图灵模型

主要内容

• 图灵机模型
• 冯·诺依曼模型
• 计算机的三大部分：硬件，软件，数据

1.图灵机模型

1. 阿兰图灵（Alan Turing）在1937年首次提出了一个通用计算机的设想：所有的计算都可能在一种特殊的计算机上执行。
2. 我们可以把计算机定义为一个接受数据，处理数据，最后输出数据的一个黑盒，一个数据处理器。
3. 图灵模型是一个适用于通用计算机更好的模型，即在该模型中添加了一个额外元素——程序。程序是用来告诉计算器如何对数据进行处理的指令集合。
4. 相同的程序，相同的输入数据，输出相同的结果，而影响结果的两个因素是不同的数据和不同的程序。
5. 通用图灵机是对现代计算机的首次描述，我们只需要为一台通用图灵机提供数据和合适的程序就可以做任何运算

2.冯·诺依曼模型

• 基于图灵机建造的计算机都是可以在存储器中储存数据的，而程序也是一串数据指令，冯·诺依曼提出鉴于程序和数据在逻辑上是相同的，因此程序也能存储在计算机中存储器中。

2.1四个子系统

基于冯·诺依曼模型建造的计算机分为4个子系统：存储器、算术逻辑单元、控制单元和输入/输出单元

1.存储器

存储器是用来存储的区域，在计算机的处理过程中存储器用来存储数据和程序

2.算术逻辑单元

算术逻辑单元是（ALU）是用来进行计算和逻辑运算（布尔运算）的地方

3.控制单元

控制单元是对存储器、算术逻辑单元、输入/输出单元等子系统进行操作控制的单元

4.输入/输出

输入子系统是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处理后的结果输出到计算机的外部设备。输入和输出子系统的定义很宽泛，如在键盘指令中读取，计算结果输出到显示屏或者硬盘。

2.2存储程序概念

冯·诺依曼模型中要求程序必须存储在内存中，而早期程序是通过一系列开关配线来完成的。
现代计算机的程序和数据都是存放在存储单元中的，这意味着数据和程序有相同的格式，因为它们实际上都是以位模式（0和1的序列）存储在内存中的。

2.3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的。按照这个模型，控制单元从内存中提取一条指令，解释指令，接着执行指令。指令是通过顺序来执行的，当然这些指令也是跳转到后面或者前面的指令。指令的顺序执行是基于冯·诺依曼模型计算机的初始条件。现代计算机会以最高效的顺序来执行程序

3.计算机的组成部分

计算机由三大部分组成：计算机硬件、计算机软件、数据。

3.1计算机硬件

现代计算机虽然硬件种类繁多，但是都基于冯·诺依曼体系。

3.2数据

冯·诺依曼清楚地将一台计算机定义为一台数据处理机，它接收数据并输出数据。

1.存储数据

冯·诺依曼模型虽然没有定义数据是如何存储在计算机中的，但是如果想存入一台电子计算机，最好的方法是将数据转换为电信号。通过电信号的出现与消失两种状态(0和1)来存储二进制数据（PS：二进制的计算机都是用真与假也就是0和1来存储数据，但是现实往往有第三种状态，不清楚，不确定的状态，也就是需要三进制（-1,0,1）。三进制虽然更能表达人类的思维，但是如何采集电信号的第三态而不让其他两种状态失真以及更加复杂的电路设计是一个难题）

2.组织数据

尽管数据只能以二进制的形式储存在计算机中，但是在计算机外部却可以表现为不同的形式，如何能将二进制表现为外部的不同形式，如将计算机内的二进制表现为外部的十进制，小数，科学记数法，这也就开创了一门新的研究领域——数据结构

3.3计算机软件

图灵和冯·诺依曼模型的主要特征是程序，尽管早期的计算机是使用系列开关和配线进行计算的，但它们还是使用了程序这个概念。编程是需要在数据处理之前由操作员完成的一项工作。

1.程序是必须存储的

在冯·诺依曼模型中，程序和数据都是需要存储在存储器中的。

2.指令的序列

程序是一个有序的指令集，每个程序可以是不同指令的不同组合。

3.算法

对于不同情况，我们可以使用不同的指令组合完成，而这种组合的方法被称为算法。

4.语言

随着程序越来越复杂，而指令只能使用机械语言（位模式）来编写指令，计算机的科学家们研究出利用符号来代表位模式，就像人类的语言一样。这样计算机语言的概念就诞生了。

5.软件工程

在冯·诺依曼模型中没有定义软件工程，软件工程是指结构化的程序设计与编写。

6.操作系统

在计算机发展演变过程中，科学家们发现有一系列的指令对于所有程序都是通用的。例如：一条告诉计算机读取某个地方的数据。如果这些指令只需要编写一次就可以应用于所有程序，效率会大大提升，这样就出现了操作系统的概念。而今天操作系统完成的内容远不止这些。

4.历史

PS:了解一下就可以

5.社会问题与道德问题

PS:了解一下就可以