计算机基础之冯诺依曼结构

Posted 2021-03-22 jly1

图灵机模型

• 输入被制成一串0-1的纸带, 送入到机器中, 这就是数据
• 机器可以对纸带进行基本的动作, 比如翻转0为1, 翻转1为0, 前进一步, 停止
• 对基本动作的控制----指令, 机器按照指令的控制选择执行哪一个动作, 指令也可以用0-1表示, 比如11前进, 00停止
• 输入如何转变为输出的控制可以用指令写一个程序完成, 0011
• 机器能够读取程序, 按照程序中的指令读取指令, 读取一条指令执行一条命令, 由此实现自动计算
  图灵机模型可以抽象为一个七元组:
  
  图灵机总结, 图灵机是一种状态, 输入0-1, 同时程序也可以用0-1表示, 程序就是计算规则, 然后对输入进行变换得到输出.

冯诺依曼计算机思想与组成

• 基本思想
  运算和存储分离,
  存储程序, 指令和程序以同等地位事先存于存储器, 可以按照地址来寻访, 连续自动执行( 提高计算效率)
  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来表示, 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
  
  现代计算机以存储器为中心
  

• 自动存储, 存储的工作原理
  存储器与宿舍楼类似, 地址代表了楼牌号, 输入缓冲器代表了是几位, 存储器的内部实现也是通过0-1, 利用了二极管的特性, 实现了0-1的存取, 用多个存储器芯片就可以搭建容量更大的存储器.
  
  

• 机器指令和机器级程序
  计算机如何计算一个运算式?
  
  构建一个机器可以执行的算法, 就可以执行
  
  机器指令是CPU可以直接分析并执行的指令, 一般由0-1的编码表示
  
  地址码的不同, 代表数据的来源不同, 相应的操作也有可能不同, 在计算机中, 全部都是以0-1表示
  到底是什么指令, 需要我们对CPU指令系统有很好的认识.
  计算过程如下,
  
• 机器级程序的执行机制
  运算器 实现一个加法器, 我们就可以实现任何运算,
  还有数据寄存器, 用来存储计算中的临时结果
  控制器, 程序计数器PC, 存储下一条执行指令的地址
  IR, 指令寄存器, 存储当前指令的内容
  时钟与节拍发生器, 用来控制执行的节拍
  存储器, 内存或者主存, 存储单元的地址, 还有存储内容寄存器
  按照地址寄存器中的地址, 读取内容寄存器中的内容, 实现计算
  
• 机器程序的计算过程

1. 一台简单的计算器包括运算器, 控制器和存储器
   将程序的第一条地址发送到控制器
2. 控制器将存储器的地址寄存器, 信号控制发一条信号给内容寄存器
3. 存储器开始工作, 把内容寄存器的内容发送到指令寄存器,
4. 信号控制部件分析指令, 把这条指令的内容发送到存储器,
   
   不断地重复取指令, 分析指令, 执行指令的过程