從現代計算機視角看嵌入式系統(2)——從圖靈機到現代計算機

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從現代計算機視角看嵌入式系統(2)
——從圖靈機到現代計算機

北京航空航天大學何立民

現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，現代計算機經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核的蛻變。從此，電子計算機便走上了微處理器智力內核基礎上的現代計算機發展的陽光大道。

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仍然找不到解決一切問題的算法。人們從來沒有考慮過“除了數字以外，有什么是可以計算的”。1935年5月，邱奇發表了λ算子的論文，其核心思想是“萬物皆可為函數”，試圖用函數來形式化整個邏輯系統。1936年5月，圖靈也發表了著名論文《論可計算數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”、“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后繼續留在普林斯頓工作，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的創建之中。

研制電子計算機的最初想法產生于第二次世界大戰期間，正式起步源于美軍方對新型大炮、導彈彈道數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典體系結構，這一體系結構延續至今。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展史。

圖靈與馮·諾依曼都是現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。圖靈思想實現了人工智能與計算的天才結合，成為現代計算機的理論源頭，馮·諾伊曼創建了通用計算機的經典體系結構。

2圖靈機的人工智能體系結構

20世紀以前，數學界普遍認為，所有問題都應有相應的算法。為此，萊布尼茨(Leibniz，1646~1716年)開創了數理邏輯的研究工作，其后，很長一段時間人們仍然找不到解決一切問題的算法，直到20世紀30年代才出現轉機，偉大的圖靈學者們，告訴人們“一切皆可計算”。從數值計算到邏輯計算，數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智力計算的圖靈機。圖靈機是一種數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 一套控制規則表，它可以根據當前機器所處的狀態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，并改變狀態寄存器的值，令機器進入一個新的狀態；

④ 一個狀態寄存器，用來保存圖靈機當前的狀態。

從圖靈機模型中，可清晰地看到，它決不是一個傳統的計算機，而是一個在指令表控制下，紙帶步進狀態下的字母狀態處理機，即在程序運行下，實現字符識別、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，在實現歸一化的圖靈機時，就可以用0、1兩個最簡單的數字狀態，實現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，經歷了漫長的道路。1938年，圖靈在劍橋大學國王學院繼續研究數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造出來，因為圖靈思想超越了現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，他無法根據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的智力。這就是著名的“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，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，將圖靈機內核化成單個芯片的智力內核，在這個內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、微處理器看成是現代計算機演化的里程碑事件。圖靈機奠定了現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。

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展方向上大相徑庭，不可兼得。智力仿真須著力實現高速海量數值計算，而智力控制的首要任務是要嵌入到對象體系中，實現對象系統的信息交互、處理與控制，高速海量數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，用智力內核方式解決了智力仿真與智力控制在發展方向上的矛盾。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)