機器級程序的存儲與執(zhí)行

大學計算機-計算思維導論第4講馮.諾依曼計算機：

機器級程序及其執(zhí)行基本目標:

理解程序及其硬件實現(xiàn)思維基本思維：機器級算法與程序機器指令與指令系統(tǒng)存儲器存儲程序運算器與控制器機器級程序的執(zhí)行；算法程序化程序指令化指令存儲化執(zhí)行信號化內(nèi)容提要圖靈機的思想與模型簡介—指令、程序與程序執(zhí)行馮.諾依曼計算機:思想與構(gòu)成自動存?。捍鎯ζ鞯墓ぷ髟?/p>

機器級程序：機器指令與機器級算法與程序機器級程序的執(zhí)行機制：運算與控制、指令的信號化節(jié)拍化機器級程序的執(zhí)行過程模擬：程序的硬件執(zhí)行過程內(nèi)容提要圖靈及其貢獻圖靈(AlanTuring,1912~1954)，出生于英國倫敦，19歲入劍橋皇家學院，22歲當選為皇家學會會員。1937年，發(fā)表了論文《論可計算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用》，提出了圖靈機模型，后來，馮·諾依曼根據(jù)這個模型設(shè)計出歷史上第一臺電子計算機。1950年，發(fā)表了劃時代的文章：《機器能思考嗎?》,成為了人工智能的開山之作。計算機界于1966年設(shè)立了最高榮譽獎：ACM圖靈獎。1.圖靈機的思想與模型簡介1.1圖靈是誰?你能查閱一下哪些人獲得圖靈獎了嗎？因為什么貢獻而獲獎呢？所謂計算就是計算者(人或機器)對一條兩端可無限延長的紙帶上的一串0或1，執(zhí)行指令一步一步地改變紙帶上的0或1，經(jīng)過有限步驟最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號串的變換過程。計算…10001110110011010110001…0110101由“程序”控制輸入“轉(zhuǎn)換”為輸出輸入輸出程序通用機器1.圖靈機的思想與模型簡介1.2圖靈認為什么是計算?圖靈機的思想是關(guān)于數(shù)據(jù)、指令、程序及程序/指令自動執(zhí)行的基本思想。輸入被制成一串0和1的紙帶，送入機器中----數(shù)據(jù)。如00010000100011…機器可對輸入紙帶執(zhí)行的基本動作包括：“翻轉(zhuǎn)0為1”，或“翻轉(zhuǎn)1為0”,“前移一位”,“停止”。對基本動作的控制----指令，機器是按照指令的控制選擇執(zhí)行哪一個動作，指令也可以用0和1來表示：01表示“翻轉(zhuǎn)0為1”(當輸入為1時不變)，10表示“翻轉(zhuǎn)1為0”(當輸入0時不變),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懸粋€程序來完成,如:011110110111011100…

機器能夠讀取程序，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。由此實現(xiàn)自動計算。1.圖靈機的思想與模型簡介1.2圖靈認為什么是計算?

基本的圖靈機模型為一個七元組,如右圖示意幾點結(jié)論:(1)圖靈機是一種思想模型，它由一個控制器(有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換器)，一條可無限延伸的帶子和一個在帶子上左右移動的讀寫頭構(gòu)成。(2)

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

圖靈機是一種離散的、有窮的、構(gòu)造性的問題求解思路，一個問題的求解可以通過構(gòu)造其圖靈機(即程序)來解決。(4)圖靈認為：凡是能用算法方法解決的問題也一定能用圖靈機解決;凡是圖靈機解決不了的問題任何算法也解決不了----圖靈可計算性問題。(5)這里只是思想性的介紹，更為細致內(nèi)容需要在《形式語言與自動機》課程中學習！1.圖靈機的思想與模型簡介1.3圖靈機是什么?圖靈機的思想與模型簡介—指令、程序與程序執(zhí)行馮.諾依曼計算機:思想與構(gòu)成自動存?。捍鎯ζ鞯墓ぷ髟?/p>

