计算机工作的本质是什么？

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按下电源键，计算机开始工作了：

那么，问题来了： 这计算机的背后，究竟是怎么工作的呢？

下面就从图灵机开始，尝试用简单明了的语言描述这计算机工作的本质。

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1、图灵机

图灵机，是一种计算模型，它于1936年，由英国数学家 A.C.图灵 提出。

图灵机是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，
它主要由以下几部分组成：

无限长纸带，模拟草稿纸
读写指针头，模拟笔
控制器，模拟人脑

图灵机可以做下面三个基本的操作：

读取指针头指向的符号
修改指向方框中的符号
将纸带向左或向右移动

比如 计算 1+0=1 ：

读写头在纸带上读入1；
接着右移，在纸带上读入0；
接着右移，在纸带上读入+ ；
控制器给出答案是1，
于是右移，在纸带上写入 1
这样就完成了 1+0=1 的计算过程。

由此可见，图灵机是对计算的一种简单抽象的模型。

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2、通用图灵机

如果把图灵机比做一个厨师，然后把图灵机过程比做做菜的过程，
比如煎蛋的过程：

鸡蛋捣碎
色拉油入锅
油热则放鸡蛋
加少许盐
铲出鸡蛋

那么，图灵机就可以看成是一个只会煎蛋的厨师了。

从这个角度看便知，图灵机的描述是有限的；
而我们也知道，一个真正的厨师是不应该只会煎蛋的，他应该还会做其他菜；
只要客人点了菜，厨师脑子里就有个对应的菜谱出来，然后厨师就按照脑子里的菜谱，把那道菜做出来。

那么，图灵机能否实现这种效果呢？

假如我们用某种方式将图灵机编码为字符串。我们用 表示图灵机 T 的编码。

然后尝试构造一个特殊的图灵机，它可以接受任意一个图灵机 T 的编码 ，然后模拟 T 的运作。

这样的图灵机，其实就是通用图灵机，
通用图灵机就像一个真正的厨师一样，它不仅仅会煎蛋，还能读懂其他很多菜谱做很多菜；只要传入菜谱，就能做出对应的菜肴。

通用图灵机展示了这样一个过程:
控制器动作/状态 和 数据对象都可以先保存到纸带上，图灵机就按程序一步一步运行直到给出结果，结果也保存在纸带上。

同时它也揭示了这样一个简单而朴素的道理：
任意的复杂计算，都能通过一个个简单的操作完成。

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3、冯・诺依曼存储程序原理

存储程序原理，
就是将程序像数据一样存储到计算机内部存储器中的一种设计原理；
当程序存入存储器后，
按存储器存储程序的首地址执行程序的第一条指令，
然后按照该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序结束执行。

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4、计算机工作的本质

聊到这里，有没有发现 “通用图灵机+ 存储程序原理” 感觉很熟悉了 ？
一台计算机，
安装了QQ，就能运行QQ聊天；
安装了Chrome，就能运行Chrome浏览网页；
安装了音乐播放器，就能运行音乐播放器听音乐；
… …
安装载入什么样的应用程序，就能执行对应的应用程序，输出相应的结果。

即：根据 “ 冯・诺依曼存储程序原理” ，
把应用程序存放到内部存储器（纸带），
然后靠 IP 指针来读写存储器的一行行代码，
然后解释执行代码，输出结果。

【注】
IP：instruction pointer 或者叫 PC: program counter
是一种寄存器，指向当前执行指令的下一条指令，这里可以对照图灵机理解为就是那个读写指针。

简而言之，计算机的工作原理，就是这四个字 ： 取指执行

这就是计算机工作的本质。

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【参考文档】

在线图灵机模拟器请戳：turingmachinesimulator

图灵paper原文 ： ON COMPUTABLE NUMBERS, WITH AN APPLICATION TO THE ENTSCHEIDUNGSPROBLEM