图灵机

阿兰图灵团队，计算机的起源
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意义

  • 奠定了可计算理论（图灵完备）

  • 定义了计算机的构成和程序执行规则

    构成**

  • 一条无限长的纸带：纸带上是一个格子挨着一个格子，格子中可以写字符，你可以把纸带看作存储器，而这些字符可以看作是内存中的数据或者程序。

  • 一个读写头（**指针**）：读写头可以读取任意格子上的字符，也可以改写任意格子的字符。
  • 一些精密的零件：包括图灵机的存储、控制单元和运算单元。

    如何执行程序

    想象一下，执行一个 12+17 的程序（不严谨示例，仅供参考），纸带可作为我们读写数据/指令的载体，那么我们可以这样做：
  1. 从左到右依次在纸带上记录“12”、“17”、“+”。
  2. 读写头每次向右移动一格，并将纸带上的数据存入状态（入栈），当读取到符号“+”，识别为指令运算符号，存储“加法运算逻辑”状态。
  3. 从状态里面取出数据并执行“加法运算逻辑”，将运算结果存储到状态，并传递给读写头打印到纸带。

冯诺依曼模型

冯诺依曼团队，遵循图灵机设计，开创新纪元
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意义

  • 使用电子元件（三极管），约定使用二进制（0和1）进行存储计算

  • 奠定了现代计算机模型

    构成

  • 输入设备

  • 输出设备
  • 存储器**：线性排列存储区域，1字节=8比特（或者叫8位），即1byte=8bit**
  • 中央处理器：

CPU，存在计算上限，因为1字节可表示的范围是（0～255），一般32位CPU可计算的最大整数为 2^32 - 1 = 4294967295；
逻辑运算控制单元，负责计算和控制；
寄存器，负责存储CPU需要计算的数据，通用寄存器（如逻辑符号），特殊寄存器（如指针），指令寄存器（如指令）

  • 总线**：**

地址总线，指定CPU将要操作的内存地址；
数据总线，读写内存中的数据；
控制总线，发送和接收关键信号（如中断信号、设备复位、就绪信号）

如何通信

由上可知，计算机中各个构成部分需要进行通信，实际上传递的就是高低电平（低电平代表0，高电平代表1），高高低低传递的就是1100，相当于数值12。这里默认的是串行**通信，在一个线路上bit by bit发送，效率是非常低的，如果要发送大量数据，则需要增加线路，多条线路同时按bit by bit发送数据，即并行**通信。线路的条数即线路位宽。

CPU如何工作

指令周期

  1. Fetch：CPU获取地址总线中指令的内存地址，并到数据总线中取出
  2. Decode：指令解码
  3. Execute：指令执行
  4. Store：存储结果

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以上即一个CPU的指令周期，CPU的工作就是重复这个过程。

指令类型

按照功能分有：

  1. I/O 类型的指令，比如处理和内存间数据交换的指令 store/load 等；再比如将一个内存地址的数据转移到另一个内存地址的 mov 指令。
  2. 计算类型的指令，最多只能处理两个寄存器，比如加减乘除、位运算、比较大小等。
  3. 跳转类型的指令，用处就是修改 PC 指针。比如编程中大家经常会遇到需要条件判断+跳转的逻辑，比如 if-else，swtich-case、函数调用等。
  4. 信号类型的指令，比如发送中断的指令 trap。
  5. 闲置 CPU 的指令 nop，一般 CPU 都有这样一条指令，执行后 CPU 会空转一个周期。

按照寻址方式分：

  1. 直接寻址，比如直接加载一个内存地址中的数据到寄存器的指令la。
  2. 寄存器寻址，直接将一个数值导入寄存器的指令li。
  3. 间接寻址，将一个寄存器中的数值作为地址，然后再去加载这个地址中数据的指令lw。

时钟周期

通过石英晶体的脉冲转化成时钟信号驱动的，每次高低电平的转换就是一个周期，称为时钟周期（即CPU主频）。通常来说，一个指令需要经过多个时钟周期。