從現(xiàn)代計算機視角看嵌入式系統(tǒng)(2)——從圖靈機到現(xiàn)代計算機

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從現(xiàn)代計算機視角看嵌入式系統(tǒng)(2)
——從圖靈機到現(xiàn)代計算機

北京航空航天大學何立民

現(xiàn)代計算機的源頭是微處理器，微處理器的體系結構的源頭是20世紀30年代圖靈學者們的思想體系。

1936年，圖靈提出了人工智能的圖靈機模型后，現(xiàn)代計算機經(jīng)歷了一個曲折的演變過程。馮·諾依曼沿著圖靈機的思路，參與創(chuàng)建了世界上第一臺電子計算機ENIAC。然而，從第1代電子管(1945~1956年)、第2代晶體管(1956~1963年)到第3代集成電路(1964~1971年)，此后對電子計算機的探索便停滯不前。后來，1972年誕生的第一個8位微處理器8008，從另一個渠道完成了圖靈機到人工智力內(nèi)核的蛻變。從此，電子計算機便走上了微處理器智力內(nèi)核基礎上的現(xiàn)代計算機發(fā)展的陽光大道。

1圖靈學者們的偉大貢獻

20世紀30年代，一批計算學者們開始了人工智能的探索。在可計算原理基礎上，阿蘭·麥席森·圖靈(Alan Mathison Turing，1912~1954年)提出了人工智能的圖靈機模型，從而影響了電子計算機的體系結構，奠定了微處理器的思想基礎。

20世紀以前，數(shù)學界普遍認為，所有問題都應有相應的算法，可是其后很長一段時間人們?nèi)匀徽也坏浇鉀Q一切問題的算法。人們從來沒有考慮過“除了數(shù)字以外，有什么是可以計算的”。1935年5月，邱奇發(fā)表了λ算子的論文，其核心思想是“萬物皆可為函數(shù)”，試圖用函數(shù)來形式化整個邏輯系統(tǒng)。1936年5月，圖靈也發(fā)表了著名論文《論可計算數(shù)及其在判定問題上的應用》，并提出了圖靈機概念，終于將“萬物皆可為函數(shù)”、“一切皆可計算”概念科學化成可計算原理，從而將計算上升到人工智能領域。1948年，圖靈在《智能機器》論文中明確指出圖靈機的智能機概念。

圖靈的計算機理論與結構獨特的思維，引起了當時在普林斯頓高等研究院的馮·諾伊曼的注意。他極力邀請圖靈博士畢業(yè)后繼續(xù)留在普林斯頓工作，但被圖靈婉言拒絕。隨后1945年，在距離普林斯頓不遠的賓夕法尼亞大學，誕生了世界上第一臺電子計算機ENIAC。雖然圖靈沒有直接參加ENIAC的研制小組，但他的圖靈機思想，卻被馮·諾伊曼應用到ENIAC的創(chuàng)建之中。

研制電子計算機的最初想法產(chǎn)生于第二次世界大戰(zhàn)期間，正式起步源于美軍方對新型大炮、導彈彈道數(shù)學模型研究的迫切需求。任職賓夕法尼亞大學莫爾電機工程學院的莫希利(John Mauchly)于1942年提出試制第一臺電子計算機，立即得到軍方響應，并撥出巨款成立研制小組，啟動研制工作。開始進展并不順利，后來馮·諾依曼帶著原子彈研制過程中遇到的大量計算問題，于中期加入了研制小組。1945年，馮·諾依曼提出了一個全新的“存儲程序通用電子計算機方案”，對計算機研制過程中許多關鍵性問題的解決做出了重要貢獻。馮·諾依曼在ENIAC研制中的貢獻眾所周知，他不僅吸取了圖靈的理論精髄，還奠定了計算機的經(jīng)典體系結構，這一體系結構延續(xù)至今。我們把ENIAC稱為世界上第一臺電子計算機是有道理的，因為它可以書寫計算機的完整發(fā)展史。

