機(jī)器級(jí)程序的存儲(chǔ)與執(zhí)行

大學(xué)計(jì)算機(jī)-計(jì)算思維導(dǎo)論第4講馮.諾依曼計(jì)算機(jī)：

機(jī)器級(jí)程序及其執(zhí)行基本目標(biāo):

理解程序及其硬件實(shí)現(xiàn)思維基本思維：機(jī)器級(jí)算法與程序機(jī)器指令與指令系統(tǒng)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序運(yùn)算器與控制器機(jī)器級(jí)程序的執(zhí)行；算法程序化程序指令化指令存儲(chǔ)化執(zhí)行信號(hào)化內(nèi)容提要圖靈機(jī)的思想與模型簡(jiǎn)介—指令、程序與程序執(zhí)行馮.諾依曼計(jì)算機(jī):思想與構(gòu)成自動(dòng)存?。捍鎯?chǔ)器的工作原理

機(jī)器級(jí)程序：機(jī)器指令與機(jī)器級(jí)算法與程序機(jī)器級(jí)程序的執(zhí)行機(jī)制：運(yùn)算與控制、指令的信號(hào)化節(jié)拍化機(jī)器級(jí)程序的執(zhí)行過(guò)程模擬：程序的硬件執(zhí)行過(guò)程內(nèi)容提要圖靈及其貢獻(xiàn)圖靈(AlanTuring,1912~1954)，出生于英國(guó)倫敦，19歲入劍橋皇家學(xué)院，22歲當(dāng)選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。1937年，發(fā)表了論文《論可計(jì)算數(shù)及其在判定問(wèn)題中的應(yīng)用》，提出了圖靈機(jī)模型，后來(lái)，馮·諾依曼根據(jù)這個(gè)模型設(shè)計(jì)出歷史上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。1950年，發(fā)表了劃時(shí)代的文章：《機(jī)器能思考嗎?》,成為了人工智能的開(kāi)山之作。計(jì)算機(jī)界于1966年設(shè)立了最高榮譽(yù)獎(jiǎng)：ACM圖靈獎(jiǎng)。1.圖靈機(jī)的思想與模型簡(jiǎn)介1.1圖靈是誰(shuí)?你能查閱一下哪些人獲得圖靈獎(jiǎng)了嗎？因?yàn)槭裁簇暙I(xiàn)而獲獎(jiǎng)呢？所謂計(jì)算就是計(jì)算者(人或機(jī)器)對(duì)一條兩端可無(wú)限延長(zhǎng)的紙帶上的一串0或1，執(zhí)行指令一步一步地改變紙帶上的0或1，經(jīng)過(guò)有限步驟最后得到一個(gè)滿足預(yù)先規(guī)定的符號(hào)串的變換過(guò)程。計(jì)算…10001110110011010110001…0110101由“程序”控制輸入“轉(zhuǎn)換”為輸出輸入輸出程序通用機(jī)器1.圖靈機(jī)的思想與模型簡(jiǎn)介1.2圖靈認(rèn)為什么是計(jì)算?圖靈機(jī)的思想是關(guān)于數(shù)據(jù)、指令、程序及程序/指令自動(dòng)執(zhí)行的基本思想。輸入被制成一串0和1的紙帶，送入機(jī)器中----數(shù)據(jù)。如00010000100011…機(jī)器可對(duì)輸入紙帶執(zhí)行的基本動(dòng)作包括：“翻轉(zhuǎn)0為1”，或“翻轉(zhuǎn)1為0”,“前移一位”,“停止”。對(duì)基本動(dòng)作的控制----指令，機(jī)器是按照指令的控制選擇執(zhí)行哪一個(gè)動(dòng)作，指令也可以用0和1來(lái)表示：01表示“翻轉(zhuǎn)0為1”(當(dāng)輸入為1時(shí)不變)，10表示“翻轉(zhuǎn)1為0”(當(dāng)輸入0時(shí)不變),11表示“前移一位”,00表示“停止”。輸入如何變?yōu)檩敵龅目刂瓶梢杂弥噶罹帉?xiě)一個(gè)程序來(lái)完成,如:011110110111011100…

機(jī)器能夠讀取程序，按程序中的指令順序讀取指令，讀一條指令執(zhí)行一條指令。由此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算。1.圖靈機(jī)的思想與模型簡(jiǎn)介1.2圖靈認(rèn)為什么是計(jì)算?

