计算机原理之图灵机与冯诺依曼机
冯诺依曼计算机的基本原理
冯诺依曼计算机的基本原理冯·诺伊曼计算机是由冯·诺伊曼等人在二战期间研制出来的一种计算机。
它采用了存储程序的思想，通过运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等部件组成。
冯·诺伊曼计算机的基本原理包括指令集、存储结构、运算结构、输入输出结构和控制结构。
1.指令集：冯·诺伊曼计算机采用二进制编码形式的指令集，其中每条指令都指定了计算机执行的具体操作。
指令集包括算术运算指令、逻辑运算指令、传输指令和控制指令等，可以通过指令集对数据进行处理和控制计算机的运行。
2.存储结构：冯·诺伊曼计算机采用存储程序的结构，程序和数据存储在同一存储器中，通过地址寻址方式访问。
存储器分为主存和辅助存储器两部分，主存用于存储当前执行的程序和数据，辅助存储器用于存储程序和数据的长期保存。
3.运算结构：冯·诺伊曼计算机的运算结构包括算术逻辑单元(ALU)、寄存器和数据通路等部件。
ALU用于执行算术和逻辑运算，寄存器用于暂时存储运算结果和中间数据，数据通路用于实现数据在各个部件之间的传输。
4.输入输出结构：冯·诺伊曼计算机可以通过输入设备接收外部数据，并通过输出设备输出计算结果。
输入输出结构包括输入输出接口、输入输出控制器和输入输出设备等部件，用于实现计算机与外部设备的通信和数据交换。
5.控制结构：冯·诺伊曼计算机的控制结构包括指令周期和时序控制等部分。
指令周期由取指、译码、执行和写回等阶段组成，用于指导计算机执行指令的操作流程。
时序控制用于管理和调度计算机各个部件的时序关系，保证计算机正常运行。
冯·诺伊曼计算机的基本原理是把程序和数据存储在同一个存储器中，通过指令集对程序进行控制，实现数据的处理和计算。
它的存储结构、运算结构、输入输出结构和控制结构相互配合，实现了计算机的功能和运行。
冯·诺伊曼计算机为后来的计算机发展提供了重要的理论基础和技术参考，对计算机的发展起到了重要的作用。
世界上第一台计算机的诞生阿兰灵和灵机的故事
世界上第一台计算机的诞生阿兰灵和灵机的故事世界上第一台计算机的诞生：阿兰灵和灵机的故事1943年，第二次世界大战期间，人类社会面临着战争给生活带来的种种困扰。
为了提高军队的战斗力，各国纷纷投入研发计算机的工作。
而在这个战火纷飞的背景下，世界上第一台计算机迎来了它的诞生，这台计算机的名字叫做“灵机”。
灵机的诞生得益于两位杰出的科学家阿兰·图灵和约翰·冯·诺伊曼的合作。
阿兰·图灵是一位英国数学家，他是计算机科学的先驱之一。
约翰·冯·诺伊曼是一个德裔美国科学家，他提出了计算机的核心原理之一——存储程序的概念。
阿兰·图灵和约翰·冯·诺伊曼通过他们的合作，推动了计算机科学的发展。
他们的目标是打造一台能够自主学习和执行任务的计算机，使它能够帮助人们解决现实生活中的问题。
然而，在那个时代，技术条件的限制使得他们的计划变得异常困难。
但阿兰·图灵和约翰·冯·诺伊曼并没有放弃，他们决定利用已有的技术和资源来开发一种新型计算机。
他们的第一步是设计一套精确而高效的计算方法。
他们尝试着模拟人类大脑的思考过程，希望计算机能够像人类一样从输入中获取信息，并根据事先设定的规则进行计算。
他们发明了一种被称为“图灵机”的计算模型，这个模型后来成为了现代计算机的基础。
有了计算模型，接下来他们需要的是一台真正的计算机来实现这个模型。
