第3章 计算机基本工作原理

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3.3.4 神经计算机（1） 神经计算机（1
神经计算机是一种智能计算机，它在接受与处理命 令时模拟人脑的思维功能，它将把人造神经元组装 起来，形成智能“机器脑”。 它是与神经解剖学有着密切联系，并模拟人脑思维 方法的一种计算结构。它是一种很有发展前景的未 来计算机。
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3.3.4 神经计算机（2） 神经计算机（2
神经计算机将用于制造机器人的视觉、语言处理系 统等，其中每一种用途都需要识别大量不清楚或不 确定的数据，并进行直观的判断。 中国科学院两项最新科研成果，“高精度双权值突 触 神 经 元 计 算 机 ——CASSANN-II” 和 “ 高 速 二 值 HOP FIELD网络神经计算机” 达到国际先进水平。 半导体神经网络包括了微电子、计算机、自动化、 信息处理、应用数学等多个学科，对我国人工智能 与信息技术的发展有很重要的意义，也将为微电子 开辟新的应用领域和潜在的市场。
3.3.3 生物计算机（2） 生物计算机（2
1. 密集度高：可以达到现有半导体超大规模集成电 路的10万倍 。 2. 动作速度快：分子逻辑元件的开关速度比目前的 硅半导体逻辑元件开关速度高出1000倍以上。 3. “自我修复” 的机能：可靠性非常之高，经久耐 “ 用，具有“半永久性”。 4. 耗能小：由于这种有机分子的生物化学元件是利 用化学反应来进行工作的，所需能量甚少，因此根 本不存在元件发热的问题。
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3.3.5 量子计算机（1） 量子计算机（1
冯诺伊曼的两项基本原则（2） 诺伊曼的两项基本原则（ 层次化存储
硬件模型
传统计算机 网络计算机
网络计算机 传统计算机 Registers 南桥、北桥、 南桥、北桥、… Memory
IDE、SCSI、PCI、 IDE、SCSI、PCI、…
软件模型
与连接技术无关 TCP/IP是连接技术
Hard Disk
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3.3.1 并行计算（2） 并行计算（2
2. 并行处理 提高计算机性能的措施之一是提高计算机处理的并 行性，一般主要是采用“时间重叠”和 “资源重叠”的方法。 “时间重叠”是指多个处理过程在时间上互相错开， 轮流使用一套硬件设备的各个部分，以加 快硬件周转，提高计算机的处理速度，采 用流水线方式工作的计算机称为流水线计 算机系统。 “资源重叠”是指采用重复设置硬件设备的方法， 即计算机中资源最紧张的设备就使用多个， 如多处理器系统。
1. 程序 ： 计算机程序是指预先设定好的，能够在计算机系统 中运行的程序。随着科研工作的开展和计算机在各 行各业应用的推广，为了提高效率和可靠性，围绕 程序的设计、描述、构造、分析、测试和验证等方 面，发展了许多技术，它们被统称为程序技术。 2. “存储程序”原理 将我们根据特定问题编写的程序存放在计算机存储 器中，然后按存储器中存储程序的首地址执行程序 的第一条指令。以后就按照该程序的规定顺序执行 其他指令，直至程序结束执行。
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3.1.3 计算机的计算模型
计算模型是刻画计算这一概念的一种抽象形式系统或 数学系统，而算法是对计算过程步骤(或状态)的一种 刻画，是计算方法的一种能行实现方式。 20世纪30年代是计算模型研究取得突破性进展的时期。 哥德尔、丘奇(A.Church)、图灵(A.M.Turing)、波斯特 (A.Church) (A.M.Turing) (E.L.Post)等人在研究中陆续提出了一批计算模型，如 递归函数、λ演算、图灵机、波斯特系统等，并称这 些模型是用算法方法解决问题的极限。 图灵提出的形式化的理想计算模型(称为图灵机)深刻 地揭示了计算这一本质概念，为可计算理论奠定了基 础。
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3.3.5 量子计算机
量子计算机(光子计算机)是一种新型计算机。它遵循 着独一无二的量子动力学规律(特别是量子干涉)来实 现一种信息处理的新模式。 在量子计算机中，基本信息单元(叫做一个量子位或 者qubit，也叫做昆比特)不同于传统计算机，并不是 二进制位而是按照性质四个一组组成的单元。qubit 不仅能在相应于传统计算机位的逻辑状态0和1稳定 存在，而且也能在相应于这些传统位的混合或重叠 状态存在。
第3章 计算机基本工作原理
（时间：2次课，4学时）
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第3章 计算机基本工作原理
3.1 3.2 3.3 3.4 计算的概念 冯诺依曼结构 诺依曼结构 超越冯诺依曼结构 超越冯 诺依曼结构 思考题
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3.1.2 广义的计算
广义的计算，则是指“一个问题有没有方法来解决”。 即什么能有效地自动进行？什么不能有效地自动进行？ 这就是“能行性”的问题。 计算可以深入扩展到数学和工程两个领域。即数学为 计算提供理论、方法和技术，而工程为实际计算和应 用提供可以自动计算的设备，并为更有效地完成计算 和应用任务提供工程技术和方法。 计算的主要研究问题是怎样判断一类数学问题是否机 械可解的。
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3.3.3 生物计算机（1） 生物计算机（1
所以，有的科学家设想：假如有机物的分子也具有 这种“开”和“关”的功能，那岂不是可以把它们 作为计算机的基本构件，从而造出“有机物计算机” 吗？ 科学家发 现，一些半醌类有 机化合物的分子具 备 “开”和“关”两种电态功能，可以把它当成一个 开关。科学家们还进一步发现，蛋白质分子中的氢 也具备“开”和“关”两种电态功能，因而也可以 把一个蛋白质分子当成一个开关。 从理论上说，只要是用半醌类有机化合物的分子或 蛋白质的 分子作元件，就能 制造出“半醌型” 或 “蛋白质型”的计算机。由于有机物分子总是存在 于生物体 内，所以人们把这 种有机物计算机称 作 “生物计算机”，或称作“分子计算机”。 http://www.wenyuan.com.cn/webnew/
