电脑的工作原理和过程

5．电脑的工作原理和工作过程

计算机是一种机器，是人类发明的一种工具。但是，它与人类发明创造的其他工具有着本质的不同，人类发明的机器大多可以看作是人的手或脚的延伸，它们能够完成的是人原本需要耗费体力去完成的事情。而计算机则不同，它可以看作是人头脑的延伸，能帮助人做那些原本需要耗费人的脑力完成的工作。

计算机工作原理的模型是由英国数学家图灵提出的，这种模型后人称之为图灵机。图灵机就是计算机的工作原理模型。图灵机的工作原理的细节是复杂的，但是它背后的原则并不十分复杂。它的基本思想是把任意一台图灵机T的指令编码成在磁带上表示成0和1的字符串。然后这段磁带被当作某一台特殊的被称作普适图灵机U的输入的开始部分。接着这台机器正如T所要进行的那样，作用于输入的余下部分。普适图灵机是万有的模仿者。“磁带”的开始部分赋予该普适机器U需要用以准确模拟任何给定机器T的全部信息。

电脑辅助设计

图灵

而计算机的工作过程就是执行程序的过程。怎样组织程序，涉及计算机体系结构问题。现在的计算机都是基于“程序存储”概念设计制造出来的。软件工程师将编好的程序预先送入内存存储器中，然后启动计算机工作，计算机无须操作人员干预，便能逐条地分析操作者发出的指令和执行相应的指令。这便是对“程序存储”的简单理解。

了解了“程序存储”，再去理解计算机工作过程就变得十分容易。如果想叫计算机工作，就得先把程序编出来，然后通过输入设备送到存储器中保存起来，即程序存储。接下来就是执行程序的问题了。根据冯·诺依曼的设计，计算机应能自动执行程序，而执行程序又归结为逐条执行指令：

（1）取出指令：从存储器某个地址中取出要执行的指令送到CPU 内部的指令寄存器暂存；

（2）分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令寄存器，译出该指令对应的微操作；

（3）执行指令：根据指令译码器向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的操作；

冯·诺依曼

（4）为执行下一条指令做好准备，即形成下一条指令地址。(www.xing528.com)

总之，计算机的工作原理和工作过程充满了数学逻辑推理，每一个程序的正确执行都是正确的逻辑推理的结果，像5+6=11这样我们看来十分简单的问题，在计算机的操作系统中也要经过程序编写、程序输入、程序分析和执行几个宏观的步骤。

知识小百科

人工智能之父

图灵是举世罕见的天才数学家和计算机科学家，仅仅在世42年。他的英年早逝，像他横溢的才华一样，令世界吃惊与难以置信。他生命虽然短暂，但那传奇的人生、丰富多彩的创造力和智慧而深邃的思想，使他犹如一颗耀眼的明星，持续地照耀着在科学的浩瀚太空里探索未来的人们。

艾兰·图灵，1912年6月23日出生于英国伦敦一个“书香门第”。图灵很小的时候就表现出与众不同的天分，在他三四岁的时候自己学会了阅读，读的第一本书叫做《每个儿童都该知道的自然奇观》。他特别喜欢数字和智力游戏，并为之着迷。图灵自幼充满好奇与想象，母亲回忆说：“他把一个玩具木偶的胳膊、腿掰下来栽到花园里，期待能‘生长’出更多的玩具木偶，那年他3岁。”

6岁正式读书后，图灵越发显得智力超群，校长和老师都注意到这个特殊的小孩。8岁时，他写了他的第一篇“科学”短文，题目叫《说说显微镜》。教过他的老师们说：“艾兰的思维可以像袋鼠般地跳跃。”

1931年，图灵考进了剑桥大学，在该大学的“国王学院”专攻数学。图灵在数学，尤其是在“数理逻辑学”方面的深厚功底，为他几年后终于厚积薄发，一举成为计算机科学的创始人做了伏笔。

图灵机

图灵先知先觉，是走在时代前面的天才。在电子计算机远未问世之前，他居然就想到所谓“可计算性”的问题。1936年，图灵在伦敦权威的数学杂志上发表了一篇划时代的重要论文《可计算数字及其在判断性问题中的应用》。文章里，图灵超出了一般数学家的思维范畴，完全抛开数学上定义新概念的传统方式，独辟蹊径，构造出一台完全属于想象中的“计算机”，数学家们把它称为“图灵机”。“图灵机”想象使用一条无限长度的纸带子，带子上划分成许多格子。如果格里画条线，就代表“1”；空白的格子，则代表“0”。想象这个“计算机”还具有读写功能：既可以从带子上读出信息，也可以往带子上写信息。计算机仅有的运算功能是：每把纸带子向前移动一格，就把“1”变成“0”，或者把“0”变成“1”。“0”和“1”代表着在解决某个特定数学问题中的运算步骤。“图灵机”能够识别运算过程中每一步，并且能够按部就班地执行一系列的运算，直到获得最终答案。

“图灵机”是一个虚拟的“计算机”，完全忽略硬件状态，考虑的焦点是逻辑结构。图灵在他那篇著名的文章里，还进一步设计出被人们称为“万能图灵机”的模型，它可以模拟其他任何一台解决某个特定数学问题的“图灵机”的工作状态。他甚至还想象在带子上存储数据和程序。“万能图灵机”实际上就是现代通用计算机的最原始的模型。