计算机体系结构与图灵

第一台通用电子计算机诞生于1946年计算机技术的飞速发展得益于两个方面计算机制造技术的发展计算机系统结构的创新经历了4个发展过程1.1引言

计算机系统结构的发展时间原因每年的性能增长1946年起的25年两种因素都起着主要的作用25%20世纪70年代末－80年代初大规模集成电路和微处理器出现,以集成电路为代表的制造技术的发展约35%20世纪80年代中开始RISC结构的出现，系统结构不断更新和变革，制造技术不断发展50%以上维持了约16年2002年以来3个（见下页）约20%1.1引言功耗问题（已经很大）。可以进一步有效开发的指令级并行性已经很少。存储器访问速度的提高缓慢。系统结构的重大转折：从单纯依靠指令级并行转向开发线程级并行和数据级并行。计算机系统结构在计算机的发展中有着极其重要的作用。计算机系统＝硬件/固件＋软件计算机语言从低级向高级发展高一级语言的语句相对于低一级语言来说功能更强，更便于应用，但又都以低级语言为基础。从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成

多级层次结构。每一层以一种语言为特征1.2计算机系统结构的概念1.2.1计算机系统的层次结构软件硬件或固件1.2计算机系统结构的概念

虚拟机：由软件实现的机器

语言实现的两种基本技术翻译：先把N+1级程序全部转换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。解释：每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，依此重复进行。

解释执行比编译后再执行所花的时间多，但占用的存储空间较少。1.2计算机系统结构的概念计算机系统结构的经典定义程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。透明性在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。1.2.2计算机系统结构的定义1.2计算机系统结构的概念Amdahl提出的系统结构传统机器语言级程序员所看到的计算机属性。广义的系统结构定义：指令集结构、组成、硬件（计算机设计的3个方面）对于通用寄存器型机器来说，这些属性主要是指：指令系统包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机构等。数据表示硬件能直接识别和处理的数据类型。寻址规则包括最小寻址单元、寻址方式及其表示。1.2计算机系统结构的概念寄存器定义（包括各种寄存器的定义、数量和使用方式）中断系统（中断的类型和中断响应硬件的功能等）机器工作状态的定义和切换（如管态和目态等）存储系统（主存容量、程序员可用的最大存储容量等）信息保护（包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持）1.2计算机系统结构的概念I/O结构包括I/O连结方式、处理机/存储器与I/O设备之间数据传送的方式和格式以及I/O操作的状态等计算机系统结构概念的实质：

确定计算机系统中软、硬件的界面，界面之上是软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。1.2计算机系统结构的概念冯氏分类法用系统的最大并行度对计算机进行分类。最大并行度：计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。

用平面直角坐标系中的一个点代表一个计算机系统，其横坐标表示字宽（n位），纵坐标表示一次能同时处理的字数（m字）。m×n就表示了其最大并行度。

Flynn分类法

按照指令流和数据流的多倍性进行分类。指令流：计算机执行的指令序列。1.2计算机系统结构的概念数据流：由指令流调用的数据序列。多倍性：在系统受限的部件上，同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大数目。Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类：

单指令流单数据流(SISD)

单指令流多数据流(SIMD)

多指令流单数据流(MISD)

多指令流多数据流(MIMD)4类计算机的基本结构IS：指令流，DS：数据流，CS：控制流，CU：控制部件，PU：处理部件，MM和SM：存储器。计算机体系结构-技术革新

图灵给出的计算机模型：计算机由一个有限状态读写头和一个存储器构成。

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(a)此人当前所关注的纸上某个位置的符号和(b)此人当前思维的状态。

为了模拟人的运算过程，图灵构造出一个假象的机器。该机器由4个部分组成：Tap、head、table、状态寄存器。2、通用图灵机：对于任意一个图灵机，因为它的描述是有限的，因此我们总可以用某种方式将其编码为字符串。我们可以构造出一个特殊的图灵机，它接受任意一个图灵机的编码M，然后模拟M的运作，这样的图灵机称为通用图灵机。3、现在我们广泛使用的计算机的确就是采用了存储指令这一原理因而可以解决“万能”计算问题的。具体实现方法是：对于需要解决的问题用软件编制程序，再把程序和数据都存放在同一个存储器（内存）里，由中央处理器（CPU）根据指令对数据进行操作。这样的机器也叫做“存储程序计算机”（storedprogramcomputer）。在为第一台存储程序计算机EDVAC研发计划做顾问时，约翰·冯·诺伊曼（JohnvonNeumann）写了一个草案报告描述了这种带有中央处理器、内存、I/O、总线的存储程序计算机。所以存储程序计算机还有另外一个学名，叫做冯·诺伊曼体系架构（VonNeumannArchitecture）。我们今天使用的计算机称为存储程序计算机内存：与中央处理器发生操作关系的存储器称为内存。内存的读写速度快，能够与中央处理器的速度匹配，但是价格昂贵，而且是挥发式（断电时所存储的内容立即丢失）外存：所以外部存储器成了现代计算机发展过程中一个不可缺少的组成部件。低速、大容量、非挥发、廉价的外存对应于高速、小容量、挥发、昂贵的内存，前者对于后者是一个非常有效的补充。两者通过I/O进行交互。早期的外存有穿孔纸带、卡片、磁带，后来又有软、硬磁盘、光盘，如今发展到半导体固态外存（如闪存）。半导体固态外存的速度越来越快，相信以后新技术的出现一定可以使这类外存的速度与内存的无甚差别，而且固态外存的价格也正在飞速下降（从08年一季度到09年一季度闪存硬盘价格环比下降了76%）。于是我们自然就有了如下的想法：未来的计算机是否还需要有内、外存储器之分呢？如果把一台机器看作为单个处理器，从这个角度来看，我相信内、外存储器用I/O相连的这种现代计算机体系架构将会逐渐消失。图灵本来给出的计算模型就根本没有内、外存储器之分的概念。我想外存的发展完全是由于内存在实现技术上存在着发展过程上的局限性所造成的。内、外存储器之分并非计算的本质。4、通信问题

如今计算机由于互联通信所带来的价值是怎么高估也不为过分的。一台不能与其他机器通信的计算机简直就太可怜了。所以我们可以说现代计算机体系架构中必须包含计算、存储和通信三部件，缺一不可。先从算法