計(jì)算平臺新編計(jì)算機(jī)導(dǎo)論計(jì)算模型導(dǎo)讀從傳統(tǒng)技術(shù)角度計(jì)算平臺是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)的基礎(chǔ)，具有一定的標(biāo)準(zhǔn)性和公開性，同時(shí)也決定了該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件與軟件的性能，通常用處理機(jī)/操作系統(tǒng)來表征計(jì)算平臺。2導(dǎo)讀從產(chǎn)品層面計(jì)算平臺就是指電腦、手機(jī)、平板這些智能設(shè)備，在這些平臺之上有豐富多樣的應(yīng)用，一個(gè)好的平臺能夠催生出越來越多的應(yīng)用，更多的應(yīng)用也會反哺平臺使之成為更大的平臺。3計(jì)算模型01網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)03軟硬件系統(tǒng)02本章CAPACITY內(nèi)容4計(jì)算模型計(jì)算理論要解決的第一個(gè)問題什么是計(jì)算機(jī)？由于現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)相當(dāng)復(fù)雜，很難直接給它們建立一個(gè)易于處理的數(shù)學(xué)理論，因此采用稱為計(jì)算模型（computationalmodel）的理想計(jì)算機(jī)來描述。同科學(xué)中的其他模型相同，計(jì)算模型準(zhǔn)確地刻畫了某些特征，同時(shí)又忽略了一些特征。5計(jì)算模型（續(xù)）計(jì)算理論要解決的第一個(gè)問題“馮?諾依曼機(jī)”和“圖靈機(jī)”是絕大多數(shù)實(shí)際機(jī)器的計(jì)算模型。邱奇-圖靈論題（Church-TuringThesis）表明，盡管在計(jì)算的時(shí)間，空間效率上可能有所差異，現(xiàn)有的各種計(jì)算設(shè)備在計(jì)算的能力上是等同的。6圖靈機(jī)圖靈機(jī)的結(jié)構(gòu)一個(gè)潛在的無限長的紙帶一個(gè)讀寫頭：該讀寫頭可以在紙帶上左右移動，它能讀出當(dāng)前所指的格子上的符號，并能改變當(dāng)前格子上的符號一個(gè)狀態(tài)寄存器：用來保存圖靈機(jī)當(dāng)前所處的狀態(tài)。圖靈機(jī)的所有可能狀態(tài)的數(shù)目是有限的，并且有一個(gè)特殊的狀態(tài)，稱為停機(jī)狀態(tài)。一套控制規(guī)則：根據(jù)當(dāng)前機(jī)器所處的狀態(tài)以及當(dāng)前讀寫頭所指的格子上的符號來確定讀寫頭下一步的動作，并改變狀態(tài)寄存器的值，令機(jī)器進(jìn)入一個(gè)新的狀態(tài)。圖靈認(rèn)為這樣的一臺機(jī)器即可模擬人類所能進(jìn)行的任何計(jì)算過程7圖靈機(jī)的基本思想是數(shù)據(jù)、指令、程序及程序/指令自動執(zhí)行數(shù)據(jù)：制成一串0和1的紙帶，輸入到機(jī)器中，如00010000100011…基本動作：機(jī)器對輸入紙帶執(zhí)行的動作有：“翻轉(zhuǎn)0為1”，或“翻轉(zhuǎn)1為0”,“前移一位”,“停止”，產(chǎn)生輸出等指令：對基本動作的控制，機(jī)器是按照指令的控制選擇執(zhí)行哪一個(gè)動作，指令也可以用0和1來表示，如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”程序：指令的有序序列，用于完成將輸入變?yōu)檩敵龅目刂?/p>

