計(jì)算機(jī)原理之圖靈機(jī)與馮諾依曼機(jī)

1、計(jì)算機(jī)原理之圖靈機(jī)與馮諾依曼機(jī) 計(jì)算機(jī)科學(xué)班 邊敬云，劉迎春，曹曄一、馮諾依曼機(jī)馮諾伊曼結(jié)構(gòu)，也稱普林斯頓結(jié)構(gòu)，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)概念結(jié)構(gòu)。 馮諾依曼機(jī)由一個(gè)同時(shí)存放指令和數(shù)據(jù)的主存儲器、一個(gè)二進(jìn)制的算邏運(yùn)算部件、一個(gè)解釋存儲器中的指令并能控制指令執(zhí)行的程序部件以及由控制部件操作的I/O設(shè)備，因此被稱為存儲程序型計(jì)算機(jī)。馮諾依曼首次提出了三大概念：1.五大組成部件：輸入設(shè)備，輔存儲器，主存儲器，運(yùn)算器，控制器，輸出設(shè)備。采用二進(jìn)制。存儲程序。但是將CPU與存儲器分開并非十全十美，反而會導(dǎo)致一些問題，也就是所謂的馮諾伊曼瓶頸：在CPU與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸率

2、與存儲器的容量相比起來相當(dāng)小，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)傳輸率與CPU的工作效率相比之下非常小，在某些情況下（當(dāng)CPU需要在巨大的數(shù)據(jù)上運(yùn)行一些簡單指令時(shí)），數(shù)據(jù)傳輸率就成了整體效率非常嚴(yán)重的限制。CPU將會在數(shù)據(jù)輸入或輸出存儲器時(shí)閑置。由于CPU速度遠(yuǎn)大于存儲器讀寫速率，因此瓶頸問題越來越嚴(yán)重。（但后來這個(gè)問題被高速緩存解決了?。T諾依曼結(jié)構(gòu)還將運(yùn)算器和存儲器分開，則意味著存儲器和運(yùn)算器之間的傳輸通道的速率必須高于運(yùn)算器的速度，否則運(yùn)算器會處于等待狀態(tài)，提高了技術(shù)上的難度。二、圖靈機(jī)圖靈機(jī)，是在1936年提出的一種抽象HYPERLINK /w/index.php?title=計(jì)算模型&action

3、=edit&redlink=1計(jì)算模型，其更抽象的意義為一種HYPERLINK /w/index.php?title=數(shù)學(xué)邏輯機(jī)&action=edit&redlink=1數(shù)學(xué)邏輯機(jī)，可以看作等價(jià)于任何有限邏輯數(shù)學(xué)過程的終極強(qiáng)大邏輯機(jī)器。僅是解決數(shù)學(xué)問題的理想化機(jī)器。圖靈的基本思想是用機(jī)器來模擬人們用紙筆進(jìn)行HYPERLINK /wiki/數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)運(yùn)算的過程，他把這樣的過程看作下列兩種簡單的動作：在紙上寫上或擦除某個(gè)符號；把注意力從紙的一個(gè)位置移動到另一個(gè)位置；而在每個(gè)階段，人要決定下一步的動作，依賴于當(dāng)前所關(guān)注的紙上某個(gè)位置的符號和當(dāng)前思維的狀態(tài)。為了模擬人的這種運(yùn)算過程，圖靈構(gòu)造出一臺假想

4、的機(jī)器，該機(jī)器由以下幾個(gè)部分組成：1、一條無限長（理想化）的紙帶。紙帶被劃分為一個(gè)接一個(gè)的小格子，每個(gè)格子上包含一個(gè)來自有限字母表的符號，還有字母表中特殊的符號表示空白。紙帶上的格子從左到右依次被編號為0, 1, 2, .，紙帶的右端可以無限伸展（理想化）。2、一個(gè)讀寫頭HEAD。該讀寫頭可以在紙帶上左右移動，它能讀出當(dāng)前所指的格子上的符號，并能改變當(dāng)前格子上的符號。3、一套控制規(guī)則TABLE。它根據(jù)當(dāng)前機(jī)器所處的狀態(tài)以及當(dāng)前讀寫頭所指的格子上的符號來確定讀寫頭下一步的動作，并改變狀態(tài)寄存器的值，令機(jī)器進(jìn)入一個(gè)新的狀態(tài)。4、一個(gè)狀態(tài)寄存器。它用來保存圖靈機(jī)當(dāng)前所處的狀態(tài)。圖靈機(jī)的所有可能狀態(tài)的

