简述冯诺依曼体系结构的工作原理

大学计算机-计算思维导论

李旻先 minxianli@http://www.77cn.com.cn

南京理工大学计算机科学与工程学院

第3讲 冯.诺依曼计算机： 机器级程序及其执行理解“程序和数据如何被存储、如何被执行的”,有助 于构造和设计可执行的算法和程序，有助于复杂环境下 程序执行机制的理解

内容提要基本目标:

3/38

理解程序及其硬件实现思维

基本思维：机器级算法与程序 机器指令与指令系统 存储器 存储程序 运算器与 控制器 机器级程序的执行；算法程序化 程序指令化 指令存储化 执行信号化

冯.诺依曼计算机：机器级程序及其执行 2.2.1 图灵机的思想与模型简介

4/38

图灵机的思想与模型简介----图灵的贡献 ----图灵机：计算机的理论模型 ----指令、数据、程序与程序执行

图灵是谁?

5/38

图灵及其贡献 图灵(Alan Turing, 1912~1954),出生于英国伦敦，19 岁入剑桥皇家学院，22 岁当选为皇家学会会员。 1937 年，发表了论文《论可计算数及其在判定问题中的应 用》,提出了图灵机模型，后来，冯〃诺依曼根据这个模型设 计出历史上第一台电子计算机。

1950 年，发表了划时代的文章：《机器能思考吗?》,成为了人工智能的开山之

S N M P的体系结构及工

作原理

文档编制序号：[KK8UY-LL9IO69-TTO6M3-MTOL89-FTT688]

S N M P的体系结构及工作原理网管系统软件是由以下部分组成的

Manager：

管理员使用的工作站，通过网管软件查看和分析网管数据。

Agent

网管代理。网管代理一般分为两个功能模块和一个公用模块MIB库

查询/设置模块

此模块接受来自Manager的查询和设置指令，并根据指令处理相关数据，如将被查询的数据返回给Manager,或使设置的数据对相关Device生效。

对于SNMP Agent，此模块至少需要实现以下协议接口：

get-request

set-request

get-next-request

get-reponse

告警模块

告警模块将设备产生的告警发送给Manager。对于SNMP Agent.此模块至少需要实现Trap协议接口。

MIB库

MIB(管理信息库)保存被管理设备的相关管理信息。在SNMP Agent里， MIB通常用文本文件格式保存。

一个MIB描述了包含在数据库中的对象或表项。每一个对象或表项都有以下四个属性：

对象类型（Object Type）

语法（Syntax）

存取（Access）

状态（Status）

在SNMP规范之

第4章 冯.诺依曼计算机：机器级程序

及其执行

1、关于“图灵机”，下列说法不正确的是_____。 (A)图灵机给出的是计算机的理论模型；

(B)图灵机的状态转移函数，其实就是一条指令，即在q状态下，当输入为X时，输出为Y，读写头向右(R)、向左(L)移动一格或不动(N)，状态变为p；

(C)图灵机是一种离散的、有穷的、构造性的问题求解思路；

(D)凡是能用算法方法解决的问题也一定能用图灵机解决；凡是图灵机解决不了的问题人和算法也解决不了； (E)上述有不正确的。

答案是：E

2、关于“图灵机”和“计算”，下列说法不正确的是_____。

(A)计算就是对一条两端可无限延长的纸带上的一串0和1，一步一步地执行指令，经过有限步骤后得到的一个满足预先规定的符号串的变换过程；

(B)“数据”可被制成一串0和1的纸带送入机器中进行自动处理，被称为数据纸带；处理数据的“指令”也可被制作成一串0和1的纸带送入机器中，被称为程序纸带；机器一方面阅读程序纸带上的指令，并按照该指令对数据纸带上的数据进行变换处理。

(C)计算机器可以这样来制造：读取程序纸带上的指令，并按照该指令对数据纸带上的数据做相应的变换，这就是图灵机的基本思想

以下内容集合了网上收集的硬件知识、本人的安装使用体会，以及跟帖中各位提供的理论或经验，本人在此汇总整理。注意，仅仅针对64位CPU，希望对大家有所帮助。

就硬件层面，现在CPU的地址总线、芯片组BIOS等基本上已经对4GB以上容量的内存提供了良好支持。目前，对大内存的使用，系统的内存寻址能力、使用机制才是关键。

一、32位windows系统使用内存的限制

参考此文：

http://www.shineblog.com/user1/16922/archives/2008/986614.shtml

x86的32架构允许的最大内存寻址空间为4GB，如果想要32位系统支持4GB以上内存寻址空间的话，就要用PAE的特殊内核，采用特殊方式访问，但是系统效率会比原生的64位系统低。即使32位系统显示出4G内存，也发挥不出4G内存的能量，2G和4G是差不多的。

PAE-----Intel Physical Address Extension（物理地址扩展），是36位内存寻址模式，允许32系统寻址能力超过4GB。PAE需要适当的硬件和操作系统支持。处理器为Intel Pentium Pro以上，操作系统支持Windows NT 4.0企业版，Wi