基本的圖靈機(jī)模型為一個(gè)七元組,如右圖示意幾點(diǎn)結(jié)論:(1)圖靈機(jī)是一種思想模型，它由一個(gè)控制器(有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換器)，一條可無(wú)限延伸的帶子和一個(gè)在帶子上左右移動(dòng)的讀寫(xiě)頭構(gòu)成。(2)

程序是五元組<q,X,Y,R(或L或N),p>形式的指令集。其定義了機(jī)器在一個(gè)特定狀態(tài)q下從方格中讀入一個(gè)特定字符X時(shí)所采取的動(dòng)作為在該方格中寫(xiě)入符號(hào)Y,然后向右移一格R(或向左移一格L或不移動(dòng)N),同時(shí)將機(jī)器狀態(tài)設(shè)為p供下一條指令使用。1.圖靈機(jī)的思想與模型簡(jiǎn)介1.3圖靈機(jī)是什么?圖靈機(jī)模型圖靈機(jī)模型示例。(注:圓圈內(nèi)的是狀態(tài)，箭線上的是<X,Y,R>，其含義見(jiàn)前頁(yè))執(zhí)行過(guò)程功能：將一串1的后面再加一位1。1.圖靈機(jī)的思想與模型簡(jiǎn)介1.3圖靈機(jī)是什么?幾點(diǎn)結(jié)論(續(xù)):(3)圖靈機(jī)模型被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)的基本理論模型----計(jì)算機(jī)是使用相應(yīng)的程序來(lái)完成任何設(shè)定好的任務(wù)。

圖靈機(jī)是一種離散的、有窮的、構(gòu)造性的問(wèn)題求解思路，一個(gè)問(wèn)題的求解可以通過(guò)構(gòu)造其圖靈機(jī)(即程序)來(lái)解決。(4)圖靈認(rèn)為：凡是能用算法方法解決的問(wèn)題也一定能用圖靈機(jī)解決;凡是圖靈機(jī)解決不了的問(wèn)題任何算法也解決不了----圖靈可計(jì)算性問(wèn)題。(5)這里只是思想性的介紹，更為細(xì)致內(nèi)容需要在《形式語(yǔ)言與自動(dòng)機(jī)》課程中學(xué)習(xí)！1.圖靈機(jī)的思想與模型簡(jiǎn)介1.3圖靈機(jī)是什么?圖靈機(jī)的思想與模型簡(jiǎn)介—指令、程序與程序執(zhí)行馮.諾依曼計(jì)算機(jī):思想與構(gòu)成自動(dòng)存取：存儲(chǔ)器的工作原理

機(jī)器級(jí)程序：機(jī)器指令與機(jī)器級(jí)算法與程序機(jī)器級(jí)程序的執(zhí)行機(jī)制：運(yùn)算與控制、指令的信號(hào)化節(jié)拍化機(jī)器級(jí)程序的執(zhí)行過(guò)程模擬：程序的硬件執(zhí)行過(guò)程內(nèi)容提要1944~1945年間，馮.諾伊曼提出“存儲(chǔ)程序”的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想，并進(jìn)行了實(shí)踐，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)普遍來(lái)講屬于馮.諾伊曼機(jī)體系。馮.諾伊曼機(jī)的基本思想：運(yùn)算和存儲(chǔ)分離存儲(chǔ)程序：指令和數(shù)據(jù)以同等地位事先存于存儲(chǔ)器,可按地址尋訪,連續(xù)自動(dòng)執(zhí)行。五大部件構(gòu)成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示，指令由操作碼和地址碼組成以運(yùn)算器為中心，控制器負(fù)責(zé)解釋指令，運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行指令2.馮.諾依曼計(jì)算機(jī):思想與構(gòu)成2.1什么是馮.諾依曼計(jì)算機(jī)?馮.諾依曼(Von.Neumann)計(jì)算機(jī)以運(yùn)算器為中心的馮.諾依曼計(jì)算機(jī)構(gòu)成圖2.馮.諾依曼計(jì)算機(jī):思想與構(gòu)成2.2馮.諾依曼計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)是怎樣的?部件有哪些?部件的關(guān)系怎樣?以存儲(chǔ)器為中心的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)構(gòu)成圖2.馮.諾依曼計(jì)算機(jī):思想與構(gòu)成2.3存儲(chǔ)器為中心與運(yùn)算器為中心相比的優(yōu)點(diǎn)在哪里?補(bǔ)充：同樣是五個(gè)部件，以不同的結(jié)構(gòu)來(lái)連接，便體現(xiàn)了不同的性能----這就是“系統(tǒng)”：強(qiáng)調(diào)“結(jié)構(gòu)”，強(qiáng)調(diào)部件連接后的整體性、協(xié)同性運(yùn)算器存儲(chǔ)器控制臺(tái)控制器(1)(3)(10)(5)(2)(4)(6)(1)啟動(dòng)控制器工作(2)發(fā)送第1條指令地址(3)取出指令并分析指令(4)執(zhí)行指令：發(fā)送操作數(shù)x所在地址(5)執(zhí)行指令：取出操作數(shù)x(10)執(zhí)行指令：通知運(yùn)算器計(jì)算a乘x(11)繼續(xù)后續(xù)指令的取指、執(zhí)行…(6)發(fā)送下一條指令地址(7)取出指令并分析指令(8)執(zhí)行指令：發(fā)送操作數(shù)a所在地址(9)執(zhí)行指令：取出操作數(shù)a(7)(8)(9)2.馮.諾依曼計(jì)算機(jī):思想與構(gòu)成2.4馮.諾依曼計(jì)算機(jī)的工作原理是怎樣的?工作原理計(jì)算機(jī)的基本部件CPU：中央處理單元(CentralProcessUnit)，將運(yùn)算器和控制器集成在一塊芯片上，形成微處理器。CPU、主存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備及總線成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的四大核心部件?？偩€2.馮.諾依曼計(jì)算機(jī):思想與構(gòu)成2.5什么是CPU?現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的幾大部件是什么?補(bǔ)充：現(xiàn)代計(jì)算機(jī)里面，一個(gè)微處理器(芯片)可能包含多個(gè)CPU，即多核.圖靈機(jī)的思想與模型簡(jiǎn)介—指令、程序與程序執(zhí)行馮.諾依曼計(jì)算機(jī):思想與構(gòu)成自動(dòng)存?。捍鎯?chǔ)器的工作原理