機(jī)器按順序讀取程序中的指令，實(shí)現(xiàn)自動計(jì)算8圖靈機(jī)的思想圖靈機(jī)通用圖靈機(jī)展示了下述過程程序和其輸入可以先保存到紙帶上圖靈機(jī)按程序一步步運(yùn)行直到給出結(jié)果圖靈機(jī)模型理論是計(jì)算學(xué)科最核心的理論，計(jì)算機(jī)的極限計(jì)算能力本質(zhì)上就是通用圖靈機(jī)的計(jì)算能力。結(jié)果也保存在紙帶上9隨著控制器狀態(tài)的增多，就可以編寫更為復(fù)雜的程序，也就能像現(xiàn)代計(jì)算機(jī)一樣執(zhí)行復(fù)雜的算法圖靈機(jī)圖靈機(jī)蘊(yùn)含的計(jì)算思想存儲器（紙帶）中央處理器（控制器及狀態(tài)）輸入設(shè)備和輸出設(shè)備（讀寫頭）存儲程序和程序控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該有圖靈認(rèn)為：凡是能用算法解決的問題也一定能用圖靈機(jī)解決;凡是圖靈機(jī)解決不了的問題，任何算法也解決不了——圖靈可計(jì)算性問題10主要思想是存儲程序和程序控制，其工作原理是馮?諾依曼機(jī)馮?諾伊曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)程序由指令組成，程序和數(shù)據(jù)同時(shí)存儲于存儲器計(jì)算機(jī)啟動后即可按照程序指定的順序從存儲器中讀取并逐條執(zhí)行指令，自動完成指令所規(guī)定的操作根據(jù)存儲程序原理，計(jì)算機(jī)解題過程就是不斷引用存儲于存儲器中的指令和數(shù)據(jù)的過程體系結(jié)構(gòu)指的是構(gòu)成系統(tǒng)主要部件的總體布局、部件的主要性能以及這些部件之間的連接方式11運(yùn)算器-計(jì)算機(jī)中進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的基本部件馮?諾依曼機(jī)馮?諾伊曼體系結(jié)構(gòu)-1通常由算術(shù)邏輯單元（ArithmeticandLogicalUnit,ALU）、累加器以及通用寄存器組成在控制器的控制下，運(yùn)算器從存儲器中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，然后將運(yùn)算結(jié)果寫回到存儲器12控制器-用來控制程序和數(shù)據(jù)的輸入/輸出及各部件間的協(xié)調(diào)運(yùn)行馮?諾依曼機(jī)馮?諾伊曼體系結(jié)構(gòu)-2通常由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器和其他控制單元組成運(yùn)算器和控制器是計(jì)算機(jī)的核心部件，二者合稱為中央處理器（centerprocessunit,CPU）通常將CPU及其附屬部分以較小的尺寸集成于一個(gè)大規(guī)模芯片中，該芯片稱為微處理器（MicroProcessorUnit，MPU）13存儲器-用來保存程序和數(shù)據(jù)馮?諾依曼機(jī)馮?諾伊曼體系結(jié)構(gòu)-3為了實(shí)現(xiàn)自動計(jì)算，各種信息必須預(yù)先存放于存儲器程序是計(jì)算機(jī)操作的依據(jù)，數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)操作的對象原始輸入數(shù)據(jù)、信息處理過程的中間數(shù)據(jù)以及最后處理完成的有用信息都存放于存儲器14輸入/輸出設(shè)備-用于數(shù)據(jù)的輸入/輸出馮?諾依曼機(jī)馮?諾伊曼體系結(jié)構(gòu)-4微型計(jì)算機(jī)常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、激光筆、麥克風(fēng)等常見的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、音箱等15CPU區(qū)分不同指令的方法馮?諾依曼機(jī)馮?諾伊曼機(jī)工作原理一條計(jì)算機(jī)指令通常由操作碼和地址碼兩部分組成操作碼指明計(jì)算機(jī)執(zhí)行的某種操作的性質(zhì)和功能地址碼指出被操作數(shù)據(jù)的存放位置，即操作數(shù)地址操作碼操作數(shù)地址指出CPU應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個(gè)命令詞，例如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等指出該指令所操作(處理)的數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)所在位置16當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令時(shí)，必須首先分析這條指令的操作碼是什么，以決定操作的性質(zhì)和方法，然后才能控制計(jì)算機(jī)其他各部件協(xié)同完成指令表達(dá)的功能，此分析工作由指令譯碼器完成。馮?諾依曼機(jī)馮?諾伊曼機(jī)工作原理-續(xù)1程序由許多條指令組成17計(jì)算機(jī)控制指令執(zhí)行的方式馮?諾依曼機(jī)馮?諾伊曼機(jī)工作原理-續(xù)2依賴于CPU內(nèi)的程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR（InstructionRegister）等組件的幫助程序計(jì)數(shù)器PC（ProgrammingCounter）用來存放將要執(zhí)行的指令在存儲器中的存放地址指令寄存器IR（InstructionRegister）用來存放從存儲器取出的指令18指令執(zhí)行的工作流程馮?諾依曼機(jī)馮?諾伊曼機(jī)工作原理-續(xù)3程序開始執(zhí)行前須將其起始地址，即程序第一條指令所在的內(nèi)存地址送入程序計(jì)數(shù)器指令執(zhí)行時(shí)，程序計(jì)數(shù)器自動加1，指向下一條指令在存儲器的存放地址當(dāng)遇到轉(zhuǎn)移指令時(shí)，控制器將把轉(zhuǎn)移后的指令地址送入程序計(jì)數(shù)器，使程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容被指定的地址所取代19馮?諾依曼機(jī)計(jì)算機(jī)每執(zhí)行一條指令都需要經(jīng)過以下4個(gè)基本操作取出指令：從存儲器（存放指令和數(shù)據(jù)的地方）某個(gè)地址中取出要執(zhí)行的指令分析指令：把取出的指令送到指令譯碼器中，譯出指令對應(yīng)的操作執(zhí)行指令：向各個(gè)部件發(fā)出控制操作，完成指令要求為下一條指令做好準(zhǔn)備2021程序及其硬件實(shí)現(xiàn)思維基本思維：機(jī)器級算法與程序

機(jī)器指令與指令系統(tǒng)

存儲器

存儲程序

運(yùn)算器與控制器

機(jī)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)行信號化相關(guān)課程：

《模擬電路與數(shù)字電路》《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》《計(jì)算機(jī)組成原理》《數(shù)字邏輯》《形式語言與自動機(jī)》；輸出設(shè)備控制器程序數(shù)據(jù)輸入設(shè)備結(jié)果存儲器運(yùn)算器存數(shù)取數(shù)數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流輸入控制信號運(yùn)算控制信號輸出控制信號程序命令22程序運(yùn)行過程（從5大設(shè)備的視角）控制器負(fù)責(zé)解釋指令，運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行指令23現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作思維基本思維：存儲體系磁盤存取操作系統(tǒng)作業(yè)與進(jìn)程

程序執(zhí)行的管理與控制；資源組合利用體系化、管理分工合作協(xié)同化、外存程序內(nèi)存進(jìn)程化、硬件不足功能軟件化。相關(guān)課程：

《操作系統(tǒng)》《計(jì)算機(jī)組成原理》《接口技術(shù)》《高級語言》《編譯系統(tǒng)》；量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)是一種可以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器量子計(jì)算機(jī)基于量子力學(xué)規(guī)律實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算、信息處理和存儲與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)最本質(zhì)的差別在于對物理系統(tǒng)的狀態(tài)描述，前者1比特只能表示0或1，而量子計(jì)算機(jī)中的量子比特除了可以表示0或1外，還能利用量子特性表示0和