機器級程序：機器指令與機器級算法與程序機器級程序的執(zhí)行機制：運算與控制、指令的信號化節(jié)拍化機器級程序的執(zhí)行過程模擬：程序的硬件執(zhí)行過程內(nèi)容提要1944~1945年間，馮.諾伊曼提出“存儲程序”的計算機設(shè)計思想，并進行了實踐，現(xiàn)代計算機普遍來講屬于馮.諾伊曼機體系。馮.諾伊曼機的基本思想：運算和存儲分離存儲程序：指令和數(shù)據(jù)以同等地位事先存于存儲器,可按地址尋訪,連續(xù)自動執(zhí)行。五大部件構(gòu)成：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備指令和數(shù)據(jù)用二進制表示，指令由操作碼和地址碼組成以運算器為中心，控制器負責解釋指令，運算器負責執(zhí)行指令2.馮.諾依曼計算機:思想與構(gòu)成2.1什么是馮.諾依曼計算機?馮.諾依曼(Von.Neumann)計算機以運算器為中心的馮.諾依曼計算機構(gòu)成圖2.馮.諾依曼計算機:思想與構(gòu)成2.2馮.諾依曼計算機的結(jié)構(gòu)是怎樣的?部件有哪些?部件的關(guān)系怎樣?以存儲器為中心的現(xiàn)代計算機構(gòu)成圖2.馮.諾依曼計算機:思想與構(gòu)成2.3存儲器為中心與運算器為中心相比的優(yōu)點在哪里?補充：同樣是五個部件，以不同的結(jié)構(gòu)來連接，便體現(xiàn)了不同的性能----這就是“系統(tǒng)”：強調(diào)“結(jié)構(gòu)”，強調(diào)部件連接后的整體性、協(xié)同性運算器存儲器控制臺控制器(1)(3)(10)(5)(2)(4)(6)(1)啟動控制器工作(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：通知運算器計算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.諾依曼計算機:思想與構(gòu)成2.4馮.諾依曼計算機的工作原理是怎樣的?工作原理計算機的基本部件CPU：中央處理單元(CentralProcessUnit)，將運算器和控制器集成在一塊芯片上，形成微處理器。CPU、主存儲器、I/O設(shè)備及總線成為現(xiàn)代計算機的四大核心部件。總線2.馮.諾依曼計算機:思想與構(gòu)成2.5什么是CPU?現(xiàn)代計算機的幾大部件是什么?補充：現(xiàn)代計算機里面，一個微處理器(芯片)可能包含多個CPU，即多核.圖靈機的思想與模型簡介—指令、程序與程序執(zhí)行馮.諾依曼計算機:思想與構(gòu)成自動存取：存儲器的工作原理

機器級程序：機器指令與機器級算法與程序機器級程序的執(zhí)行機制：運算與控制、指令的信號化節(jié)拍化機器級程序的執(zhí)行過程模擬：程序的硬件執(zhí)行過程內(nèi)容提要存儲器的基本結(jié)構(gòu)存儲器電路結(jié)構(gòu)概念圖3.自動存取：存儲器的工作原理3.1什么是存儲器?存儲器宿舍樓存儲單元房間存儲位(存0或存1)床位(住人/不住人)地址編碼An-1…A0房間號單元控制線Wi房間鑰匙輸出緩沖器公共的走廊及大門………概念映射從存儲器與宿舍樓的概念對比中，你能發(fā)現(xiàn)什么異同嗎？存儲器內(nèi)部的實現(xiàn)示例當?shù)刂肪€和數(shù)據(jù)線間連接有二極管時，則由地址線決定其是1或0，即：當?shù)刂肪€為高電平時，則為1，而當?shù)刂肪€為低電平時，則為0。沒有連接的，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個信息單元,每個信息單元是4位0/1碼)3.自動存?。捍鎯ζ鞯墓ぷ髟?.2存儲器是怎樣存儲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個信息單元,每個信息單元是4位0/1碼)11101011001011111100000101存儲器內(nèi)部的實現(xiàn)示例2-4地址譯碼器3.自動存?。捍鎯ζ鞯墓ぷ髟?.2存儲器是怎樣存儲0和1的?又是怎樣控制存取的?存儲矩陣的邏輯控制關(guān)系示例110010000101同一條數(shù)據(jù)線上各連接點之間是“或”關(guān)系同一地址線上各連接點之間是“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連接，無點不連接Ak是地址編碼線地址線與數(shù)據(jù)線有點連接，無點不連接高/低電平信號，即0,1，通過連接點相互傳遞上半?yún)^(qū)通過“與”關(guān)系產(chǎn)生地址線上的最終信號傳遞到下半?yún)^(qū)3.自動存?。捍鎯ζ鞯墓ぷ髟?.2存儲器是怎樣存儲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存儲器芯片的連接用多個存儲器芯片可搭建容量更大的存儲器。