5、數(shù)目是有限的，并且還有一個(gè)特殊的狀態(tài)，稱為停機(jī)狀態(tài)。這個(gè)機(jī)器的每一部分都是有限的，但它有一個(gè)潛在的無限長的紙帶，因此這種機(jī)器只是一個(gè)理想的設(shè)備。圖靈認(rèn)為這樣的一臺機(jī)器就能模擬人類所能進(jìn)行的任何計(jì)算過程。其實(shí)圖靈機(jī)最重要的還是限輸入、有限控制、有限狀態(tài)的想法?，F(xiàn)代電腦也包含圖靈機(jī)的原理，實(shí)際上還是從圖靈機(jī)發(fā)展過來的，因?yàn)镃PU能充當(dāng)圖靈機(jī)里的控制規(guī)則、狀態(tài)寄存器，是CPU解決這兩個(gè)問題，附帶的，CPU還能解決下面的問題：（1）對外提供運(yùn)算功能；（2）設(shè)計(jì)“紙帶”訪問方法；（3）控制規(guī)則，按照什么規(guī)則找到紙帶上的輸入，并輸出到紙帶；異同圖靈機(jī)馮諾依曼機(jī)相同點(diǎn)都是串行的，并且有順序性，具有存儲結(jié)構(gòu)，

6、都能提供運(yùn)算功能，可以設(shè)置計(jì)算規(guī)則。不同點(diǎn)只能進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算理想型的計(jì)算機(jī) 是一個(gè)整體注重過程步驟字母表示是一臺真正意義上的計(jì)算機(jī)非理想型分成了很多部分注重結(jié)果二進(jìn)制碼表示四、繼承 圖靈機(jī)模型是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)重要理論，但并不是計(jì)算機(jī)模型，而是數(shù)學(xué)模型。馮諾依曼是在圖靈的基礎(chǔ)上提出了最早的計(jì)算機(jī)模型，馮諾依曼機(jī)是通用型的圖靈機(jī)?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)中，做大量的“運(yùn)算器”、“控制器”、“存儲器”、“輸入設(shè)備”、“輸出設(shè)備”的廠商都是脫胎于馮諾依曼的模型。展望未來計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)未來的計(jì)算機(jī)應(yīng)該是智能化的，有可能更偏向于人工智能的機(jī)器人。進(jìn)行其他微處理器體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)技術(shù)的研究，主要包括：超長指令字（VLIW

7、）、單芯片多處理器、多線程超標(biāo)量、處理器存貯器耦合等。遇到的問題：圖靈機(jī)的控制規(guī)則是指它根據(jù)當(dāng)前機(jī)器所處的狀態(tài)以及當(dāng)前讀寫頭所指的格子上的符號來確定讀寫頭下一步的動作，并改變狀態(tài)寄存器的值，令機(jī)器進(jìn)入一個(gè)新的狀態(tài)。那么格子中存儲的是指向應(yīng)該進(jìn)行的下一步的運(yùn)算步驟的指示還是這一步的計(jì)算過程？圖靈機(jī)中有一個(gè)狀態(tài)寄存器。它用來保存圖靈機(jī)當(dāng)前所處的狀態(tài)。圖靈機(jī)的所有可能狀態(tài)的數(shù)目是有限的，并且還有一個(gè)特殊的狀態(tài)，稱為停機(jī)狀態(tài)。狀態(tài)寄存器是指記錄現(xiàn)在的還是以前的都能一起記?。渴遣皇菆D靈機(jī)的存儲器特點(diǎn)？3、圖靈認(rèn)為這樣的一臺機(jī)器就能模擬人類所能進(jìn)行的任何計(jì)算過程。到底可不可以？感覺好像不可以。參考資料：H

8、YPERLINK /wiki/Von_Neumann_architecturewiki-馮諾依曼結(jié)構(gòu)HYPERLINK /wiki/Turing_machinewiki-圖靈機(jī)Tag Archives，圖靈機(jī)，馮諾依曼，CISCI，RISC，計(jì)算機(jī)基本理論HYPERLINK /content/dam/www/public/us/en/documents/manuals/64-ia-32-architectures-software-developer-vol-1-manual.pdfIntel 64 and IA-32 Architectures Software Developers Manual Volume 1:Basic Architecture,Chapter 5 Instruction Set Summary.HYPERLINK .tw/cyy/courses/assembly/07fall/assignments/final/reports/CISC_RISC.pdfThe comparison between CISC&RISC CPU instruction set內(nèi)容總結(jié)（1）計(jì)算機(jī)原理之圖靈機(jī)與馮諾依曼機(jī) 計(jì)算機(jī)科學(xué)班 邊敬云，劉迎春，曹曄一、