冯.诺依曼计算机-机器级程序及其执行.pptVIP

大学计算机-计算思维导论;第3讲 冯.诺依曼计算机：机器级程序及其执行;基本目标: 理解程序及其硬件实现思维;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;图灵及其贡献;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。 ;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1来表示：01表示“翻转0为1”(当输??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q,X,Y,R(或L或N),p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。;;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;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，指令由操作码和地址码组成 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;以运算器为中心的冯.诺依曼计算机构成图;以存储器为中心的现代计算机构成图;运算器;计算机的基本部件 CPU：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。 CPU、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。;自动存取：存储器的工作原理 ----存储器的自动读写; 存储器的基本结构; 存储器内部的实现示例 当地址线和数据线间连接有二极管时，则存储的是1，否则，存储的是0 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； 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) ; 存储矩阵的逻辑控制关系示例;用多个存储器芯片可搭建容量更大的存储器 ;机器级程序 ----机器指令 ----机器级算法与程序;算法---从冯.诺依曼计算机的角度 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。;机器指令 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。 指令 ? 操作码 + 地址码； 机器语言;机器级程序;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号 存储单元，并产生上述的机器指 令程序;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;计算机各部件内部的简单构成关系;不同的指令，由一组不同的电信号构成 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 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 最小的时间区隔单位--时钟周期;机