操作系统系列(3)：从图灵机到冯诺依曼机

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。

 

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，下图中的人就相当于控制器，笔相当于人具有运算返回结果的能力，纸表示存放待解决问题和记录结果的地方，相当于内存。

 

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+

 

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。

 

3）在纸带上写下5。

 

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。

下面是图灵机和通用图灵机的形象比较。

 

 

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和工作方式的设想，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。

 

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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