计算机原理之图灵机与冯诺依曼机

1、计算机原理之图灵机与诺依曼机计算机科学班 边敬云，迎春，晔一、诺依曼机诺伊曼结构，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。 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与由控制部件操作 的I/O设备，因此被称为存储程序型计算机。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. 米用二进制。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， 也就是所谓的诺伊曼瓶颈：在CPU与存储器之间的

2、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勺 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!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！诺依曼结构还将运算器和存储器分开，那么意味着 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，否那么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

3、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。图灵的根本思想是用机器来模拟人们用纸笔进展数学运算的过程，他把这样的过程看作以下两种简单的动作：?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，该机器由以下几个局部组成：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

4、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、一套控制规那么TABLE它根据当前机器所处的状态以与当前 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 状态存放器的值，令机器进入一个新的状态。4、一个状态存放器。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。这个机器的每一局部都是有限的，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 能模拟人类所能进展的任何计算过程。其实图灵机最重要的还是限输

5、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开展过来的，因 为CPU能充当图灵机里的控制规那么、 状态存放器，是CPUS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控制规那么，按照什么规那么找到纸带上的输入，并输出到纸 带；三、异同图灵机诺依曼机都是串行的，并且有顺序性，具有存储结构，都能提供运算 功能，可以设置计算规那么。不同点八、1、只能进展数学计算2、理想型的计算机3、是一个整体4、注重过程步骤5、字母表示1、是一台真正意义上的计算2、3、4、5、非理想型分成了很多局部注重结果二进制码表示四、继承图灵机模型

6、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。诺依曼是在图灵的根底上提出了最早的计算机模型, 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、进展其他微处理器体系结构与其相关技术的研究，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、图灵机的控制规那么是指它根据当前机器所处的状态以与当前读 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

7、变状态存 放器的值，令机器进入一个新的状态。那么格子中存储的是指向应该 进展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存放器。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。状态存放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展的任何计算过程。到底可不可以？感觉好似不可以。参考资料：1、wiki-诺依曼结构2、wiki-图灵机3、 Tag Archives，图灵机，诺依曼，CISCI, RISC,计算机根本理论4、In tel ? 64 and IA-32 Architectures Software Developer' sManual Volume 1: