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冯诺依曼结构

装过电脑的朋友们都知道计算机由以下结构组成:

• CPU：计算

• GPU：图形计算

• 内存：存储

• 主板：连接各种组件

  • 芯片组（Chipset）
  • 总线（Bus）
  • 南桥：作为“桥”，来连接鼠标、键盘以及硬盘这些外部设备和 CPU 之间的通信。
  • 北桥：作为“桥”，连接 CPU 和内存、显卡之间的通信。现在集成在CPU

• 输出设备：IO、显示器、打印机

• 输入设备：鼠标、键盘

这就是源于冯诺依曼体系结构：

冯诺依曼机是一种计算机结构，核心思想是将计算机的指令和数据存储在同一块存储器中，以便能够实现程序的自动执行。这种设计大大简化了计算机的控制和操作，使得计算机能够更加高效地工作。

图灵机

图灵机的基本思想是把计算看作是一种运行在无限长纸带上的操作。纸带被划分为一系列单元，每个单元上可以写入一个符号，如0或1。图灵机通过在纸带上移动和改变符号来执行计算。它还包括一个有限状态控制器，该控制器根据当前的符号和状态执行特定的指令。

图灵机和冯诺依曼机的区别：

1. 存储方式不同：冯诺依曼机使用存储器来存储指令和数据，而图灵机使用纸带来存储数据。
2. 操作方式不同：冯诺依曼机使用指令和数据在存储器中进行操作，而图灵机使用单个读写头在纸带上读取和写入数据。
3. 指令集不同：冯诺依曼机使用指令集来执行计算，而图灵机使用单个指令来操作数据。
4. 应用领域不同：冯诺依曼机主要用于实际的计算机实现，而图灵机主要用于理论计算模型的研究。

程序是怎么运行的？

一个程序执行的时候，CPU 会根据 PC 寄存器里的地址，从内存里面把需要执行的指令读取到指令寄存器里面执行，然后根据指令长度自增，开始顺序读取下一条指令。可以看到，一个程序的一条条指令，在内存里面是连续保存的，也会一条条顺序加载。

常见的计算机指令：

1. 加载指令（Load）：将数据从内存中读取到寄存器或其他存储器中。
2. 存储指令（Store）：将数据从寄存器或其他存储器中写入内存。
3. 运算指令（Arithmetic and Logic）：包括加、减、乘、除、与、或、异或等运算。
4. 分支指令（Branch）：根据条件跳转到程序的不同位置。
5. 跳转指令（Jump）：直接跳转到指定位置执行。
6. 子程序指令（Call/Return）：调用和返回子程序。
7. 输入输出指令（Input/Output）：从输入设备读取数据或向输出设备写入数据。
8. 空指令（No Operation）：什么也不做，只是用来占据指令空间。
9. 陷阱指令（Trap）：用来触发操作系统中的系统调用。
10. 浮点数指令（Floating Point）：用于浮点数的加减乘除等运算。
11. 向量指令（Vector）：用于向量运算，处理器同时执行多个操作。
12. 加密指令（Encryption）：用于加密和解密数据。

对于我们熟悉的编程语言，都可以转化为基本的计算机指令：

• If else：cmp+jne (jump if not equal)
• for：cmp+jle
• Switch:cmp+je

就像是一条纸带，顺序执行时顺序读取，jump时纸带前后倒带，符合了图灵机的构想。