机器级程序的存储与执行

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1、六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习大学计算机-计算思维导论六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习第4讲 冯.诺依曼计算机： 机器级程序及其执行战德臣 教授3/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习基本目标: 理解程序及其硬件实现思维基本思

2、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4/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习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5/37六年级数学上册课件

3、-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习图灵及其贡献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，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

4、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6/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习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100011101100110101100010110101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7/37六年级数学

5、上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习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00010000100011u 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”,

6、 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: 011110110111011100u 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8/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习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

7、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9/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习图灵机模型示例。 (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

8、灵机的思想与模型简介 1.3 图灵机是什么?战德臣 教授10/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习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

9、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11/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习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12/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云

10、港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习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，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(V

11、on.Neumann)计算机战德臣 教授13/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习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14/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习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

12、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”，强调部件连接后的整体性、协同性战德臣 教授15/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习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 (1

13、1)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16/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习计算机的基本部件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

14、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17/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习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

15、拟：程序的硬件执行过程内容提要战德臣 教授18/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习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19/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代

16、生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习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20/37六年级数学上册课件-比的基本性质和化简比江苏省连云港市田家炳中学高一生物现代生物进化理论的主要内容课件八一建军节主题教育活动PPT模板军队国防改革强军梦学习二极管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) 11 101011001 0111 11100000101存储器内部的实现示例2-4地址译码器3.自动存