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1、1/38 基本目标: 理解程序及其硬件实现思维 基本思维：机器级算法与程序机器指令与指令系统存储器存储程序运算器与控 制器机器级程序的执行；算法程序化程序指令化指令存储化执行信号化 内容提要 2/38 图灵机的思想与模型简介 -图灵的贡献 -图灵机：计算机的理论模型 -指令、数据、程序与程序执行 冯.诺依曼计算机：机器级程序及其执行 2.2.1 图灵机的思想与模型简介 3/38 图灵及其贡献 u图灵(Alan Turing, 19121954)，出生于英国伦敦，19 岁入 剑桥皇家学院，22 岁当选为皇家学会会员。 u1937 年，发表了论文论可计算数及其在判定问题中的应用 ，提出了图灵机模型
2、，后来，冯诺依曼根据这个模型设计 出历史上第一台电子计算机。 u1950 年，发表了划时代的文章：机器能思考吗?,成为了人 工智能的开山之作。 u计算机界于1966年设立了最高荣誉奖：ACM 图灵奖。 图灵是谁? 你能查阅一下哪些人获得图灵奖了吗？ 因为什么贡献而获奖呢？ 4/38 u所谓计算就是计算者(人或机器)对一条两端可无限延长的纸带上的一串 0或1，执行指令一步一步地改变纸带上的0或1，经过有限步骤最后得到 一个满足预先规定的符号串的变换过程。 计算 10001110110 0110101 10001 0110101 由“程序”控制， 一步步将输入“ 转换”为输出 输入输出 程 序 通
3、用机器 图灵认为什么是计算? 5/38 图灵机的思想 是关于数据、指令、程序及程序/指令自动执行的基本思想。 u 输入被制成一串0和1的纸带，送入机器中-数据。如00010000100011 u 机器可对输入纸带执行的基本动作包括：“翻转0为1”，或 “翻转1为0”, “前移一 位”, “停止”。 u 对基本动作的控制-指令，机器是按照指令的控制选择执行哪一个动作，指令也可以 用0和1来表示：01表示“翻转0为1”(当输入为1时不变)，10表示“翻转1为0”(当输入0时 不变), 11表示“前移一位”, 00表示“停止”。 u 输入如何变为输出的控制可以用指令编写一个程序来完成, 如: 011
4、110110111011100 u 机器能够读取程序，按程序中的指令顺序读取指令， 读一条指令执行一条指令。由此实现自动计算。 6/38 u 基本的图灵机模型为一个七元组,如右图示意 u 几点结论: u(1) 图灵机是一种思想模型，它由一个控制器(有 限状态转换器)，一条可无限延伸的带子和一个在 带子上左右移动的读写头构成。 u(2) 程序是五元组形式 的指令集。其定义了机器在一个特定状态q下从方 格中读入一个特定字符X时所采取的动作为在该方 格中写入符号Y, 然后向右移一格R (或向左移一格 L或不移动N), 同时将机器状态设为p供下一条指令 使用。 图灵机是什么? 图灵机模型 7/38 图
5、灵机模型示例。 (注:圆圈内的是状态，箭线上的是 ，其含义见前页) 执行过程 功能：将一串1的后面再加一位1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 控制器 (S1,0,0,R,S1) (S1,1,1,R,S2) (S2,1,1,R,S2) (S2,0,1,L,S3) (S3,1,1,L,S3) (S3,0,0,N,S4) S1 S2 S3S4 1,1,R 1,1,R 0,1,L 1,1,L 0,0,N S1：开始状态 S2：右移状态 S3：左移状态 S4：停机状态 0,0,R 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 (S1,0,0,R,S1) (S1,1,1,R,
