冯诺依曼计算机机器级程序及其执行

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1、大学计算机-计算思维导论李旻先minxianli@njust.edu.cn南京理工大学计算机科学与工程学院第3讲冯.诺依曼计算机：机器级程序及其执行理解“程序和数据如何被存储、如何被执行的”，有助于构造和设计可执行的算法和程序，有助于复杂环境下程序执行机制的理解基本目标: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

2、器级程序及其执行2.2.1图灵机的思想与模型简介图灵及其贡献图灵(AlanTuring,1912~1954)，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。1937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。1950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。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？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

3、，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…10001110110011010110001…0110101由“程序”控制，一步步将输入“转换”为输出输入输出程序通用机器图灵认为什么是计算?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。输入被制成一串0和1的纸带，送入机器中----数据。如00010000100011…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”。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

4、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”。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…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。基本的图灵机模型为一个七元组,如右图示意几点结论:(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。(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

5、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1001111000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)S1S2S3S41,1,R1,1,R0,1,L1,1,L0,0,NS1：开始状态S2：右移状态S3：左

6、移状态S4：停机状态0,0,R001111000001111000(S1,0,0,R,S1)(S1,1,1,R,S2)001111000(S2,1,1,R,S2)001111000(S2,0,1,L,S3)001111100(S3,1,1,L,S3)001111100(S3,0,0,N,S4)几点结论(续):(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。(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

7、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。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1944~1945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。冯.诺伊曼机的基本思想：运算和存储分离存储程序：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。五大部件构成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备指令和数据用二进制表示，指令由操作码