由于当时并没有现成的计算机可供使用，阿兰·图灵和约翰·冯·诺伊曼决定自己动手制造一台。
在拿到计算机硬件之前，阿兰·图灵和约翰·冯·诺伊曼开始专注于编写程序。
他们编写了一系列基本的算法和程序，这些程序是实现图灵机模型所必需的。
通过程序，他们能够模拟出计算机的运行过程，进行算术计算以及其他各种任务。
随着程序的不断完善，终于到了制造计算机硬件的时刻。
冯诺依曼计算机的基本原理
冯诺依曼计算机的基本原理
冯诺依曼计算机是一种基于存储程序的计算机体系结构，它由电子计算机先驱约翰·冯·诺依曼于1945年提出。
该计算机中
的基本原理包括如下几个方面：
1. 存储程序：冯诺依曼计算机将指令和数据以相同的方式存储在内存中，指令被解释器逐条取出并执行。
这种存储程序的方式大大提高了计算机的灵活性和可编程性。
2. 二进制表示：冯诺依曼计算机使用二进制表示数据和指令，将所有数据和指令都转化为二进制形式进行存储和处理。
这种二进制表示的方式简化了计算机硬件的设计和实现。
3. 指令集架构：冯诺依曼计算机使用指令集架构，即将所有的指令按照功能划分为不同的指令集，比如算术运算指令、逻辑运算指令等。
这些指令集可以根据需要组合成各种复杂的程序，实现不同的功能。
4. 存储器层次结构：冯诺依曼计算机中的存储器按照速度和容量的不同划分为不同的层次，包括寄存器、高速缓存、主存等。
这种存储器层次结构能够提高计算机的运行效率和性能。
5. 运算器和控制器：冯诺依曼计算机包括运算器和控制器两个基本部件。
运算器用于执行各种算术、逻辑和数据传输操作，控制器用于解释和执行指令，协调各个部件的工作。
运算器和控制器之间通过数据总线和控制总线进行通信。
6. 串行执行：冯诺依曼计算机中的指令和数据按照顺序依次执行，即串行执行。
这种执行方式简化了计算机的控制逻辑，并且便于指令的重复执行和程序的复用。
综上所述，冯诺依曼计算机的基本原理包括存储程序、二进制表示、指令集架构、存储器层次结构、运算器和控制器以及串行执行等。
这些原理为现代计算机的设计和实现奠定了基础。
第4讲-大学计算机第4讲-冯-诺依曼计算机器-程序执行
心部件。
总线
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.
冯.诺依曼计算机: 思想与构成 (6)小结 程序
程序与数 据的保存
数据
程序执行与 数据计算
(主或内) 存储器
中央处理单元
CPU
运算器 控制器
自动存取：存储器的工作原理
自动存取：存储器的工作原理 (1)什么是存储器?
用来在计算机中存储CPU可直接访问的数据 主存储器的工作速度和容量对计算机系统整体性能 影响极大 主存储器容量基本计量单位为字节（Byte）
控制器
时钟与节 拍发生器
内容 00000000 00000011 PC
00000000 00000001 00000000
信号控制
IR
00000000 00001000
000001
000001 0000001000
地址
存储器
运算器
机器级程序的执行过程模拟 (4)第2条指令的读取
寄存器 R1 R0 --(随机的数值) 00000000 00000011 --(随机的数值) --(随机的数值)
冯.诺依曼计算机: 思想与构成 (1)什么是冯.诺依曼计算机?
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。
机器指令与机器级程序 (5)将机器级程序和数据装载进存储器中?
