机器级程序的存储与执行教材

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1、大学计算机-计算思维导论 第4讲 冯.诺依曼计算机： 机器级程序及其执行 战德臣 教授 3/37 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 战德臣 教授 4/37 n图灵机的思想与模型简介指令、程序与程序执行 n冯.诺依曼计算机: 思想与构成 n自动存取：存储器的工作原理 n机器级程序：机器指令与机器级算法与程序 n机器级程序的执行机制：运算与控制、指令的信号化节拍化 n机器级程序的执行过程模拟：程序的硬件执行过程 内容提要 战德臣 教授 5/37 图灵及

2、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，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。 1. 图灵机的思想与模型简介 1.1 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？ 战德臣 教授 6/37 u所谓计算就是计算者(人或机器)对一条两端可无限延长

3、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”控制输 入“转换”为输出 输入输出 程 序 通用机器 1. 图灵机的思想与模型简介 1.2 图灵认为什么是计算? 战德臣 教授 7/37 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”

4、。 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: 011110110111011100 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。 1. 图灵机的思想与模型简介 1.2 图灵认为什么是计算? 战德臣 教授 8/37 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

5、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。 1. 图灵机的思想与模型简介 1.3 图灵机是什么? 图灵机模型 战德臣 教授 9/37 图灵机模型示例。 (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 。 1. 图灵机的思想与模型简介 1.3 图灵机是什么? 战

6、德臣 教授 10/37 u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解决不了-图灵可计算性问题。 u(5)这里只是思想性的介绍，更为细致内容需要在形式语言与自动机课程中 学习！ 1. 图灵机的思想与模型简介 1.3 图灵机是什么? 战德臣 教授 11/37 n图灵机的思想与模型简介指令、程序与程序执行 n冯.诺依曼

7、计算机: 思想与构成 n自动存取：存储器的工作原理 n机器级程序：机器指令与机器级算法与程序 n机器级程序的执行机制：运算与控制、指令的信号化节拍化 n机器级程序的执行过程模拟：程序的硬件执行过程 内容提要 战德臣 教授 12/37 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

8、成 l以运算器为中心，控制器负责解释指令，运算器负责执行指令 2.冯.诺依曼计算机: 思想与构成 2.1 什么是冯.诺依曼计算机? 冯.诺依曼(Von.Neumann)计算机 战德臣 教授 13/37 以运算器为中心的冯.诺依曼计算机构成图 2.冯.诺依曼计算机: 思想与构成 2.2 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? 战德臣 教授 14/37 以存储器为中心的现代计算机构成图 2.冯.诺依曼计算机: 思想与构成 2.3 存储器为中心与运算器为中心相比的优点在哪里? 补充：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

9、部件连接后的整体性、协同性 战德臣 教授 15/37 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) 2.冯.诺依曼计算机: 思想与构成 2.4 冯.诺依曼计算机的工作原理是怎样的? 工作原理 战德臣 教授

10、 16/37 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 2.冯.诺依曼计算机: 思想与构成 2.5 什么是CPU? 现代计算机的几大部件是什么? 补充：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 . 战德臣 教授 17/37 n图灵机的思想与模型简介指令、程序与程序执行 n冯.诺依曼计算机: 思想与构成 n自动存取：存储器的工作原理 n机器级程序：机器指令与机器级算法与程序 n机器级程序的执行机制：运算与控

11、制、指令的信号化节拍化 n机器级程序的执行过程模拟：程序的硬件执行过程 内容提要 战德臣 教授 18/37 存储器的基本结构 存储器电路结构概念图 3.自动存取：存储器的工作原理 3.1 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？ 战德臣 教授 19/37 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，则由地址线决定其是1或0， 即：当地址线为高电平时，则为1， 而当地址线为低电平时，则为0。没

12、 有连接的，则不受地址线影响，始 终连接到低电平。 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) 3.自动存取：存储器的工作原理 3.2 存储器是怎样存储0和1的? 又是怎样控制存取的? 战德臣 教授 20/37 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 3.自动存取：存储器的工作原理 3.2 存储器是怎样存储0和1的? 又是怎样控制存取的? 战德臣 教授 21/37 存储矩阵的逻辑控制关系示例 1 1 0

13、 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 3.自动存取：存储器的工作原理 3.2 存储器是怎样存储0和1的? 又是怎样控制存取的? D3 = W0 OR W2 D2 = W1 OR W2 OR W3 D1 = W1 OR W2 D0 = W0 OR W1 OR W3 W0 = (NOT A

14、0) AND (NOT A1) W1 = A0 AND (NOT A1) W2 = (NOT A0) AND A1 W3 = A0 AND A1 战德臣 教授 22/37 存储器芯片的连接 u用多个存储器芯片可搭建容量更大的存储器。 u利用已有芯片搭建更为复杂的电路：计算机的主板电路、声卡、网卡等 利用已有芯片建造的新的电路板 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 3.自动存取：存储器的工作原理 3.3 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. 战德臣 教授 23/37

15、 n图灵机的思想与模型简介指令、程序与程序执行 n冯.诺依曼计算机: 思想与构成 n自动存取：存储器的工作原理 n机器级程序：机器指令与机器级算法与程序 n机器级程序的执行机制：运算与控制、指令的信号化节拍化 n机器级程序的执行过程模拟：程序的硬件执行过程 内容提要 战德臣 教授 24/37 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。 4. 机器级程序 4.1 什么是算法? 问：怎么看待算法节省的步数? -算法需要“优化” 战德臣 教授 25/37 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和的编码表示。 u指令 操

16、作码 + 地址码； u机器语言 000001 0000000100 000001 0000001100 000001 0000001000 4. 机器级程序 4.2 机器指令是怎样的? 战德臣 教授 26/37 机器级程序 u832+23+6; uax2+bx+c。 4. 机器级程序 4.3 怎样用机器指令表达算法? 战德臣 教授 27/37 高级语言程序的示例 计算任一个ax2+bx+c的高级语言程序示例。 其中a,x,b,c等均是变量。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号存储单元。并产生上述 的机器指令程序 4. 机器级程序 4.4 高级语言程序和机器有什么关系呢? 战德臣 教授 28/37 n图灵机的思想与模型简介