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冯诺伊曼的两项基本原则（1） 诺伊曼的两项基本原则（ 程序也是数据
程序 数据
本机 存储
程序
数据
本机 存储
程序
数据
网络 存储
程序
数据
网络 存储
浏览器模型 （HTML里面加URL）
网络计算模型 (代码中加URL)
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3.3.2 向量计算机 （2）
2. 向量计算机 将一组相同性质的、相互独立的标量称为“向量”， 如数组中的N个元素。对这样一组数的运算称为“向 量处理”。一条向量指令可以处理N个或N对操作数。 因此，向量指令的处理效率要比标量指令的处理效 率高得多。 能够使用向量指令的计算机称为向量计算机。向量 处理结构目前已成为解决数值计算问题的一种最重 要的高性能结构。它有两个主要优点：效率高和适 用性广。
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3.2 冯诺依曼结构
3.2.1 “存储程序”原理 存储程序” 存储程序 3.2.2 冯诺依曼结构 诺依曼结构 3.2.3 计算机系统组成
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3.2.1 “存储程序”原理 “存储程序”原理
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3.3.1 并行计算（3） 并行计算（3
3. 并行计算 利用并行计算机系统进行信息的并行处理称为并行 计算。并行计算的内容主要包括并行计算 方法、并行计算模型、并行算法、并行程 序设计、并行测试程序、测试结构分析等 等。其中，并行算法是并行处理的研究重 点之一。 并行算法的目标就是以空间换时间。即通过增加空 间的维数和处理器的台数，来换取算法实 现所需的时间
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3.3.2 向量计算机 （1）
1.标量 什么是标量呢？通常我们将程序中所使用的常量、变 量或数组等其他结构的每一个元素都称为标量。 程序的指令序列称为“标量指令序列”，它的执行过 程为“标量处理”过程。一般来说，一条标量指令只能 处理一个或一对操作数。 基于冯诺依曼结构的计算机属于标量计算机。
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3.3.1 并行计算（1） 并行计算（1
1. 并行性 所谓并行性是指在同一时刻或在同一时间段内完成 两种或两种以上的工作，并行性是指时间 上的重叠。严格地说，并行性可分为同时 性和并发性两种形式。同时性是指两个或 多个事件在同一时刻发生，如书法家左右 手同时书写。并发性是指两个或多个事件 在同一时间段内发生。
TCP/IP、NETBIOS、HTTP、 TCP/IP、NETBIOS、HTTP、…
Internet
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3.2.3 计算机系统组成
一个完整的计算机系统应包含硬件系统和软 件系统。 硬件系统是指组成计算机的物理设备，即由 电子器件、机械部件构成的具有输入、输出、 处理等功能的实体部件。 软件系统是指计算机系统中的程序以及开发、 使用和维护程序所形成的文档。
图3.2 计算 机系统的组成
应用软件
数 据 库 管 理 系 统 (Oracle、 IBM 、DB2 等 ) 文字处理软件 表格处理软件 辅助设计软件 实时控制软件 其他应用软件
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3.3 超越冯诺依曼结构 超越冯
3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 并行计算 向量计算机 生物计算机 神经计算机 量子计算机 三值光计算机
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运算器 中 央 处 理 器 (CPU) 主机 内存储器 硬件 系统 随 机 存 储 器 (RAM ) 输 入 设 备 (键 盘 、鼠 标 、扫 描 仪 等 ) 外部设备 输 出 设 备 (显 示 器 、打 印 机 、绘 图 仪 等 ) 外 存 储 器 (硬 盘 、软 盘 、磁 带 、光 盘 等 ) 计 算 机 系 统 系统软件 系统服务程序 软件 系统 操 作 系 统 (Windows、UNIX、Linux 等 ) 编译程序 语言处理系统 解释程序 汇编程序 监 控 、检 测 程 序 连接编辑程序 连接装配程序 调试程序 其他服务程序 控制器 只 读 存 储 器 (ROM )
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3.2.2 冯诺依曼结构
主要由五部分组成：存储器、运算器、控制器、 输入设备、输出设备。
输入设备 程序 数据 存储器 输出设备 结果 主机
运算器
控制器
图例： ................................................................................................
3.1 计算的概念
3.1.1 狭义的计算 3.1.2 广义的计算 3.1.3 计算机的计算模型
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3.1.1 狭义的计算
计算作为数学的研究对象已有几千年了。计算本身不 等于数学，但数学确实是起源于对计算的研究。 狭义的计算(传统的计算的概念)，是指数的计算，即 通过掌握的数学知识对数进行的一些运算，如加、减、 乘、除、三角函数和微积分等等。这也是我们日常生 活中所说的计算的概念。