冯诺依曼计算机机器级程序及其执行

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:

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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

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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?

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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

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

冯诺伊曼的计算机存储程序的设想

冯·诺伊曼的计算机存储程序的设想

事实上，今天所有的计算机，从1000美元的巨型计算机到装备手机和电子玩具的微型的单片机，都普遍具有同一个特点，即它们都属于“诺伊曼机”。它们都是同一的计算机基本结构的变种。而这种计算机的基本结构是由冯·诺伊曼在上个世纪四十年代根据图灵机的原理而建立的。有些人因为一生中只做了一件事情而变得声名显赫。而这位匈牙利出生的伟大的数学家，几乎参与了所有的事情。从量子力学到博弈论，他都做出极大的贡献。至于“诺伊曼机”，差不多只是他许多出色造诣和发明创造中的微不足道的一项。

约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann），1903年12

月29日生于匈牙利首都布达佩斯的一个富裕的犹太家庭

里。小时侯，他就表现得像个神童，六岁时能用心算完成

八位数的除法，八岁时就自学微积分。当父母亲的朋友来

访，他的表演就是让客人指定电话号码簿的某一页，他粗

略地扫视一遍，然后一字不漏地将全页号码背出来。诺伊

曼学习兴趣广泛，主要方向在数学。他23岁时取得布达

佩斯大学的博士学位，便到德国柏林大学担任讲师。他是

柏林大学有史以来最年轻的教师。他在25岁已发表10篇

重要论文，30岁时已发

大学计算机-计算思维导论

南京理工大学计算机科学与工程学院

第5讲 现代计算机： 复杂环境下程序执行理解“复杂环境下程序是如何被执行的” ---有助于理解资源受约束条件下问题解决方案的构造

---有助于建立问题求解的大思维---有助于理解并建立各学科具体问题求解的计算环境，实现跨 学科的共同创新

内容提要基本目标:

3/50 理解现代计算机系统的工作思维

基本思维：存储体系 磁盘存取 操作系统 作业与进程 程序执行的管理与控制； 资源组合利用体系化、管理分工合作协同化、外存程序内存进程化、硬件不足功能软件化

2.3 现代计算机：复杂环境下程序的执行 2.3.1 现代计算机系统的构成

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现代计算机系统的构成----硬件、软件、数据与网络

2.3.1 现代计算机系统的构成 现代计算机系统包括了什么?

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现代计算机系统由硬件、软件、数据和网络构成

各种电路板

输出 设备

CPU主 机 箱

输入 输出 设备

内 存主电路板

输入 设备

软 件 连 接 着 一 切 ， 软 件 控 制 着 一 切

软 件 正 在 占 领 全 世 界

数据是根本

网 络 改 变 着 人 们 的 工 作 、 生 活 甚 至 是 思 维 习 惯

硬件--核心

硬件--主电路板/接口电路板

硬件--外部设备

软件

50．1填空 给定程序中，函数fun的功能是：将形参n所指变量中，各位上为偶函数的数去除，剩余的书按原来从高位到低位的顺序组成一个新的数，并通过形参指针n传回所指变量。输入27638496，新数739

92.1给定程序中，函数fun的功能是将形参给定的字符串、整数、浮点数些到文本文件中，再用字符方式从此文本文件中逐个读入并显示在终端屏幕上。

95.1程序通过定义学生机构体变量，存储了学生的学号，姓名和3门课的成绩。所有学生数据均以二进制方式输出到文件中。函数fun的功能是重写形参filename所指文件中最后一个学生的数据，即用新的学生数据覆盖该学生原来的数据，其他学生的数据不变。

94.1程序通过定义学生结构体变量，存储了学生的学号、姓名和3门课的成绩。所有学生数据均以二进制方式输出到文件中。函数fun的功能是从形参filename所指的文件中读入学生数据，并按照学号从小到大排列后，再用二进制方式把排序后的学生数据输出到filename所指的文件中，覆盖原来的文件内容

91.1给定程序中：函数fun的功能是根据形参i的值返回某个函数的值。当调用正确时，程序输出： x1=5.000000, x2=3.000000, x1*x1+x1*x2=

用计算机程序解决问题

【教学思路】

教材分析

本节课是广东教育出版社《信息技术基础》第四章第1节的内容，即用计算机程序解决问题。本节是对用计算机程序解决问题的基本过程的入门介绍，是选修《算法与程序设计》的概述和引子，主要目的是通过分析和体验，了解程序设计是使用计算机解决问题的一种根本手段，了解计算机解决问题的一般过程，知道算法是程序设计的核心和灵魂，同时形成学习计算机程序设计的兴趣。

学生分析

高一学生已具备了较丰富的计算机软件使用经验，但比较多的是接触了文字处理、媒体表达等常用工具软件，对绝大多数学生而言，计算机程序只是听说，并不了解计算机程序的工作过程和编写方法。

于此同时，高一学生相较小学、初中而言具有更丰富的生活经验，有更高的数学知识水平，有更强的逻辑思维能力，对初步了解计算机程序的概念和执行过程，简单设计解决问题的算法困难不大。

