从现代计算机视角看嵌入式系统(2)——从图灵机到现代计算机



从现代计算机视角看嵌入式系统(2)
——从图灵机到现代计算机

北京航空航天大学何立民

现代计算机的源头是微处理器，微处理器的体系结构的源头是20世纪30年代图灵学者们的思想体系。

1936年，图灵提出了人工智能的图灵机模型后，现代计算机经历了一个曲折的演变过程。冯·诺依曼沿着图灵机的思路，参与创建了世界上第一台电子计算机ENIAC。然而，从第1代电子管(1945~1956年)、第2代晶体管(1956~1963年)到第3代集成电路(1964~1971年)，此后对电子计算机的探索便停滞不前。后来，1972年诞生的第一个8位微处理器8008，从另一个渠道完成了图灵机到人工智力内核的蜕变。从此，电子计算机便走上了微处理器智力内核基础上的现代计算机发展的阳光大道。

1图灵学者们的伟大贡献

20世纪30年代，一批计算学者们开始了人工智能的探索。在可计算原理基础上，阿兰·麦席森·图灵(Alan Mathison Turing，1912~1954年)提出了人工智能的图灵机模型，从而影响了电子计算机的体系结构，奠定了微处理器的思想基础。

20世纪以前，数学界普遍认为，所有问题都应有相应的算法，可是其后很长一段时间人们仍然找不到解决一切问题的算法。人们从来没有考虑过“除了数字以外，有什么是可以计算的”。1935年5月，邱奇发表了λ算子的论文，其核心思想是“万物皆可为函数”，试图用函数来形式化整个逻辑系统。1936年5月，图灵也发表了著名论文《论可计算数及其在判定问题上的应用》，并提出了图灵机概念，终于将“万物皆可为函数”、“一切皆可计算”概念科学化成可计算原理，从而将计算上升到人工智能领域。1948年，图灵在《智能机器》论文中明确指出图灵机的智能机概念。

图灵的计算机理论与结构独特的思维，引起了当时在普林斯顿高等研究院的冯·诺伊曼的注意。他极力邀请图灵博士毕业后继续留在普林斯顿工作，但被图灵婉言拒绝。随后1945年，在距离普林斯顿不远的宾夕法尼亚大学，诞生了世界上第一台电子计算机ENIAC。虽然图灵没有直接参加ENIAC的研制小组，但他的图灵机思想，却被冯·诺伊曼应用到ENIAC的创建之中。

研制电子计算机的最初想法产生于第二次世界大战期间，正式起步源于美军方对新型大炮、导弹弹道数学模型研究的迫切需求。任职宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫希利(John Mauchly)于1942年提出试制第一台电子计算机，立即得到军方响应，并拨出巨款成立研制小组，启动研制工作。开始进展并不顺利，后来冯·诺依曼带着原子弹研制过程中遇到的大量计算问题，于中期加入了研制小组。1945年，冯·诺依曼提出了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”，对计算机研制过程中许多关键性问题的解决做出了重要贡献。冯·诺依曼在ENIAC研制中的贡献众所周知，他不仅吸取了图灵的理论精髄，还奠定了计算机的经典体系结构，这一体系结构延续至今。我们把ENIAC称为世界上第一台电子计算机是有道理的，因为它可以书写计算机的完整发展史。

图灵与冯·诺依曼都是现代计算机历史上的伟大人物，人们将“计算机之父”的称号送给了冯·诺依曼，将计算机界最高奖项称作图灵奖。图灵思想实现了人工智能与计算的天才结合，成为现代计算机的理论源头，冯·诺伊曼创建了通用计算机的经典体系结构。

2图灵机的人工智能体系结构

20世纪以前，数学界普遍认为，所有问题都应有相应的算法。为此，莱布尼茨(Leibniz，1646~1716年)开创了数理逻辑的研究工作，其后，很长一段时间人们仍然找不到解决一切问题的算法，直到20世纪30年代才出现转机，伟大的图灵学者们，告诉人们“一切皆可计算”。从数值计算到逻辑计算，数学终于走上广义的计算领域，开始人类智力计算的长征。

图灵不仅奠定了人类智力计算的理论基础，而且设计出了可实现智力计算的图灵机。图灵机是一种数字逻辑机的计算模型，图灵为了模拟人类思维的计算过程，构造出的一台假想机器，该机器由以下几个部分组成：

① 一条无限长的纸带，纸带的一端可以无限伸展；

② 一个读写头，可以在纸带上左右移动，它能读出当前所指的格子上的符号，并能改变当前格子上的符号；

③ 一套控制规则表，它可以根据当前机器所处的状态以及读写头所指示的格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态；

