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計算機的架構

Alice and Bob Mike Wong 2024-03-15
上文提到的圖靈機是一個理論架構,證明機器可以自行運算而不需要人的靈感和參與。但把這個理論實現出來,還需要有方法去建造一台計算機出來,這就要到後來匈牙利裔美國數學家約翰.馮.諾依曼來開始。

馮·諾依曼架構

「馮.諾依曼架構」是一種將計算機分為不同部件,並且讓它們協同工作的設計模式。這架構的基本原理,是將計算機分為4個主要部件:中央處理器(CPU)、記憶體、輸入設備和輸出設備,每個部件都有特定的功能和責任。中央處理器負責執行計算任務和控制計算機的運作;記憶體用於存儲數據和指令,以供中央處理器使用;輸入設備用於接收外部信息,如鍵盤和滑鼠;輸出設備則用於將計算結果顯示或輸出,如顯示器和打印機。


每個部件對應於圖靈機

馮.諾依曼架構中的中央處理器(CPU),可以與圖靈機的控制單元相對應。兩者都負責執行計算和控制整個計算機系統的運作。中央處理器根據指令和數據進行計算和決策,而控制單元則根據圖靈機的規則,來控制讀寫頭的移動和符號的讀寫。

記憶體可以與圖靈機的帶子相對應。在馮.諾依曼架構中,記憶體用於存儲數據和指令,供中央處理器使用。類似情況,圖靈機的帶子用於存儲符號,供控制單元讀取和寫入。

至於輸入設備和輸出設備,剛分別與圖靈機的讀寫頭和輸出相對應。前用於接收外部信息,並將其提供給中央處理器或圖靈機的控制單元;後者則將計算結果或中間結果顯示或輸出給用戶。


在圖靈機中,控制單元根據當前讀取的符號和內部狀態,根據圖靈機的規則進行操作。這與馮.諾依曼架構中的中央處理器,根據指令進行運算和控制的方式相似。


馮.諾依曼架構是現代計算機的基礎,而圖靈機則是理論計算模型的基石,兩者共同開啟了計算機科學這個領域,也是我們現在每天都可以使用手機的根基,因為直到現在的手機,也是基於馮·諾依曼架構來製造的一件產品。


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