機(jī)器級(jí)程序：機(jī)器指令與機(jī)器級(jí)算法與程序機(jī)器級(jí)程序的執(zhí)行機(jī)制：運(yùn)算與控制、指令的信號(hào)化節(jié)拍化機(jī)器級(jí)程序的執(zhí)行過(guò)程模擬：程序的硬件執(zhí)行過(guò)程內(nèi)容提要存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器電路結(jié)構(gòu)概念圖3.自動(dòng)存取：存儲(chǔ)器的工作原理3.1什么是存儲(chǔ)器?存儲(chǔ)器宿舍樓存儲(chǔ)單元房間存儲(chǔ)位(存0或存1)床位(住人/不住人)地址編碼An-1…A0房間號(hào)單元控制線Wi房間鑰匙輸出緩沖器公共的走廊及大門(mén)………概念映射從存儲(chǔ)器與宿舍樓的概念對(duì)比中，你能發(fā)現(xiàn)什么異同嗎？存儲(chǔ)器內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)示例當(dāng)?shù)刂肪€和數(shù)據(jù)線間連接有二極管時(shí)，則由地址線決定其是1或0，即：當(dāng)?shù)刂肪€為高電平時(shí)，則為1，而當(dāng)?shù)刂肪€為低電平時(shí)，則為0。沒(méi)有連接的，則不受地址線影響，始終連接到低電平。

二極管ROM結(jié)構(gòu)示例(2位地址控制4個(gè)信息單元,每個(gè)信息單元是4位0/1碼)3.自動(dòng)存取：存儲(chǔ)器的工作原理3.2存儲(chǔ)器是怎樣存儲(chǔ)0和1的?又是怎樣控制存取的?二極管ROM結(jié)構(gòu)示例(2位地址控制4個(gè)信息單元,每個(gè)信息單元是4位0/1碼)11101011001011111100000101存儲(chǔ)器內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)示例2-4地址譯碼器3.自動(dòng)存?。捍鎯?chǔ)器的工作原理3.2存儲(chǔ)器是怎樣存儲(chǔ)0和1的?又是怎樣控制存取的?存儲(chǔ)矩陣的邏輯控制關(guān)系示例110010000101同一條數(shù)據(jù)線上各連接點(diǎn)之間是“或”關(guān)系同一地址線上各連接點(diǎn)之間是“與”關(guān)系Dj是數(shù)據(jù)線Wi是地址線地址編碼線與地址線有點(diǎn)連接，無(wú)點(diǎn)不連接Ak是地址編碼線地址線與數(shù)據(jù)線有點(diǎn)連接，無(wú)點(diǎn)不連接高/低電平信號(hào)，即0,1，通過(guò)連接點(diǎn)相互傳遞上半?yún)^(qū)通過(guò)“與”關(guān)系產(chǎn)生地址線上的最終信號(hào)傳遞到下半?yún)^(qū)3.自動(dòng)存?。捍鎯?chǔ)器的工作原理3.2存儲(chǔ)器是怎樣存儲(chǔ)0和1的?又是怎樣控制存取的?D3=W0ORW2D2=W1ORW2ORW3D1=W1ORW2D0=W0ORW1ORW3W0=(NOTA0)AND(NOTA1)W1=A0AND(NOTA1)W2=(NOTA0)ANDA1W3=A0ANDA1存儲(chǔ)器芯片的連接用多個(gè)存儲(chǔ)器芯片可搭建容量更大的存儲(chǔ)器。

