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。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