利用已有芯片搭建更為復(fù)雜的電路：計算機的主板電路、聲卡、網(wǎng)卡等利用已有芯片建造的新的電路板利用4個256x8存儲器芯片擴展出1024x8存儲器的電路圖半導體存儲器芯片示例3.自動存取：存儲器的工作原理3.3存儲器芯片容量不夠了怎么辦?問：從概念的角度，你能說說存儲器擴展要解決什么問題嗎?提示：地址編碼空間,存儲字長.圖靈機的思想與模型簡介—指令、程序與程序執(zhí)行馮.諾依曼計算機:思想與構(gòu)成自動存?。捍鎯ζ鞯墓ぷ髟?/p>

機器級程序：機器指令與機器級算法與程序機器級程序的執(zhí)行機制：運算與控制、指令的信號化節(jié)拍化機器級程序的執(zhí)行過程模擬：程序的硬件執(zhí)行過程內(nèi)容提要算法---從馮.諾依曼計算機的角度可在機器上執(zhí)行的求解問題的操作規(guī)則及步驟,被稱為可執(zhí)行的算法。4.機器級程序4.1什么是算法?問：怎么看待算法節(jié)省的步數(shù)?---算法需要“優(yōu)化”機器指令機器指令是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；機器語言000001

0000000100000001

0000001100000001

00000010004.機器級程序4.2機器指令是怎樣的?機器級程序832+23+6;ax2+bx+c。4.機器級程序4.3怎樣用機器指令表達算法?高級語言程序的示例計算任一個ax2+bx+c的高級語言程序示例。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程中自動分配的，也即是說編譯器根據(jù)當時編譯的情況，分配a,x,b,c為8號，9號，10號，11號存儲單元。并產(chǎn)生上述的機器指令程序4.機器級程序4.4高級語言程序和機器有什么關(guān)系呢?圖靈機的思想與模型簡介—指令、程序與程序執(zhí)行馮.諾依曼計算機:思想與構(gòu)成自動存取：存儲器的工作原理

機器級程序：機器指令與機器級算法與程序機器級程序的執(zhí)行機制：運算與控制、指令的信號化節(jié)拍化機器級程序的執(zhí)行過程模擬：程序的硬件執(zhí)行過程內(nèi)容提要計算機各部件內(nèi)部的簡單構(gòu)成關(guān)系5.機器級程序的執(zhí)行機制5.1運算器、控制器里面有什么?寄存器算術(shù)邏輯部件程序計數(shù)器PC指令寄存器信號控制器時鐘與信號發(fā)生器存儲單元地址存儲單元內(nèi)容不同的指令，由一組不同的電信號構(gòu)成同一指令的電信號在時鐘與節(jié)拍的控制下按次序產(chǎn)生與傳輸一條指令占用一個或多個機器周期，一個機器周期又分為多個節(jié)拍最小的時間區(qū)隔單位--時鐘周期5.機器級程序的執(zhí)行機制5.2指令是怎樣被執(zhí)行的?指令執(zhí)行時鐘周期、節(jié)拍與機器周期問：機器的“主頻”指的是什么?圖靈機的思想與模型簡介—指令、程序與程序執(zhí)行馮.諾依曼計算機:思想與構(gòu)成自動存?。捍鎯ζ鞯墓ぷ髟?/p>

機器級程