圖靈與馮·諾依曼都是現(xiàn)代計算機歷史上的偉大人物，人們將“計算機之父”的稱號送給了馮·諾依曼，將計算機界最高獎項稱作圖靈獎。圖靈思想實現(xiàn)了人工智能與計算的天才結合，成為現(xiàn)代計算機的理論源頭，馮·諾伊曼創(chuàng)建了通用計算機的經(jīng)典體系結構。

2圖靈機的人工智能體系結構

20世紀以前，數(shù)學界普遍認為，所有問題都應有相應的算法。為此，萊布尼茨(Leibniz，1646~1716年)開創(chuàng)了數(shù)理邏輯的研究工作，其后，很長一段時間人們?nèi)匀徽也坏浇鉀Q一切問題的算法，直到20世紀30年代才出現(xiàn)轉(zhuǎn)機，偉大的圖靈學者們，告訴人們“一切皆可計算”。從數(shù)值計算到邏輯計算，數(shù)學終于走上廣義的計算領域，開始人類智力計算的長征。

圖靈不僅奠定了人類智力計算的理論基礎，而且設計出了可實現(xiàn)智力計算的圖靈機。圖靈機是一種數(shù)字邏輯機的計算模型，圖靈為了模擬人類思維的計算過程，構造出的一臺假想機器，該機器由以下幾個部分組成：

① 一條無限長的紙帶，紙帶的一端可以無限伸展；

② 一個讀寫頭，可以在紙帶上左右移動，它能讀出當前所指的格子上的符號，并能改變當前格子上的符號；

③ 一套控制規(guī)則表，它可以根據(jù)當前機器所處的狀態(tài)以及讀寫頭所指示的格子上的符號來確定讀寫頭下一步的動作，并改變狀態(tài)寄存器的值，令機器進入一個新的狀態(tài)；

④ 一個狀態(tài)寄存器，用來保存圖靈機當前的狀態(tài)。

從圖靈機模型中，可清晰地看到，它決不是一個傳統(tǒng)的計算機，而是一個在指令表控制下，紙帶步進狀態(tài)下的字母狀態(tài)處理機，即在程序運行下，實現(xiàn)字符識別、處理的全新計算機，由此奠定了未來計算機軟、硬件的二元化獨立體系。此外，圖靈機還有一個十分重要的特性，即改變紙帶字母表并不會改變其計算能力。顯然我們可以使用0、1狀態(tài)的字母表，模擬字母表為任意集合的圖靈機，這樣一來，在實現(xiàn)歸一化的圖靈機時，就可以用0、1兩個最簡單的數(shù)字狀態(tài)，實現(xiàn)圖靈機的無限思維計算。

從20世紀30年代圖靈機模型誕生，到圖靈機的實用化，經(jīng)歷了漫長的道路。1938年，圖靈在劍橋大學國王學院繼續(xù)研究數(shù)理邏輯和計算理論的同時，開始了計算機的研制工作。1939年秋，他應召到英國外交部通信處從事軍事工作，主要工作是破譯敵方密碼，并參與了世界上最早的電子計算機的研制工作。人們認為，通用計算機的概念就是阿蘭·麥席森·圖靈提出來的。1945年，圖靈轉(zhuǎn)至國家物理研究所，開始從事“自動計算機”(ACE)的邏輯設計和具體研制工作。1950年，他發(fā)表論文《計算機器與智能》，為后來的人工智能科學提供了開創(chuàng)性的構思。直到1954年圖靈去世，基于圖靈機模型的理想計算機還是沒能創(chuàng)造出來，因為圖靈思想超越了現(xiàn)代科技力所能及的范疇，直到半導體集成電路誕生。