④ 一个状态寄存器，用来保存图灵机当前的状态。

从图灵机模型中，可清晰地看到，它决不是一个传统的计算机，而是一个在指令表控制下，纸带步进状态下的字母状态处理机，即在程序运行下，实现字符识别、处理的全新计算机，由此奠定了未来计算机软、硬件的二元化独立体系。此外，图灵机还有一个十分重要的特性，即改变纸带字母表并不会改变其计算能力。显然我们可以使用0、1状态的字母表，模拟字母表为任意集合的图灵机，这样一来，在实现归一化的图灵机时，就可以用0、1两个最简单的数字状态，实现图灵机的无限思维计算。

从20世纪30年代图灵机模型诞生，到图灵机的实用化，经历了漫长的道路。1938年，图灵在剑桥大学国王学院继续研究数理逻辑和计算理论的同时，开始了计算机的研制工作。1939年秋，他应召到英国外交部通信处从事军事工作，主要工作是破译敌方密码，并参与了世界上最早的电子计算机的研制工作。人们认为，通用计算机的概念就是阿兰·麦席森·图灵提出来的。1945年，图灵转至国家物理研究所，开始从事“自动计算机”(ACE)的逻辑设计和具体研制工作。1950年，他发表论文《计算机器与智能》，为后来的人工智能科学提供了开创性的构思。直到1954年图灵去世，基于图灵机模型的理想计算机还是没能创造出来，因为图灵思想超越了现代科技力所能及的范畴，直到半导体集成电路诞生。

图灵对计算机的人工智能前途充满信心，他还提出了著名的用来验证计算机能否实现人类智力的测试方法。1950年，他在一篇题为《机器能思考吗？》的论文中，提出了“机器思维”的概念，并由此提出一个假想：即一个人在不接触对方的情况下，通过一种特殊的方式与对方进行一系列的问答，如果在相当长时间内，他无法根据这些问题判断对方是人还是计算机，那么就可以认为这个计算机具有与人相当的智力。这就是著名的“图灵测试”。

3生不逢时的图灵机探索

图灵机是人工智能机，诞生于20世纪30年代，可谓生不逢时，当时没有可实现图灵机梦想的电子器件与技术支持。直到40年代，冯·诺依曼带着图灵机的思想理念介入ENIAC研制后，才开始图灵机理念上的电子计算机探索。ENIAC研制，是为了满足美国军方导弹弹道控制与原子弹研制中的大量数值计算需求。它反映了计算与控制的两个方面需求，也与图灵机人工智能的智力仿真计算与智力嵌入控制的思想相吻合。

ENIAC是真空电子管时代的电子计算机，体积庞大、造价高昂、需精心维护，只能作为计算机器使用，后来尽管有了晶体管，但体积、造价仍然巨大。进入集成电路时代后，在数字逻辑电路基础上的电子计算机仍然走不出机房，这样的计算机可以计算弹道，但无法嵌入导弹中，作为导弹的控制器使用。

从ENIAC出发，不断依靠新器件、新技术的电子计算机，始终无法兼顾计算与嵌入式控制两大领域，电子计算机的探索终于走到尽头，直到微处理器诞生。

半导体微处理器诞生表明，要兼顾计算机的计算与控制需求，必须走芯片化的道路。即在电子计算机探索的基础上，将图灵机内核化成单个芯片的智力内核，在这个内核的基础上分别进行智力仿真计算与智力嵌入控制的探索。

4微处理器迎来现代计算机的光辉时代

我们可以将图灵机、电子计算机、微处理器看成是现代计算机演化的里程碑事件。图灵机奠定了现代计算机的思想基础，电子计算机完成了从模型机到实用机型的探索，微处理器则完成了从图灵机思想到智力内核的蜕变。

微处理器以极小体积、极低成本的单芯片方式，有效地解决了电子计算机发展的瓶颈。从1946年为解决导弹弹道控制服务的第1台电子计算机开始，直到1971年微处理器诞生，导弹弹道控制一直是一个梦想。微处理器诞生后，开启了微处理器基础上微控制器的智能化控制时代。另一方面，在微处理器基础上也可以使电子计算机脱胎换骨，使其走出机房，构成一个桌面的计算机系统。

人工智能机的两大任务，是智力仿真与智力控制。它们在结构体系与技术发展方向上大相径庭，不可兼得。智力仿真须着力实现高速海量数值计算，而智力控制的首要任务是要嵌入到对象体系中，实现对象系统的信息交互、处理与控制，高速海量数值计算不是微控制器的第一需要。微处理器以中央处理器为核心，用智力内核方式解决了智力仿真与智力控制在发展方向上的矛盾。因此，微处理器诞生后，迅速分化成两个分支，一个是通用微处理器，另一个是嵌入式处理器。通用微处理器基础上的通用计算机，以桌面交互方式开始了人类的智力仿真；嵌入式处理器则以微控制器方式嵌入到对象体系中，实现对象体系的智力控制。

参考文献

[1] 包云岗.世纪图灵纪念[J].中国计算机学会通讯,2012(11).

[2] 何立民.工具简史[M].北京:北京航空航天大学出版社,2015.

收稿日期：(责任编辑：薛士然2015-09-24)