【教学目标】

知识与技能

1、能说出程序的基本概念及计算机执行程序的基本过程

2、能说出算法的基本概念

3、能描述计算机解决问题的一般过程

4、能用自然语言描述简单问题的算法

过程与方法

1、能尝试对范例的模仿与改造，体验用计算机程序解决问题的一般过程

2、能在分析简单问题的基础上，体验设计算法的方法

情感、态度与价值观

通过实例分析和实践

专业 级 姓名 座位号 得分______________ …………………………密……………………封……………………线……………………………………武汉工程大学继续教育学院2013-2014学年第一学期

期末考试试卷A（共 5 页）

课程名称：计算机程序设计基础 （时间：90分钟）

一、选择题

1. VB中“程序运行”允许使用的快捷键是（ ）。 A．F2 B．F5 C．Alt+F3 D．F8

2. 改变控件在窗体中的上下位置应修改该控件的（ ）属性。 A．Top B．Left C．Width D．Right 3. 窗体模块的扩展名为（ ）。 A．.exe B．.bas C．.frx D．.frm

4. 以下语句中，与语句“IF A > “X” AND B <> “Y” Then C = p ELSE C = q”等价的是

（ ）。 A．IF A <= “X” Or B = “Y” THEN C = q ELSE C =p B．IF A <= “X” AND B = “Y” THEN C = q ELSE C =p C．IF NOT (A <= “X” Or B = “Y”) THEN C = q ELSE C =p D．IF A < “X” AND B = “Y” THEN C = q ELSE C =p 5. 下列程序段的输出结果是（ ）。

a = 10; b = 1

计算机系统

显示器 光驱

主机 音箱

键盘

鼠标

计算机系统包括软件系统和硬件系统硬件是构成计算机的各种物理设备或器 件的总称，是计算机中那些看得件、摸 得着的实体。计算机硬件由控制器、运算器、存储器、 输入设备、输出设备5个部分组成。

计算机硬件的构成

计算机系统包括软件系统和硬件系统硬件系统包括 主机和外设外设包括： 输入设备 外存储设备 输出设备输出设备

输出设 备音箱

显示器输入设备

鼠标输入设备

键盘机箱中的硬 盘、光盘驱 动器既是输 入设备，也 是输出设备

主机箱

主机箱里有什么？ —— 主机及部分外设电源

硬盘、光 驱等外设

主机包括： 主机板(主板) CPU 内存储器 显卡 声卡 等主机

主机箱里有什么？主板 内存 储器 显卡 另外还有：光 盘驱动器、软 磁盘驱动器、 网卡等 供电 电源

CPU

硬盘

声卡

主机板上有什么？键盘、鼠标插口、USB插口等

扩展槽插 口(2个)显卡插槽 主板BIOS (CMOS) 供电电池外存储器插 口(SATA)中央处理 器(CPU)

内存条插槽 (2个)

主板电 源插口

CPU把运算器和控制器放到一个芯 片上构成的器件叫做“中央处理 器”,简称CPU,它是计算机的心 脏。 CPU的主要技术指标是主频， 主频的大小决定了计算机的性能， 即主频

第5章 现代计算机：复杂环境下程序执行

1、关于现代计算机系统，下列说法正确的是_____。

(A)计算机就是一个主机箱、一个显示器、一个键盘和一个鼠标；

(B)计算机不仅仅是主机箱、显示器、键盘和鼠标，还包括扫描仪、打印机、各种数码设备； (C)计算机不仅仅是如(B)一样的硬件设备，其最重要的部分是软件，安装在该计算机的各种各样的软件才能体现出该计算机功能的强弱； (D)人们认为，计算机不仅仅包括硬件和软件，还包括网络和数据，很多的软件都可通过网络来使用，人们的注意力已经从关注软硬件转移为关注各种各样的数据； (E)上述都不正确。

答案：D 解释：

本题考核现代计算机系统相关知识；

计算机不仅仅包括硬件（主机箱、显示器、键盘和鼠标，还包括扫描仪、打印机、各种数码设备）和软件，还包括网络和数据，很多的软件都可通过网络来使用，人们的注意力已经从关注软硬件转移为关注各种各样的数据。所以D正确。

具体内容请参考第五章视频之“现代计算机系统的构成”以及第五章课件。

2、关于普通计算机的主机箱中有什么，下列说法正确的是_____。

(A)主机箱中有电源，还有一块电路板--即主板。主板上有一个微处理器(CPU)； (B)主机箱中有电源和

与机器学习和计算机视觉相关的数学

1. 线性代数 (Linear Algebra)：

我想国内的大学生都会学过这门课程，但是，未必每一位老师都能贯彻它的精要。这门学科对于Learning是必备的基础，对它的透彻掌握是必不可少的。我在科大一年级的时候就学习了这门课，后来到了香港后，又重新把线性代数读了一遍，所读的是 Introduction to Linear Algebra (3rd Ed.) by Gilbert Strang.

这本书是MIT的线性代数课使用的教材，也是被很多其它大学选用的经典教材。它的难度适中，讲解清晰，重要的是对许多核心的概念讨论得比较透彻。我个人觉得，学习线性代数，最重要的不是去熟练矩阵运算和解方程的方法——这些在实际工作中MATLAB可以代劳，关键的是要深入理解几个基础而又重要的概念：子空间(Subspace)，正交(Orthogonality)，特征值和特征向量(Eigenvalues and eigenvectors)，和线性变换(Linear transform)。从我的角度看来，一本线代教科书的质量，就在于它能否给这些根本概念以足够的重视，能否把它们的联系讲清楚。Strang的这本书在这方面是做得很好的。