二、程序如何执行

这篇文章我们通过图灵机和冯诺依曼模型来看看程序如何执行。

一、图灵机

图灵机的出现具体定义了计算机的边界、组成以及程序如何执行。图灵机的构造比较简单，它有一条无限长的纸带作为内存，纸带上有一个一个的格子，每个格子中可以写入字符，这些字符就相当于内存中的数据。图灵机通过读写头来获取和修改自带上的字符，读写头所在的模块中包括存储单元、控制单元和运算单元。那么图灵机是如何执行程序的呢？

我们以计算 10+20 的值为例来说一下。首先 10、20、+ 分别被我们卸载了纸带的格子中，然后读写头停止在 10 对应的单元格上，读取到 10 后将它放入存储设备中。接着，读写头向右移动一个格子，读取 20，同样放入存储设备中，读写头再次向右移动一个格子，读取到+号，这个+号传给控制单元，控制单元发现它是一个预设的控制符，因此不将它放入存储单元中。控制单元向运算单元发送通知，告知执行加运算。这时运算单元从存储单元读取到 10 和 20，并进行加运算。运算完成后将结果存入存储单元，并将结果发给控制单元，控制单元收到结果后控制读写向右移动一格，将结果写在纸带上。

二、冯诺依曼模型

图灵机虽然定义了计算机的组成和工作原理，单位给出具体的实现。因此冯诺依曼在图灵机的基础上提出了电子元件构造计算机，用二进制来计算与存储，并将计算机分解为 5 个部分：

1. 输入设备

2. 输出设备

3. 内存

4. CPU

5. 总线

这就是冯诺依曼模型。在这个模型中，程序和数据存储在内存中，它是线性排列的存储去，数据和程序以二级制的形式存储，单位是 bit。在内存中最小的存储单位是字节，一个字节对应一个内存地址。模型中的 CPU 主要用于计算和控制，它每次可以计算多个字节。如果 CPU 一次计算 4 个字节，那么它是 32 位的，如果一次计算 8 个字节，那么它是 64 位的。在 CPU 中有一个控制单元负责控制 CPU 工作，以及负责运算的逻辑运算单元。因为 CPU 远离内存，因此需要寄存器存储要计算的数据，它位于 CPU 中。寄存器包含通用寄存器、特殊寄存器和指令寄存器，通常我们只能通过程序操作通用寄存器。在 CPU 和内存之间存在一个特殊的设备，叫做总线。它用来控制 CPU 和内存以及其他设备之间的通信。一般来说总线分三种：

1. 地址总线，用来指定 CPU 要操作的内存地址

2. 数据总线，用来读写内存数据

3. 控制总线，用来发送和接收关键信号

前面这些设备的最终数据来源都是输入设备输入的，最终的归宿都是输出设备。

三、总结

本届主要计算了图灵机的结构和执行原理，以及冯诺依曼模型计算机的组成和 CPU 的原理。