存储器
计算832+23+6的程序; 计算ax2+bx+c的程序。
冯诺依曼计算机的基本原理
冯·诺伊曼结构（英语：Von Neumann architecture），也称冯·诺伊曼模型（Von Neumann model）或普林斯顿结构（Princeton architecture），是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的电脑设计概念结构。
本词描述的是一种实现通用图灵机的计算设备，以及一种相对于并行计算的序列式结构参考模型（referential model）。
本结构隐约指导了将存储设备与中央处理器分开的概念，因此依本结构设计出的计算机又称存储程序计算机。
历史最早的计算机器仅内含固定用途的程序。
现代的某些计算机依然维持这样的设计方式，通常是为了简化或教育目的。
例如一个计算器仅有固定的数学计算程序，它不能拿来当作文字处理软件，更不能拿来玩游戏。
若想要改变此机器的程序，你必须更改线路、更改结构甚至重新设计此机器。
当然最早的计算机并没有设计的那么可编程。
当时所谓的“重写程序”很可能指的是纸笔设计程序步骤，接着制订工程细节，再施工将机器的电路配线或结构改变。
而存储程序型电脑的概念改变了这一切。
借由创造一组指令集结构，并将所谓的运算转化成一串程序指令的运行细节，让此机器更有弹性。
借着将指令当成一种特别类型的静态数据，一台存储程序型电脑可轻易改变其程序，并在程控下改变其运算内容。
冯·诺伊曼结构与存储程序型电脑是互相通用的名词，其用法将于下述。
而哈佛结构则是一种将程序数据与普通数据分开存储的设计概念，但是它并未完全突破冯.诺伊曼架构。
存储程序型概念也可让程序运行时自我修改程序的运算内容。
本概念的设计动机之一就是可让程序自行增加内容或改变程序指令的存储器位置，因为早期的设计都要用户手动修改。
但随着变址寄存器与间接位置访问变成硬件结构的必备机制后，本功能就不如以往重要了。
而程序自我修改这项特色也被现代程序设计所弃扬，因为它会造成理解与调试的难度，且现代中央处理器的管线与缓存机制会让此功能效率降低。
图灵机简介和原理分析
图灵机简介和原理分析摘要：1936年，阿兰·图灵提出了一种抽象的计算模型——图灵机 (Turing Machine)。
图灵机是指一个抽象的机器，可被视作任意解决有限数学逻辑过程的机器，它提供了一种简单有效的解决逻辑过程的方法，加快了后来诺依曼设计的计算机的出现。
本文将对图灵机的原理和历史等进行简介和分析。
关键字：图灵机，计算模型。
一．图灵机的历史发展图灵机被公认为现代计算机的原型，这台机器可以读入一系列的零和一，这些数字代表了解决某一问题所需要的步骤，按这个步骤走下去，就可以解决某一特定的问题。
这种观念在当时是具有革命性意义的，因为即使在50年代的时候，大部分的计算机还只能解决某一特定问题，不是通用的，而图灵机从理论上却是通用机。
1936年,图灵向伦敦权威的数学杂志投了一篇论文,题为"论数字计算在决断难题中的应用"。
在这篇开创性的论文中,图灵给"可计算性"下了一个严格的数学定义,并提出著名的图灵机"(Turing Machine)的设想。
"图灵机"不是一种具体的机器,而是一种思想模型,可制造一种十分简单但运算能力极强的计算装置,用来计算所有能想像得到的可计算函数。
"图灵机"与"冯•诺伊曼机"齐名,被永远载入计算机的发展史中。
1950年10月,图灵又发表了另一篇题为"机器能思考吗"的论文,成为划时代之作。
也正是这篇文章,为图灵赢得了"人工智能之父"的桂冠。
在图灵看来，这台机器只用保留一些最简单的指令，一个复杂的工作只用把它分解为这几个最简单的操作就可以实现了，在当时他能够具有这样的思想确实是很了不起的。
图灵机的产生一方面奠定了现代数字计算机的基础（要知道后来冯•诺依曼就是根据图灵的设想才设计出第一台计算机的）。
另一方面，根据图灵机这一基本简洁的概念，我们还可以看到可计算的极限是什么。
计算机原理之图灵机与冯诺依曼机
计算机原理之图灵机与冯诺依曼机计算机科学班边敬云，刘迎春，曹晔一、冯诺依曼机冯·诺伊曼结构，也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的计算机设计概念结构。
冯诺依曼机由一个同时存放指令和数据的主存储器、一个二进制的算逻运算部件、一个解释存储器中的指令并能控制指令执行的程序部件以及由控制部件操作的I/O设备，因此被称为存储程序型计算机。
冯诺依曼首次提出了三大概念：1.五大组成部件：输入设备，辅存储器，主存储器，运算器，控制器，输出设备。
2.采用二进制。
3.存储程序。
