《计算机导论》第3章计算机基本工作原理.ppt

《《计算机导论》第3章计算机基本工作原理.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第3章计算机基本工作原理（时间：2次课，4学时）第3章计算机基本工作原理3.1计算的概念3.2冯•诺依曼结构3.3超越冯•诺依曼结构3.4思考题3.1计算的概念3.1.1狭义的计算3.1.2广义的计算3.1.3计算机的计算模型3.1.1狭义的计算计算作为数学的研究对象已有几千年了。计算本身不等于数学，但数学确实是起源于对计算的研究。狭义的计算(传统的计算的概念)，是指数的计算，即通过掌握的数学知识对数进行的一些运算，如加、减、乘、除、三角函数和微积分等等。这也是我们日常生活中所说的计算的概念。3.1.2广义的计算

2、广义的计算，则是指“一个问题有没有方法来解决”。即什么能有效地自动进行？什么不能有效地自动进行？这就是“能行性”的问题。计算可以深入扩展到数学和工程两个领域。即数学为计算提供理论、方法和技术，而工程为实际计算和应用提供可以自动计算的设备，并为更有效地完成计算和应用任务提供工程技术和方法。计算的主要研究问题是怎样判断一类数学问题是否机械可解的。3.1.3计算机的计算模型计算模型是刻画计算这一概念的一种抽象形式系统或数学系统，而算法是对计算过程步骤(或状态)的一种刻画，是计算方法的一种能行实现方式。20世纪30年代是

3、计算模型研究取得突破性进展的时期。哥德尔、丘奇(A.Church)、图灵(A.M.Turing)、波斯特(E.L.Post)等人在研究中陆续提出了一批计算模型，如递归函数、λ演算、图灵机、波斯特系统等，并称这些模型是用算法方法解决问题的极限。图灵提出的形式化的理想计算模型(称为图灵机)深刻地揭示了计算这一本质概念，为可计算理论奠定了基础。3.2冯•诺依曼结构3.2.1“存储程序”原理3.2.2冯•诺依曼结构3.2.3计算机系统组成3.2.1“存储程序”原理1.程序：计算机程序是指预先设定好的，能够在计算机系统中运

4、行的程序。随着科研工作的开展和计算机在各行各业应用的推广，为了提高效率和可靠性，围绕程序的设计、描述、构造、分析、测试和验证等方面，发展了许多技术，它们被统称为程序技术。2.“存储程序”原理将我们根据特定问题编写的程序存放在计算机存储器中，然后按存储器中存储程序的首地址执行程序的第一条指令。以后就按照该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序结束执行。3.2.2冯·诺依曼结构主要由五部分组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。冯·诺伊曼的两项基本原则（1）程序也是数据数据本机存储程序网络存储数据程序浏览器模

5、型（HTML里面加URL）数据本机存储网络存储数据程序程序网络计算模型(代码中加URL)冯·诺伊曼的两项基本原则（2）硬件模型传统计算机网络计算机软件模型与连接技术无关TCP/IP是连接技术InternetHardDiskMemoryRegisters南桥、北桥、…IDE、SCSI、PCI、…TCP/IP、NETBIOS、HTTP、…传统计算机网络计算机层次化存储3.2.3计算机系统组成一个完整的计算机系统应包含硬件系统和软件系统。硬件系统是指组成计算机的物理设备，即由电子器件、机械部件构成的具有输入、输出、处理

6、等功能的实体部件。软件系统是指计算机系统中的程序以及开发、使用和维护程序所形成的文档。图3.2计算机系统的组成3.3超越冯•诺依曼结构3.3.1并行计算3.3.2向量计算机3.3.3生物计算机3.3.4神经计算机3.3.5量子计算机3.3.6三值光计算机3.3.1并行计算（1）并行性所谓并行性是指在同一时刻或在同一时间段内完成两种或两种以上的工作，并行性是指时间上的重叠。严格地说，并行性可分为同时性和并发性两种形式。同时性是指两个或多个事件在同一时刻发生，如书法家左右手同时书写。并发性是指两个或多个事件在同一时间

7、段内发生。3.3.1并行计算（2）并行处理提高计算机性能的措施之一是提高计算机处理的并行性，一般主要是采用“时间重叠”和“资源重叠”的方法。“时间重叠”是指多个处理过程在时间上互相错开，轮流使用一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转，提高计算机的处理速度，采用流水线方式工作的计算机称为流水线计算机系统。“资源重叠”是指采用重复设置硬件设备的方法，即计算机中资源最紧张的设备就使用多个，如多处理器系统。3.3.1并行计算（3）并行计算利用并行计算机系统进行信息的并行处理称为并行计算。并行计算的内容主要包括并行计算方法

8、、并行计算模型、并行算法、并行程序设计、并行测试程序、测试结构分析等等。其中，并行算法是并行处理的研究重点之一。并行算法的目标就是以空间换时间。即通过增加空间的维数和处理器的台数，来换取算法实现所需的时间3.3.2向量计算机（1）标量什么是标量呢？通常我们将程序中所使用的常量、变量或数组等其他结构的每一个元素都称为标量。程序的指令序列称为“标量指令序列”，它的执行过程为“