MIPS CPU 体系结构概述 http://www.xtrj.org/mips/ 陈怀临

1。序言

本文介绍MIPS体系结构，着重于其寄存器约定，MMU及存储管理，异常和中断处理等等。

通过本文，希望能提供一个基本的轮廓概念给对MIPS CPU及之上OS有兴趣的读者。

并能开始阅读更详细的归约(SPECIFICATION)资料。

MIPS是最早的，最成功的RISC(Reduced Instruction Set Computer)处理 器之一，起源于Stanford Univ的电机系. 其创始人 John L. Hennessy在1984年在硅谷创立

了MIPS INC. 公司(www.mips.com)。John L. Hennessy目前是Stanford Univ. 的校长。在此之前，他是 Stanford电子工程学院的Dean。CS专业的学生都知道两本著名的书： “Computer Organization and Design : The Hardware/Software Interface” 和 ”Computer Architecture : A Quantitative Approach“。其

班 级 学 号 姓 名

总2010 －2011 学年第 2 学期

分 课程名称：计算机体系结构

得分 一．填空题（每小题 1 分，共 15 分） 1. 计算机系统结构是指由 程序员 所看到的计算机的属性，即 和功能特性。

2. Amdahl定律的一个重要推论是，如果只针对整个任务的一部分进行优

化，那么所获得的加速比不大于 1/(1-可改进比例) 。 3. 软件兼容是指同一个软件可以不加修改地运行于体系结构 相同的各档机器上，它们获得的 结果 一样，差别只在于 运行时间 不同。

4.CPU中用于存储操作数的3种存储单元分别为堆栈、 累加器 和 寄存器 。

5. DLX指令有3种指令格式，分别是I类型指令、 R类型 指令和 J类型 指令。

6．流水线中的相关分为数据相关、 结构相关 和 控制相关 三类。 7. Cache主要是为解决主存 速度 满足不了要求而提出来的，而虚拟存储器主要是为解决主存 容量 满足不了要求而提出来的。

8. 增加Cache块大小可以降低 强制性 失效，但同时也会增大 冲突性 失效。 得分 二．选择题（

MIPS CPU 体系结构概述 http://www.xtrj.org/mips/ 陈怀临

1。序言

本文介绍MIPS体系结构，着重于其寄存器约定，MMU及存储管理，异常和中断处理等等。

通过本文，希望能提供一个基本的轮廓概念给对MIPS CPU及之上OS有兴趣的读者。

并能开始阅读更详细的归约(SPECIFICATION)资料。

MIPS是最早的，最成功的RISC(Reduced Instruction Set Computer)处理 器之一，起源于Stanford Univ的电机系. 其创始人 John L. Hennessy在1984年在硅谷创立

了MIPS INC. 公司(www.mips.com)。John L. Hennessy目前是Stanford Univ. 的校长。在此之前，他是 Stanford电子工程学院的Dean。CS专业的学生都知道两本著名的书： “Computer Organization and Design : The Hardware/Software Interface” 和 ”Computer Architecture : A Quantitative Approach“。其

《高级计算机体系结构》实验

实验1 简单CPU设计

一．实验目的

设计实现简单CPU，熟悉并掌握指令结构，利用verilog编写各个子模块。

二．实验原理 1.CPU设计

CPU概念设计如图1所示：

图1

2.指令集

（1）本实验设计一个可以运行4条指令的简单CPU （2）指令格式：opcode（2 bit）＋ addr（6 bit） （3）具体4条指令如表1： 表1 指令结构 Inst Op Addr Operation ADD AND INC JMP 00 01 10 11 XXXXXX XXXXXX XXXXXX XXXXXX 加 法： AC<-AC+M[Addr] 逻辑与： AC<-AC^M[Addr] 加 1： AC<-AC+1 跳 转： PC<-Addr 3.寄存器组织

（1）累加器（AC）

a．提供ADD，AND操作的一个操作数

b．存放ADD，AND操作的结果

（2）用户不可见寄存器

a．地址寄存器（AR）：6bit，提供访问存储器单元地址

《高级计算机体系结构》实验

b．程序计数器（PC）：6bit，存放下一条指令在存储器单元中的地址 c．数据寄存器（DR）：8bit，存放从访问存储器单元的内容 d．指令寄存器（IR）：2bit，存放当前取出的指令的操作码部分

4.指令的执行

指令的执行过程如图2：

图2

（1）取指

FETCH1: AR<- PC

FETCH2: D

软件体系结构

姓 名：学 号：班 级：院 系：日 期：任课教师：课程报告

陈鹏 软件1W 计算机工程学院 陈晓平

10144103 10 2012.11.18

目录

1 引言............................................................................................................................ 2 1.1编写目的 .........................................................................................

软件体系结构

姓 名：学 号：班 级：院 系：日 期：任课教师：课程报告

陈鹏 软件1W 计算机工程学院 陈晓平

10144103 10 2012.11.18

目录

1 引言............................................................................................................................ 2 1.1编写目的 .........................................................................................