圖靈對計算機的人工智能前途充滿信心，他還提出了著名的用來驗證計算機能否實現(xiàn)人類智力的測試方法。1950年，他在一篇題為《機器能思考嗎？》的論文中，提出了“機器思維”的概念，并由此提出一個假想：即一個人在不接觸對方的情況下，通過一種特殊的方式與對方進行一系列的問答，如果在相當長時間內(nèi)，他無法根據(jù)這些問題判斷對方是人還是計算機，那么就可以認為這個計算機具有與人相當?shù)闹橇Α＿@就是著名的“圖靈測試”。

3生不逢時的圖靈機探索

圖靈機是人工智能機，誕生于20世紀30年代，可謂生不逢時，當時沒有可實現(xiàn)圖靈機夢想的電子器件與技術支持。直到40年代，馮·諾依曼帶著圖靈機的思想理念介入ENIAC研制后，才開始圖靈機理念上的電子計算機探索。ENIAC研制，是為了滿足美國軍方導彈彈道控制與原子彈研制中的大量數(shù)值計算需求。它反映了計算與控制的兩個方面需求，也與圖靈機人工智能的智力仿真計算與智力嵌入控制的思想相吻合。

ENIAC是真空電子管時代的電子計算機，體積龐大、造價高昂、需精心維護，只能作為計算機器使用，后來盡管有了晶體管，但體積、造價仍然巨大。進入集成電路時代后，在數(shù)字邏輯電路基礎上的電子計算機仍然走不出機房，這樣的計算機可以計算彈道，但無法嵌入導彈中，作為導彈的控制器使用。

從ENIAC出發(fā)，不斷依靠新器件、新技術的電子計算機，始終無法兼顧計算與嵌入式控制兩大領域，電子計算機的探索終于走到盡頭，直到微處理器誕生。

半導體微處理器誕生表明，要兼顧計算機的計算與控制需求，必須走芯片化的道路。即在電子計算機探索的基礎上，將圖靈機內(nèi)核化成單個芯片的智力內(nèi)核，在這個內(nèi)核的基礎上分別進行智力仿真計算與智力嵌入控制的探索。

4微處理器迎來現(xiàn)代計算機的光輝時代

我們可以將圖靈機、電子計算機、微處理器看成是現(xiàn)代計算機演化的里程碑事件。圖靈機奠定了現(xiàn)代計算機的思想基礎，電子計算機完成了從模型機到實用機型的探索，微處理器則完成了從圖靈機思想到智力內(nèi)核的蛻變。

微處理器以極小體積、極低成本的單芯片方式，有效地解決了電子計算機發(fā)展的瓶頸。從1946年為解決導彈彈道控制服務的第1臺電子計算機開始，直到1971年微處理器誕生，導彈彈道控制一直是一個夢想。微處理器誕生后，開啟了微處理器基礎上微控制器的智能化控制時代。另一方面，在微處理器基礎上也可以使電子計算機脫胎換骨，使其走出機房，構成一個桌面的計算機系統(tǒng)。

人工智能機的兩大任務，是智力仿真與智力控制。它們在結構體系與技術發(fā)展方向上大相徑庭，不可兼得。智力仿真須著力實現(xiàn)高速海量數(shù)值計算，而智力控制的首要任務是要嵌入到對象體系中，實現(xiàn)對象系統(tǒng)的信息交互、處理與控制，高速海量數(shù)值計算不是微控制器的第一需要。微處理器以中央處理器為核心，用智力內(nèi)核方式解決了智力仿真與智力控制在發(fā)展方向上的矛盾。因此，微處理器誕生后，迅速分化成兩個分支，一個是通用微處理器，另一個是嵌入式處理器。通用微處理器基礎上的通用計算機，以桌面交互方式開始了人類的智力仿真；嵌入式處理器則以微控制器方式嵌入到對象體系中，實現(xiàn)對象體系的智力控制。

參考文獻

[1] 包云崗.世紀圖靈紀念[J].中國計算機學會通訊,2012(11).

[2] 何立民.工具簡史[M].北京:北京航空航天大學出版社,2015.

收稿日期：(責任編輯：薛士然2015-09-24)