利用已有芯片搭建更為復(fù)雜的電路：計(jì)算機(jī)的主板電路、聲卡、網(wǎng)卡等利用已有芯片建造的新的電路板利用4個(gè)256x8存儲(chǔ)器芯片擴(kuò)展出1024x8存儲(chǔ)器的電路圖半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片示例3.自動(dòng)存?。捍鎯?chǔ)器的工作原理3.3存儲(chǔ)器芯片容量不夠了怎么辦?問(wèn)：從概念的角度，你能說(shuō)說(shuō)存儲(chǔ)器擴(kuò)展要解決什么問(wèn)題嗎?提示：地址編碼空間,存儲(chǔ)字長(zhǎng).圖靈機(jī)的思想與模型簡(jiǎn)介—指令、程序與程序執(zhí)行馮.諾依曼計(jì)算機(jī):思想與構(gòu)成自動(dòng)存?。捍鎯?chǔ)器的工作原理

機(jī)器級(jí)程序：機(jī)器指令與機(jī)器級(jí)算法與程序機(jī)器級(jí)程序的執(zhí)行機(jī)制：運(yùn)算與控制、指令的信號(hào)化節(jié)拍化機(jī)器級(jí)程序的執(zhí)行過(guò)程模擬：程序的硬件執(zhí)行過(guò)程內(nèi)容提要算法---從馮.諾依曼計(jì)算機(jī)的角度可在機(jī)器上執(zhí)行的求解問(wèn)題的操作規(guī)則及步驟,被稱為可執(zhí)行的算法。4.機(jī)器級(jí)程序4.1什么是算法?問(wèn)：怎么看待算法節(jié)省的步數(shù)?---算法需要“優(yōu)化”機(jī)器指令機(jī)器指令是CPU可以直接分析并執(zhí)行的指令，一般由0和１的編碼表示。指令操作碼+地址碼；機(jī)器語(yǔ)言000001

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00000010004.機(jī)器級(jí)程序4.2機(jī)器指令是怎樣的?機(jī)器級(jí)程序832+23+6;ax2+bx+c。4.機(jī)器級(jí)程序4.3怎樣用機(jī)器指令表達(dá)算法?高級(jí)語(yǔ)言程序的示例計(jì)算任一個(gè)ax2+bx+c的高級(jí)語(yǔ)言程序示例。其中a,x,b,c等均是變量。變量的地址是由編譯程序在編譯過(guò)程中自動(dòng)分配的，也即是說(shuō)編譯器根據(jù)當(dāng)時(shí)編譯的情況，分配a,x,b,c為8號(hào)，9號(hào)，10號(hào)，11號(hào)存儲(chǔ)單元。并產(chǎn)生上述的機(jī)器指令程序4.機(jī)器級(jí)程序4.4高級(jí)語(yǔ)言程序和機(jī)器有什么關(guān)系呢?圖靈機(jī)的思想與模型簡(jiǎn)介—指令、程序與程序執(zhí)行馮.諾依曼計(jì)算機(jī):思想與構(gòu)成自動(dòng)存取：存儲(chǔ)器的工作原理

機(jī)器級(jí)程序：機(jī)器指令與機(jī)器級(jí)算法與程序機(jī)器級(jí)程序的執(zhí)行機(jī)制：運(yùn)算與控制、指令的信號(hào)化節(jié)拍化機(jī)器級(jí)程序的執(zhí)行過(guò)程模擬：程序的硬件執(zhí)行過(guò)程內(nèi)容提要計(jì)算機(jī)各部件內(nèi)部的簡(jiǎn)單構(gòu)成關(guān)系5.機(jī)器級(jí)程序的執(zhí)行機(jī)制5.1運(yùn)算器、控制器里面有什么?寄存器算術(shù)邏輯部件程序計(jì)數(shù)器PC指令寄存器信號(hào)控制器時(shí)鐘與信號(hào)發(fā)生器存儲(chǔ)單元地址存儲(chǔ)單元內(nèi)容不同的指令，由一組不同的電信號(hào)構(gòu)成同一指令的電信號(hào)在時(shí)鐘與節(jié)拍的控制下按次序產(chǎn)生與傳輸一條指令占用一個(gè)或多個(gè)機(jī)器周期，一個(gè)機(jī)器周期又分為多個(gè)節(jié)拍最小的時(shí)間區(qū)隔單位--時(shí)鐘周期5.機(jī)器級(jí)程序的執(zhí)行機(jī)制5.2指令是怎樣被執(zhí)行的?指令執(zhí)行時(shí)鐘周期、節(jié)拍與機(jī)器周期問(wèn)：機(jī)器的“主頻”指的是什么?圖靈機(jī)的思想與模型簡(jiǎn)介—指令、程序與程序執(zhí)行馮.諾依曼計(jì)算機(jī):思想與構(gòu)成自動(dòng)存?。捍鎯?chǔ)器的工作原理

機(jī)器級(jí)程