1、計算機原理之圖靈機與馮諾依曼機 計算機科學班 邊敬云，劉迎春，曹曄一、馮諾依曼機馮諾伊曼結構，也稱普林斯頓結構，是一種將程序指令存儲器和數據存儲器合并在一起的計算機設計概念結構。 馮諾依曼機由一個同時存放指令和數據的主存儲器、一個二進制的算邏運算部件、一個解釋存儲器中的指令并能控制指令執行的程序部件以及由控制部件操作的I/O設備，因此被稱為存儲程序型計算機。馮諾依曼首次提出了三大概念：1.五大組成部件：輸入設備，輔存儲器，主存儲器，運算器，控制器，輸出設備。采用二進制。存儲程序。但是將CPU與存儲器分開并非十全十美，反而會導致一些問題，也就是所謂的馮諾伊曼瓶頸：在CPU與存儲器之間的數據傳輸率

2、與存儲器的容量相比起來相當小，在現代計算機中，數據傳輸率與CPU的工作效率相比之下非常小，在某些情況下（當CPU需要在巨大的數據上運行一些簡單指令時），數據傳輸率就成了整體效率非常嚴重的限制。CPU將會在數據輸入或輸出存儲器時閑置。由于CPU速度遠大于存儲器讀寫速率，因此瓶頸問題越來越嚴重。（但后來這個問題被高速緩存解決了！）馮諾依曼結構還將運算器和存儲器分開，則意味著存儲器和運算器之間的傳輸通道的速率必須高于運算器的速度，否則運算器會處于等待狀態，提高了技術上的難度。二、圖靈機圖靈機，是在1936年提出的一種抽象HYPERLINK /w/index.php?title=計算模型&action

3、=edit&redlink=1計算模型，其更抽象的意義為一種HYPERLINK /w/index.php?title=數學邏輯機&action=edit&redlink=1數學邏輯機，可以看作等價于任何有限邏輯數學過程的終極強大邏輯機器。僅是解決數學問題的理想化機器。圖靈的基本思想是用機器來模擬人們用紙筆進行HYPERLINK /wiki/數學數學運算的過程，他把這樣的過程看作下列兩種簡單的動作：在紙上寫上或擦除某個符號；把注意力從紙的一個位置移動到另一個位置；而在每個階段，人要決定下一步的動作，依賴于當前所關注的紙上某個位置的符號和當前思維的狀態。為了模擬人的這種運算過程，圖靈構造出一臺假想

4、的機器，該機器由以下幾個部分組成：1、一條無限長（理想化）的紙帶。紙帶被劃分為一個接一個的小格子，每個格子上包含一個來自有限字母表的符號，還有字母表中特殊的符號表示空白。紙帶上的格子從左到右依次被編號為0, 1, 2, .，紙帶的右端可以無限伸展（理想化）。2、一個讀寫頭HEAD。該讀寫頭可以在紙帶上左右移動，它能讀出當前所指的格子上的符號，并能改變當前格子上的符號。3、一套控制規則TABLE。它根據當前機器所處的狀態以及當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，并改變狀態寄存器的值，令機器進入一個新的狀態。4、一個狀態寄存器。它用來保存圖靈機當前所處的狀態。圖靈機的所有可能狀態的

5、數目是有限的，并且還有一個特殊的狀態，稱為停機狀態。這個機器的每一部分都是有限的，但它有一個潛在的無限長的紙帶，因此這種機器只是一個理想的設備。圖靈認為這樣的一臺機器就能模擬人類所能進行的任何計算過程。其實圖靈機最重要的還是限輸入、有限控制、有限狀態的想法。現代電腦也包含圖靈機的原理，實際上還是從圖靈機發展過來的，因為CPU能充當圖靈機里的控制規則、狀態寄存器，是CPU解決這兩個問題，附帶的，CPU還能解決下面的問題：（1）對外提供運算功能；（2）設計“紙帶”訪問方法；（3）控制規則，按照什么規則找到紙帶上的輸入，并輸出到紙帶；異同圖靈機馮諾依曼機相同點都是串行的，并且有順序性，具有存儲結構，

6、都能提供運算功能，可以設置計算規則。不同點只能進行數學計算理想型的計算機 是一個整體注重過程步驟字母表示是一臺真正意義上的計算機非理想型分成了很多部分注重結果二進制碼表示四、繼承 圖靈機模型是計算機領域的一個重要理論，但并不是計算機模型，而是數學模型。馮諾依曼是在圖靈的基礎上提出了最早的計算機模型，馮諾依曼機是通用型的圖靈機。現在計算機中，做大量的“運算器”、“控制器”、“存儲器”、“輸入設備”、“輸出設備”的廠商都是脫胎于馮諾依曼的模型。展望未來計算機體系結構未來的計算機應該是智能化的，有可能更偏向于人工智能的機器人。進行其他微處理器體系結構及其相關技術的研究，主要包括：超長指令字（VLIW

7、）、單芯片多處理器、多線程超標量、處理器存貯器耦合等。遇到的問題：圖靈機的控制規則是指它根據當前機器所處的狀態以及當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，并改變狀態寄存器的值，令機器進入一個新的狀態。那么格子中存儲的是指向應該進行的下一步的運算步驟的指示還是這一步的計算過程？圖靈機中有一個狀態寄存器。它用來保存圖靈機當前所處的狀態。圖靈機的所有可能狀態的數目是有限的，并且還有一個特殊的狀態，稱為停機狀態。狀態寄存器是指記錄現在的還是以前的都能一起記住？是不是圖靈機的存儲器特點？3、圖靈認為這樣的一臺機器就能模擬人類所能進行的任何計算過程。到底可不可以？感覺好像不可以。參考資料：H

8、YPERLINK /wiki/Von_Neumann_architecturewiki-馮諾依曼結構HYPERLINK /wiki/Turing_machinewiki-圖靈機Tag Archives，圖靈機，馮諾依曼，CISCI，RISC，計算機基本理論HYPERLINK /content/dam/www/public/us/en/documents/manuals/64-ia-32-architectures-software-developer-vol-1-manual.pdfIntel 64 and IA-32 Architectures Software Developers Manual Volume 1:Basic Architecture,Chapter 5 Instruction Set Summary.HYPERLINK .tw/cyy/courses/assembly/07fall/assignments/final/reports/CISC_RISC.pdfThe comparison between CISC&RISC CPU instruction set內容總結（1）計算機原理之圖靈機與馮諾依曼機 計算機科學班 邊敬云，劉迎春，曹曄一、