数字系统的基本原理

原文转自：欢乐的智能 aulara.cn

有的人认为计算机不是PC就是Mac，因为那是我们最常见到的。实际上，还有很多其他类型的计算机。这些计算机无论大小，都具有相同的核心特 性，即都能完成逻辑运算，并且都具有类似的体系结构，只不过在设计的时候会不同程度地考虑成本、供电、大小、速度等因素。手机和平板电脑也是计算机，它们 运行操作系统并支持更加丰富多样的运算环境。比这还小的系统是嵌入式系统，日常生活里能见到的几乎所有数字设备里都有嵌入式系统，比如数码相机、摄像机、 GPS导航系统、家电、游戏机，等等 。

更大的计算机在很多年前就已经实现多个CPU共享内存了。如果能把大任务分解成小任务，而分解后的小任务又可以通过不同CPU协作完成，CPU相互 之间不会出现太长的等待，也不会有太多的相互干扰，那么就能以这种方式加快完成大任务。除了在大型系统中广泛应用，这种集成多个处理器的多核芯片在个人计 算机中也已经司空见惯，而且未来很可能会普及。

分布式计算指的是很多更加独立的计算机（比如不共享内存），而且地理上更加分散，甚至位于世界的不同地方。这样 一来，通信更加成为瓶颈，但却能够实现计算机之间的远距离协作。大规模的Web服务，比如搜索引擎、在线商店和社交网络，都是分布式计算系统。在这种系统 中，数以千计的计算机协作，可以为海量用户迅速地提供结果。

所有这些计算系统都有相同的基本原理。它们都使用通用处理器，可以通过编程完成无穷无尽种任务。每个处理器都有一个有限的简单指令表，能够完成算术 运算、比较数据、基于前置计算结果选择下一条指令。不管物理结构的变化让人多么眼花缭乱，它们的一般体系结构从1940年代至今并没有太大的变化。

或许很难想象，这些计算机都具有相同的逻辑功能，可以完成一模一样的计算（暂且不论对速度和内存的要求）。1930年代，这个结果就已经被几个人分 别独立地证明过，其中包括英国数学家艾伦·图灵。对于非专业人员，图灵的手段最容易理解。他描述了一个非常简单的计算机（比我们的玩具计算机还简单），展 示了它能够计算任何可以计算的任务。他描述的这种计算机，我们今天叫做图灵机。然后，他展示了如何创建一种图灵机，模拟其他图灵机，这种图灵机现在被称为通用图灵机。写一个模拟通用图灵机的程序很容易，而写一个程序让通用图灵机模拟真实的计算机也是可能的（尽管不容易）。实际上，从能够计算什么的角度讲，所有计算机都是等价的，尽管运行速度明显不可能等价。

第二次世界大战期间，图灵从理论转到实践：他领导开发了用于破译德军情报的计算机。1950年，他发表了一篇名为“计算机器与智能”（Computing machinery and intelligence）的论文，其中提出一个测试（即今天所谓的图灵测试），人们可以通过该测试来评估计算机是否能表现出人类的智能。想象一下，一台计算机和一个人，通过键盘和显示器与另一个提问者交流。通过问答，提问者能确定哪个是人，哪个是计算机吗？图灵的想法是，如果不能明显地将二者区分开，那么计算机就表现出了智能的行为。