2.计算机的组成和工作原理

图灵机

图灵的贡献主要有两个：

1. 建立了图灵机模型
2. 提出了图灵测试、阐述了机器智能的概念。

图灵机是一种抽象计算模型，即将人们使用纸笔进行数学运算的过程进行抽象，由一个虚拟的机器替代人们进行数学运算。所谓图灵机就是指一个抽象的机器，它有一条无限长的纸带，纸带分成了一个一个的小方格，每个方格有不同的颜色。有一个机器头在纸带上移来移去。机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序。在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。（提出时间1936年）

图灵机计算机的理论
机器的程序是五元组{Si,X,Y,L(R或N)，Sj}形式的指令集，定义了机器在一个特定状态下读入一个特定字符时所采取的动作。
五个元素的含义如下：

• Si表示机器当前的状态。
• X表示机器从方格中读入的内容，也即当前内容。
• Y表示机器用来代替X写入方格中的内容
• L/R/N分别表示左移一格、右移一格和不移动。
• Sj表示机器下一步的状态。

图灵机计算思想:

• 图灵机的功能根据输入编码的不同而变化

• 程序和数据同等看待
• 图灵机可以将程序先保存到存储带上，按照程序一步一步运行直到给出结果，结果也保存到存储带上。

冯·诺伊曼计算机

从人是如何处理事务引入计算机如何工作的：
计算机也是模仿人来处理事务的，也要有控制的装置、记忆的装置、接收的装置、计算的装置以及输出的装置。

冯·诺依曼计算机

冯·诺依曼根据图灵机的设想提出设计计算机的体系结构。这一结构也称为冯·诺依曼体系结构。
冯·诺依曼与莫尔小组合作，研制出了EDVAC计算机。该计算机根据冯·诺依曼提出的原理制造，改进了第一台计算机的不足。由此，奠定了现代计算机的体系结构。
冯·诺依曼计算机主要有三个特点：

• 计算机由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
• 指令和数据以同等地位存储在主存储器中，并按地址访问，以顺序的方式执行。
• 程序和数据以二进制表示。

计算机的工作原理

五部分如何协调工作：
计算机以存储器为中心，当通过输入设备输入用户的数据和程序之后，计算机接收这个指令，由控制器进行指挥，将数据从输入设备传送到存储器，再由控制器将需要参加运算的数据传送到运算器。在运算器中进行计算，计算的结果最终通过输出设备输出出来或者保存在存储器中。
计算机在工作的过程当中采用存储程序的方式，程序和数据在同一个存储器当中，程序和指令都可以送到运算器中进行运算，由指令组成的程序可以进行修改，一条条指令结合起来可以完成很多复杂的任务，在计算机中运算器、存储器和控制器是主要组成部分。其中运算器和控制器合在一起，称为中央处理器（CPU）。

计算机的组成

硬件系统

计算机的主要部件

计算机硬件系统主要由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部分组成.
####运算器
运算器主要是完成各种算术运算和逻辑运算，是对信息加工和处理的部件，由运算器、寄存器、累加器等组成。
####控制器
控制器用来协调和指挥整个计划和指挥整个计算机系统的操作，它读取指令并进行翻译和分析，再对各部件进行相应的控制。
在微型计算机中，运算器和控制器集成在一起构成了中央处理器（CPU），它是计算机系统的核心。
####存储器
存储器是计算机的存储部件，用来存放信息。存储器的工作速率相对于CPU的运算速率来讲要低很多。
存储器由内存储器和外存储器两种。
内存储器能直接和CPU交换数据，虽然容量小，但存取速度快，一般用于存放那些正在处理的数据或正在运行的程序；
外存储器是间接和CPU交换数据的，虽然存取速度慢，但存储容量大，价格低廉，一般用来存放暂时不用的数据。
内存储器按其工作方式的不同，可分为随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和高速缓冲存储器（Cache）。
RAM：允许对存储单元进行存取数据操作。在计算机断电后，RAM中的信息会丢失。
ROM：由于ROM中的信息是厂家在制造时用特殊方法写入的，所以ROM中的信息可以读出，但不能向其中写入数据，而且断电后其中数据也不会丢失。ROM中一般存放重要的、经常使用的程序或数据，从而可以避免这些程序和数据收到破坏。

ROM 主要用于存放计算机的启动程序，如果要更改，就需要紫外线来擦除。ROM包含一个称为BIOS的程序，这些程序指示计算机如何访问硬盘、加载操作系同并显示启动信息。

####输入设备
####输出设备

计算机中的数据存储单位

1.位（bit）
2.字节（byte）
3.字（word）：是计算机进行数据处理和运算的单位，即CPU在单位时间内能一次处理的二进制数据的位数，组成字的二进制位数称为字长。

计算机系统的主要技术指标

####主频、外频

主频是指CPU的时钟频率，也可以说是CPU的工作频率，单位是Hz。主频越高，运算速度也就越快。实际上CPU的运算速度受许多因素的影响，例如cache，所以主频高的运算速度并不一定比主频低的快。
外频是指系统的时钟频率，也可以说系统总线的工作频率，CPU与外围设备传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。

字长和位数

CPU位数就是CPU的字长，也就是CPU中通用寄存器的位数。

高速缓冲存储器

cache是位于CPU和内存之间的高速存储器，运行频率极高，一般是和CPU同频运作。cache容量也是CPU的重要指标之一，在同等条件下增加cache容量能提高CPU的执行速度。

核心数量

主频之路已经走到了拐点，因为CPU的频率越高，所需要的电能就越多，所产生的热量也就越多，从而导致各种问题。因此开发了多核芯片，核心数量也是CPU的一个重要性能指标。

软件系统

系统软件

机器语言：用二进制代码编写，机器能直接执行。

为了应用存储程序概念，CPU被设计成可以识别二进制模式编码的指令。这组指令以及编码系统称为机器语言。

汇编语言：用符号表示指令代码，需要汇编程序将其翻译成机器指令后才能运行。

用ADD表示加、SUB表示减、HLT表示停机等。

高级语言：采用接近自然语言的字符或表达式、按照一定的语法规则编写程序，需要高级语言编译程序将源程序编译生成目标程序后才能运行。

程序设计语言分为面向过程和面向对象两类。

1. 面向过程语言
   特点：强调用计算机能够理解的逻辑来描述解决问题的方法和步骤，不仅要说明做什么，还要说明如何做。过分强调求解过程的描述，程序难以重复使用。
   2.面向对象语言
   特点：能够直接描述客观世界的事物，将一切事物都看成具有属性和行为的对象。通过抽象找出同一类对象的共同属性和行为，并抽象成类。通过类的继承实现代码重用，编程效率高。

任何一种高级语言或汇编语言编写的程序（称为源程序），都不能由计算机直接执行，必须通过相应的编译程序翻译成机器语言程序（称为目标程序）后才能执行，或者通过解释程序边解释边执行。不同的语言所对应的语言处理程序也是不同的。

程序、进程和线程