操作系统系列(3):从图灵机到冯诺依曼机

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上文中,我们谈了操作系统的发展历程,它伴随着硬件的发展而发展。本文,我们将一起探讨一下计算机模型的发展过程。在上文中我们说了在手工操作时期开始,内存的存在方式是纸带将所需存放的内容以0、1的方式存放于纸带上,然后配合打孔机进行内存中内容的读写,计算结果,将返回结果写入到纸带上。

接下来,我们分三部分讲述计算机模型的发展,其中包括从白纸到图灵机从图灵机到通用图灵机从通用图灵机到冯诺依曼模型,冯诺伊曼模型就是我们现在所使用的一种现代计算机模型。

1.从白纸到图灵机

1936年,英国数学家A.C.图灵提出了一种模型。

操作系统系列(3):从图灵机到冯诺依曼机

该模型便是图灵机,它是受人使用笔去运算数学题的例子启发的,下图中的就相当于控制器,相当于人具有运算返回结果的能力,表示存放待解决问题和记录结果的地方,相当于内存。

操作系统系列(3):从图灵机到冯诺依曼机

下面是图灵机进行运算的一个例子。

1)控制器在纸带上读入3,然后在纸带上读入2,再在纸带上读入+

操作系统系列(3):从图灵机到冯诺依曼机

2)控制器查它内部事先建好的映射表,知道3+2的结果是5。

操作系统系列(3):从图灵机到冯诺依曼机

3)在纸带上写下5。

操作系统系列(3):从图灵机到冯诺依曼机

上述的图灵机模型中的控制器有运算逻辑,但是只有加法的逻辑,它内部有一张计算结果对应表,比如读入3、2就知道结果为5,读入3、5得到结果为8。因此,加法图灵机,控制器只有一套逻辑。

2.从图灵机到通用图灵机

上述的图灵机有一个问题就是它只会做加法运算,控制器只有加法运算这一套逻辑,这就好比一个只会做一道菜的厨师,只会做加法运算这道菜。

细想一下,要是把这个只会做一道菜的厨师升级为一个能看懂菜谱的厨师,那该多好啊!

要是菜谱上写着一道减法运算题目,控制器能识别出这是在做减法运算,然后控制器进行减法运算返回结果;

要是菜谱上写着一道乘法运算题目,控制器也能识别出这是在做乘法运算,然后控制器进行乘法运算并返回结果。

同理,除法运算也是如此。

如此,便产生了通用图灵机的概念。

下面是图灵机通用图灵机的形象比较。

操作系统系列(3):从图灵机到冯诺依曼机

操作系统系列(3):从图灵机到冯诺依曼机

图灵机好比一个只会做一道菜的厨师,只会根据某一特定的菜谱而出做出那一道菜。

通用图灵机好比一个能看懂菜谱的厨师,给定不同的菜谱,能自动识别菜谱内容而去做出不同的菜肴。

3.从通用图灵机到冯诺依曼机

1944年,一个伟大的思想被提了出来...

1944年,美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出计算机基本结构工作方式的设想,为计算机的诞生和发展提供了理论基础。时至今日,尽管计算机软硬件技术飞速发展,但计算机本身的体系结构并没有明显的突破,当今的计算机仍属于冯·诺依曼架构。

人们把该设计思想称为冯诺依曼存储程序思想。

冯诺依曼存储程序思想理论要点:

1)存储程序的主要思想——将程序和数据存放到计算机内部的存储器中,计算机在程序的控制下一步一步进行处理。

2)计算机硬件设备由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备5部分组成。

操作系统系列(3):从图灵机到冯诺依曼机

存储器中存放着是指令,IP是指令指针寄存器,可以理解为它的作用是指示当前执行的指令所在的内存地址,然后读取指令,放到IR(指令寄存器)分析取到的指令,译码,然后在运算器、控制器中运行该条得到结果。

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