但是将CPU与存储器分开并非十全十美，反而会导致一些问题，也就是所谓的冯·诺伊曼瓶颈：在CPU与存储器之间的数据传输率与存储器的容量相比起来相当小，在现代计算机中，数据传输率与CPU 的工作效率相比之下非常小，在某些情况下（当CPU需要在巨大的数据上运行一些简单指令时），数据传输率就成了整体效率非常严重的限制。
CPU将会在数据输入或输出存储器时闲置。
由于CPU速度远大于存储器读写速率，因此瓶颈问题越来越严重。
（但后来这个问题被高速缓存解决了！）冯诺依曼结构还将运算器和存储器分开，则意味着存储器和运算器之间的传输通道的速率必须高于运算器的速度，否则运算器会处于等待状态，提高了技术上的难度。
二、图灵机图灵机，是在1936年提出的一种抽象计算模型，其更抽象的意义为一种数学逻辑机，可以看作等价于任何有限逻辑数学过程的终极强大逻辑机器。
仅是解决数学问题的理想化机器。
图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把这样的过程看作下列两种简单的动作：•在纸上写上或擦除某个符号；•把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置；而在每个阶段，人要决定下一步的动作，依赖于当前所关注的纸上某个位置的符号和当前思维的状态。
为了模拟人的这种运算过程，图灵构造出一台假想的机器，该机器由以下几个部分组成：1、一条无限长（理想化）的纸带。
7_讲座1_图灵,布尔,诺依曼
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布尔创立了逻辑代数, 布尔创立了逻辑代数, 仅用两个 创立了逻辑代数 变量 “0” 和 “1”, 来描述复杂纷繁的 , 客观世界的无穷性。 客观世界的无穷性。 布尔运算解释了二进制按位计算 的规律, 的规律, 成为用逻辑电路来构造数字 计算机的理论基础。 计算机的理论基础。
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9. 四个组成部分
计算机引出一场技术革命,因为： 计算机引出一场技术革命,因为：
信息数字化有强大的数据处理能力； 信息数字化有强大的数据处理能力； 它可在程序指挥下自动连续地工作； 它可在程序指挥下自动连续地工作； 亿次运算/ 它的运算速度极快( 12亿次运算/秒)； 它的运算精度极高( 10 - 100)。 它有极大的信息存储能力( 它有极大的信息存储能力(内存可 数量级, 外存达T 达 G 数量级, 外存达 数量级)； 通用性强,几乎适用一切信息处理。 . 通用性强,几乎适用一切信息处理。
布尔运算规律是计算机以硬件实现 布尔运算规律 是计算机以硬件实现 二进制运算的数学基础。规则如下: 二进制运算的数学基础。规则如下
■ ■ ■
参与运算的变量的值只能是 0 或 1 只有3 种基本计算： 只有 种基本计算：加, 乘, 求补 只有8 条基本计算法则： 只有 条基本计算法则： X+X =X； X+1=1； X+0 = X (加法) X·X =X； X·1= X； X · 0 = 0 (乘法) [ 0]补 = 1；[1]补 = 0
计算机工作过程
由此推测计算机的工作过程： 由此推测计算机的工作过程： 用户为解决问题而设计程序 为解决问题而设计程序。 . 1 用户为解决问题而设计程序。 输入设备将程序输入存储器。 输入存储器 . 2 输入设备将程序输入存储器。 . 3 CPU 从存储器读取程序第一条指令 执行；准备读下条指令。 执行；准备读下条指令。 读取并执行 执行下条指令 如此继续, . 4 CPU 读取并执行下条指令, 如此继续 直到执行完最后一条, 得到执行结果 执行结果。 直到执行完最后一条 得到执行结果。 . 5 CPU 将结果送入内存, 结果最后由输 结果送入内存 送入内存 出设备输出 供使用。 输出, 出设备输出 供使用。
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计算机原理之图灵机与冯诺依曼机
计算机科学班边敬云，刘迎春，曹晔一、冯诺依曼机
冯·诺伊曼结构，也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的计算机设计概念结构。
冯诺依曼机由一个同时存放指令和数据的主存储器、一个二进制的算逻运算部件、一个解释存储器中的指令并能控制指令执行的程序部件以及由控制部件操作的I/O设备，因此被称为存储程序型计算机。
冯诺依曼首次提出了三大概念：
1.五大组成部件：输入设备，辅存储器，主存储器，运算器，控制器，输出设备。
2.采用二进制。
3.存储程序。
