委员会成员。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼其人冯诺依曼的多年老友，原子能委员会主席斯特劳斯曾对他作过这样的评价：从他被任命到1955年深秋，冯诺依曼干得很漂亮。他有一种使人望尘莫及的能力，最困难的问题到他手里。都会被分解成一件件看起来十分简单的事情，用这种办法，他大大地促进了原子能委员会的工作。计算机科学与技术概论计算机科学与技术概论冯诺依曼其人冯诺依曼的健康状况一直很好，可是由于工作繁忙，到1954年他开始感到十分疲劳。1955年的夏天，X射线检查出他患有癌症，但他还是不停的工作，病势扩展。后来他被安置在轮椅上，继续思考、演说及参加会议。长期而无情的疾病折磨着他，慢慢地终止了他所有的活动。1956年4月，他进入华盛顿的沃尔特里德医院，1957年2月8日在医院逝世，享年53岁。