6、S2) 0 0 1 1 1 1 0 0 0 (S2,1,1,R,S2) 0 0 1 1 1 1 0 0 0 (S2,0,1,L,S3) 0 0 1 1 1 1 1 0 0 (S3,1,1,L,S3) 0 0 1 1 1 1 1 0 0 (S3,0,0,N,S4) 8/38 几点结论(续): u(3)图灵机模型被认为是计算机的基本理论模型 -计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。图灵机是一种离散的、有 穷的、构造性的问题求解思路，一个问题的求解可以通过构造其图灵机(即程 序)来解决。 u(4)图灵认为：凡是能用算法方法解决的问题也一定能用图灵机解决; 凡是 图灵机解决不了的问题任何算法也
7、解决不了-图灵可计算性问题。 9/38 冯.诺依曼计算机: 思想与构成 -存储程序原理 -冯.诺依曼计算机的构成 冯.诺依曼计算机：机器级程序及其执行 2. 2. 2 冯.诺依曼计算机: 思想与构成 10/38 u19441945年间，冯.诺伊曼提出 “存储程序”的计算机设计思想，并进 行了实践，现代计算机普遍来讲属于冯.诺伊曼机体系。 u冯.诺伊曼机的基本思想： l运算和存储分离 l存储程序：指令和数据以同等地位事先存于存储器, 可按地址寻访, 连续自动执行 。 l五大部件构成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备 l指令和数据用二进制表示，指令由操作码和地址码组成 l以运算器为中心，
8、控制器负责解释指令，运算器负责执行指令 什么是冯.诺依曼计算机? 冯.诺依曼(Von.Neumann)计算机 11/38 以运算器为中心的冯.诺依曼计算机构成图 冯.诺依曼计算机的结构是怎样的? 部件有哪些? 部件的关系怎样? 12/38 以存储器为中心的现代计算机构成图 存储器为中心与运算器为中心相比的优点在哪里? 同样是五个部件，以不同的结构来连接，便体现了不同的性能-这就是 “系统”：强调“结构”，强调部件连接后的整体性、协同性 13/38 运算器 存储器控制台控制器 (1) (3) (10) (5) (2)(4)(6) (1)启动控制器工作 (2)发送第1条指令地址 (3)取出指令并分
9、析指令 (4)执行指令：发送操作数x所在地址 (5)执行指令：取出操作数x (10)执行指令：通知运算器计算a乘x (11)继续后续指令的取指、执行 (6)发送下一条指令地址 (7)取出指令并分析指令 (8)执行指令：发送操作数a所在地址 (9)执行指令：取出操作数a (7) (8) (9) 冯.诺依曼计算机的工作原理是怎样的? 工作原理 14/38 计算机的基本部件 uCPU：中央处理单元(Central Process Unit)，将运算器和控制器集成在一块 芯片上，形成微处理器。 uCPU、主存储器、I/O设备及总线成为现代计算机的四大核心部件。 总线 什么是CPU? 现代计算机的几大部
10、件是什么? 现代计算机里面，一个微处理器(芯片)可能包含多个CPU，即多核. 15/38 自动存取：存储器的工作原理 -存储器的自动读写 冯.诺依曼计算机：机器级程序及其执行 2.2.3 自动存取：存储器的工作原理 16/38 存储器的基本结构 存储器电路结构概念图 什么是存储器? 存储器 宿舍楼 存储单元房间 存储位(存0或存1)床位(住人/不住人) 地址编码An-1A0房间号 单元控制线Wi房间钥匙 输出缓冲器公共的走廊及大门 概念映射 从存储器与宿舍楼的概念对比 中，你能发现什么异同吗？ 17/38 存储器内部的实现示例 u当地址线和数据线间连接有 二极管时，则存储的是1，否 则，存储的
11、是0 n当地址线和数据线间连接有 二极管时，由地址线决定其是 输出1或0，即：当地址线为高 电平时，则输出1，而当地址 线为低电平时，则输出0； n没有连接的，则不受地址线 影响，始终输出低电平0； 二极管ROM结构示例 (2位地址控制4个信息单元, 每个信息单元是4位0/1码) 存储器是怎样存储0和1的? 又是怎样控制存取的? 18/38 二极管ROM结构示例 (2位地址控制4个信息单元, 每个信息单元是4位0/1码) 1 1 1 0101 1001 0111 1110 0 0 0 0101 存储器内部的实现示例 2-4地址译码器 0101 19/38 存储矩阵的逻辑控制关系示例 1 1 0