但是将CPU与存储器分开并非十全十美，反而会导致一些问题，也就是所谓的冯·诺伊曼瓶颈：在CPU与存储器之间的数据传输率与存储器的容量相比起来相当小，在现代计算机中，数据传输率与CPU 的工作效率相比之下非常小，在某些情况下（当CPU需要在巨大的数据上运行一些简单指令时），数据传输率就成了整体效率非常严重的限制。
CPU将会在数据输入或输出存储器时闲置。
由于CPU速度远大
于存储器读写速率，因此瓶颈问题越来越严重。
（但后来这个问题被高速缓存解决了！）冯诺依曼结构还将运算器和存储器分开，则意味着存储器和运算器之间的传输通道的速率必须高于运算器的速度，否则运算器会处于等待状态，提高了技术上的难度。
二、图灵机
图灵机，是在1936年提出的一种抽象计算模型，其更抽象的意义为一种数学逻辑机，可以看作等价于任何有限逻辑数学过程的终极强大逻辑机器。
仅是解决数学问题的理想化机器。
图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把这样的过程看作下列两种简单的动作：
•在纸上写上或擦除某个符号；
•把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置；
而在每个阶段，人要决定下一步的动作，依赖于当前所关注的纸上某个位置的符号和当前思维的状态。
为了模拟人的这种运算过程，图灵构造出一台假想的机器，该机器由以下几个部分组成：
1、一条无限长（理想化）的纸带。
纸带被划分为一个接一个的小
格子，每个格子上包含一个来自有限字母表的符号，还有字母表中特殊的符号表示空白。
纸带上的格子从左到右依次被编号为0, 1, 2, ...，纸带的右端可以无限伸展（理想化）。
2、一个读写头HEAD。
该读写头可以在纸带上左右移动，它能读出
当前所指的格子上的符号，并能改变当前格子上的符号。
3、一套控制规则TABLE。
它根据当前机器所处的状态以及当前读
写头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态。
4、一个状态寄存器。
它用来保存图灵机当前所处的状态。
图灵机
的所有可能状态的数目是有限的，并且还有一个特殊的状态，称为停机状态。
这个机器的每一部分都是有限的，但它有一个潜在的无限长的纸带，因此这种机器只是一个理想的设备。
图灵认为这样的一台机器就能模拟人类所能进行的任何计算过程。
其实图灵机最重要的还是限输入、有限控制、有限状态的想法。
现代电脑也包含图灵机的原理，实际上还是从图灵机发展过来的，因为CPU能充当图灵机里的控制规则、状态寄存器，是CPU解决这两个问题，附带的，CPU还能解决下面的问题：
（1）对外提供运算功能；
（2）设计“纸带”访问方法；
（3）控制规则，按照什么规则找到纸带上的输入，并输出到纸带；
三、异同
四、继承
图灵机模型是计算机领域的一个重要理论，但并不是计算机模型，而是数学模型。
冯诺依曼是在图灵的基础上提出了最早的计算机模型，冯诺依曼机是通用型的图灵机。
现在计算机中，做大量的“运算器”、“控制器”、“存储器”、“输入设备”、“输出设备”的厂商都是脱胎于冯诺依曼的模型。
五、展望未来计算机体系结构
1、未来的计算机应该是智能化的，有可能更偏向于人工智能的机器人。
2、进行其他微处理器体系结构及其相关技术的研究，主要包括：超长指令字（VLIW）、单芯片多处理器、多线程超标量、处理器存贮器耦合等。
六、遇到的问题：
1、图灵机的控制规则是指它根据当前机器所处的状态以及当前读写头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态。
那么格子中存储的是指向应该进行的下一步的运算步骤的指示还是这一步的计算过程？
2、图灵机中有一个状态寄存器。
它用来保存图灵机当前所处的状态。
图灵机的所有可能状态的数目是有限的，并且还有一个特殊的状态，称为停机状态。
状态寄存器是指记录现在的还是以前的都能一起记住？是不是图灵机的存储器特点？
3、图灵认为这样的一台机器就能模拟人类所能进行的任何计算过程。
到底可不可以？感觉好像不可以。
参考资料：
1、wiki-冯诺依曼结构
2、wiki-图灵机
3、Tag Archives，图灵机，冯诺依曼，CISCI，RISC，计算机基本理论
4、Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 1:Basic Architecture,Chapter 5 Instruction Set Summary.
5、The comparison between CISC&RISC CPU instruction set。