一、图灵模型
- Alan Turing 设想所有的计算都可能在一个特殊的机器上执行。
- 数据处理器：
-
首先计算机是一个数据处理器，可以认为计算机是一个接收输入数据、处理数据并产生输出数据的黑盒。
image.png
- 图灵模型（可编程数据处理器）：
-
相对于数据处理器，该模型添加了一个额外的元素——程序(用来告诉计算机对数据进行处理的指令集合)
image.png 输入数据→计算机→输出数据
这种模型中输出数据依赖于输入数据和程序。
- 通用图灵机
- 对现代计算机的首次描述，该机器只要提供了合适的程序就能做任何运算。
二、冯诺依曼模型
四个子系统
基于冯诺依曼模型建造的计算机分为，存储器；算术逻辑单元；控制单元；输入输出单元
image.png
存储器
- 用来存储的区域，在计算机的处理过程中存储器用来存储数据和程序。
算术逻辑单元ALU
- 用来进行计算和逻辑运算的地方
控制单元
- 对存储器、算术逻辑单元、输入/输出等子系统进行控制操作的单元。
输入/输出单元
- 输入子系统负责从计算机外部接收输入数据和程序；
- 输出子系统负责将计算机的处理结果输出到计算机外部。也包括辅助存储设备。
存储的程序概念
- 冯诺依曼模型要求程序必须存储在内存中。
- 现代计算机的存储单元主要是用来存储程序以及响应数据，这意味着数据和程序应该具有相同的格式。实际上它们都是以位模式存储在内存中的，
指令的顺序执行
- 冯诺依曼模型中的一段程序是由一组数量有限的指令组成。控制单元从内存中提取一条指令，解释指令，执行指令。
三 计算机组成
- 计算机硬件、数据、计算机软件
数据
- 冯诺依曼，将一台计算机定义为一台数据处理器。
存储数据
- 如果一台计算机是一台电子设备，最好的数据存储方式应该是电子信号。
- 后续笔记中会详细描述不同类型的数据是怎样以0和1序列的二进制的形势存储在计算机内部；和计算机内部由二进制组成的数据是怎样被处理的。
计算机软件
必须存储数据
- 在冯诺依曼模型中这些程序被存储在计算机的存储器中，内存中不仅要存储数据，还有存储程序。
指定的序列
- 这个模型要求程序必须是有序的指令集。
- 为什么程序必须是不同的指定集组成？为了重用性。
算法
- 程序员首先应该以循序渐进的方式来解决问题，接着尽量找到合适的指令（指令序列）来解决问题。
语言
- 计算机早期只有称为”机器语言“的计算机语言。
- 计算机科学家研究出利用符号代表二进制模式。
软件工程
- 指结构化程序的设计和编写。
操作系统
- 科学家发现有一系列指令对所有程序来说是公用的。如果这些指令只编写一次就可以用于所有程序，效率将会大大提高，这样就出现了操作系统的概念。
四 历史
机械计算器
- 17世纪：Pascsline、Pascal语言(结构化的程序设计语言)。
- 17世纪后期：莱布尼兹计算机器。
- 1823年，差分机、后来--分析机。
电子计算机
- 早期电子计算机：存储单元仅仅用来存放数据，利用配线或开关进行外部编程 ENIAC
- 基于冯诺依曼模型的计算机：EDVAC
几代计算机
- 第一代计算机：商用计算机，真空管作为电子开关
- 第二代计算机：晶体管代替真空管，Fortran、Cobol语言
- 第三代计算机：集成电路，小型计算机
- 第四代计算机：微型计算机，桌面处理器出现，Altair 8800
- 第五代计算机：掌上电脑与台式电脑
五 问题
- 社会问题:依赖、社会公正、数字化分裂
- 道德问题：隐私、版权、计算机犯罪
六 计算机科学
系统领域
- 计算机体系结构、计算机网络、安全问题、操作系统、算法、程序设计语言、软件工程
应用领域
- 数据库和人工智能
七 后续笔记会介绍
- 数据表示与运算
- 计算机硬件
- 计算机软件
- 数据组织与抽象
- 高级论题
八 哈佛结构
棕生看后抛出来一个问题“除了冯诺依曼结构还有别的结构吗？”
-
哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，如下图所示。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。
image.png - 哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。
- 哈佛结构是指程序和数据空间独立的体系结构， 目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈。
- 哈佛结构能基本上解决取指和取数的冲突问题。
冯·诺依曼体系和哈佛总线体系的区别
- 二者的区别就是程序空间和数据空间是否是一体的。冯·诺依曼结构数据空间和地址空间不分开，哈佛结构数据空间和地址空间是分开的。
- 哈佛总线技术应用是以DSP和ARM为代表的。采用哈佛总线体系结构的芯片内部程序空间和数据空间是分开的，这就允许同时取指和取操作数，从而大大提高了运算能力。
- DSP芯片硬件结构有冯·诺依曼结构和哈佛结构，两者区别是地址空间和数据空间分开与否。一般DSP都是采用改进型哈佛结构，就是分开的数据空间和地址空间都不只是一条，而是有多条，这根据不同的生产厂商的DSP芯片有所不同。在对外寻址方面从逻辑上来说也是一样，因为外部引脚的原因，一般来说都是通过相应的空间选取来实现的。本质上是同样的道理。
改进型的哈佛结构与哈佛体系结构差别
与冯.诺曼结构处理器比较，哈佛结构处理器有两个明显的特点：
(1).使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存；
(2).使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。
后来，又提出了改进的哈佛结构，其结构特点为：
(1).使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存；
(2).具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块（程序存储模块和数据存储模块），公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输；
(3).两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。
image.png