12、 0 1000 0 1 0 1 同一条数据线上各连 接点之间是“或”关系 同一地址线上各连 接点之间是“与”关系 Dj是数据线 Wi是地 址线 地址编码线与地 址线有点连接， 无点不连接 Ak是地址编码线 地址线与数据线 有点连接，无点 不连接 高/低电平信号，即0,1， 通过连接点相互传递 上半区通过“与”关系产生地址 线上的最终信号传递到下半区 D3 = W0 OR W2 D2 = W1 OR W2 OR W3 D1 = W1 OR W2 D0 = W0 OR W1 OR W3 W0 = (NOT A0) AND (NOT A1) W1 = A0 AND (NOT A1) W2 = (NO
13、T A0) AND A1 W3 = A0 AND A1 20/38 用多个存储器芯片可搭建容量更大的存储器 利用4个256x8存储器芯片扩展出1024x8存储器的电路图 半导体存储器芯片示例 存储器芯片容量不够了怎么办? 问：从概念的角度，你能说说存储器扩展要解决什么问题吗? 提示：地址编码空间, 存储字长. 21/38 机器级程序 -机器指令 -机器级算法与程序 冯.诺依曼计算机：机器级程序及其执行 2.2.4 机器级程序 22/38 算法-从冯.诺依曼计算机的角度 u可在机器上执行的求解问题的操作规则及步骤, 被称为可执行的算法。 2.2.4 机器级程序 什么是算法? 问：怎么看待算法节省
14、的步数? -算法需要“优化” 23/38 机器指令 u机器指令是CPU可以直接分析并执 行的指令，一般由0和1的编码表示 。 u指令 操作码 + 地址码； 机器语言 000001 0000000100 000001 0000001100 000001 0000001000 机器指令是怎样的? 24/38 机器级程序 u832+23+6; uax2+bx+c。 怎样用机器指令表达算法? 25/38 高级语言程序的示例 计算ax2+bx+c 其中a,x,b,c是变量。 变量的地址是由编译程序在编译 过程中自动分配的，也即是说编 译器根据当时编译的情况，分配 a,x,b,c为8号，9号，10号，11
15、号 存储单元，并产生上述的机器指 令程序 高级语言程序和机器有什么关系呢? 26/38 机器级程序的执行机制 -运算部件与控制部件 -指令的信号化与节拍化 冯.诺依曼计算机：机器级程序及其执行 2.2.5 机器级程序的执行机制 27/38 计算机各部件内部的简单构成关系 运算器、控制器里面有什么? p寄存器 p算术逻辑部件 p程序计数器PC p指令寄存器 p信号控制器 p时钟与信号发生器 p存储单元地址 p存储单元内容 28/38 u不同的指令，由一组不同的电信号构成 u同一指令的电信号在时钟与节拍的控制下按次序产生与传输 u一条指令占用一个或多个机器周期，一个机器周期又分为多个节拍 u最小的
16、时间区隔单位-时钟周期 指令是怎样被执行的? 指令执行 时钟周期 、节拍与 机器周期 问：机器的“主频”指的是什么? 29/38 机器级程序的执行过程模拟 -程序的硬件执行过程 机器级程序的执行过程模拟 30/38 第1条指令在一个机 器周期内完成。其中 读取和执行 分别在T0、T1和T2、T3 节拍内完成。(示意) 一条指令是怎样被执行的? 一条指令的执行 31/38 一条指令的执行 第1条指令在一个机 器周期内完成。其中 读取和执行 分别在T0、T1和T2、T3 节拍内完成。(示意) 一条指令是怎样被执行的? 32/38 一段程序又是怎样被执行的? 程序中指令的逐条执行 33/38 程序中指令的逐条执行
