第五节 图灵机模型——电子计算机
现在被广泛称之为“电脑”的电子计算机于1945年底诞生在美国。这一发明的与众不同之处在于，它是一种能扩展人类思维器官功能的机器，它的出现，为人工智能的发展奠定了技术基础，在人类智力解放的道路上建立了一座里程碑。
计算机的历史可以追溯到中国古老的算盘、法国数学家巴斯卡（1623～1662）的加法机（1642年）、德国数学家莱布尼茨（1646～1715）的四则运算机（1694年）和英国数学家巴贝奇（1792～1871）的分析机设想（1883年），而查卡织布机（1802年）、布尔代数（1854年）和霍勒里斯（1860～1929）的打孔式统计机（1884年）则为数值和信息的二进制机械表达提供了启迪。20世纪初人们已经制造出许多种机械计数器和机械计算机，包括手摇和机械驱动的。
一、图灵机
通用信息处理机或者计算机经过了如下的发展主线：1936年英国数学家图灵（1912～1954）提出机械计算模型；1938年美国科学家申农（1916～）提出用布尔代数分析复杂的开关电路；1940年犹太血统的美国科学家维纳（1894～1964）提出，自动计算机应采用电子管作高速开关组成的逻辑电路，以进行二进制加法和乘法的数字运算；1945年匈牙利血统的美国科学家冯·诺依曼（1903～1957）提出计算机必须使用动态存储器来内存程序。电子计算机就是在这些主要思想的指导下诞生和发展的。从第一台通用电子数字计算机“埃尼雅克”诞生，经过电子管、晶体管和集成电路诸阶段，电子计算机已发展出能为广大公众普遍应用的个人计算机。
图灵机其实只是一种纯数学抽象的机械计算模型，实际上提供了一种通用计算机模型。所谓图灵机械计算模型，即是按某种规则，将一组数值或符号串转换成另一组数值或符号串的操作过程。这种图灵机包括三个部分：
（1）一条存储信息的无限长的带子，其上有许多格子，每个格子可以存储一个数字；
（2）一个读写头，它可以从带子上读出数字，也可以在带子的空格里写上数字；
（3）一个控制装置，可以控制带子的走动或控制读写头的读写动作。
图灵依此证明了一个重要的定理存在一种理想的计算机，它可以模拟任意给定的一个图灵机。若将它看作一个理想计算机，那么这种可模拟任何图灵机的理想计算机就是通用计算机的一个模型，因此，制造通用数字计算机是完全可行的。图灵和许多计算机科学家相信，这样的理想计算机模型能够模仿任何计算行为，包括人类的思维和判断。
二、现代电子计算机
所有现代计算机依据的基本思想模型都是图灵机。现代的电子数字计算机都是由硬件和软件两大部分组成的，硬件好比计算机的躯体，而软件则好似计算机的“灵魂”。最初的电子计算机硬件包括运算器、控制器、内存储器以及输入和输出接口五个组成部分。随着电子电路集成化的发展，运算器和控制器合并为中央处理器（CPU）做在一个芯片上，输人和输出接口（I／O）也合并在一个芯片上，连同内存储器芯片共三个芯片。进一步的发展还出现了把五个组成部分都做在一个芯片上的所谓单片机。
电子计算机软件包括系统软件和应用软件两大类，系统软件包括以操作系统和编译系统为代表的各种用于硬件管理和服务的系统，应用软件是为了解决特定问题而编制的程序，只有内存储器中装载了它们的计算机才能工作。这样的一台计算机配上外部输入设备（键盘、鼠标器以及声音和图像的录人装置等）和输出设备（显示器、打印机以及外存储器和调制解调器等），就能在人的指挥下处理信息。其内部运转过程是，输人有关的应用程序和控制参量到内存，由控制器发出指令，调用内存中的程序，在运算器中依次进行数值的和逻辑的运算操作，每次操作结果存回内存，最后计算结果通过输出设备显示。
电子计算机最本质的特点有二：一是“可编程”，二是“数字化”。所谓可编程是指计算机具有按照人们事先编排的程序通过一系列的运算完成指定任务的能力，而所谓数字化是指计算机的控制、判定和运算等各种信息处理操作都是以二进制数字为基础进行的。计算机不采用人们熟悉的十进制而采用一般人都很陌生的二进制算法主要有两个原因，一是只需“0”和“1”两个符号的二进制算法在电路上容易实现；二是二进制适合于二值逻辑演算。在计算机中“0”和“1”由电子电路的“开”和“关”两种状态表征，逻辑关系中的肯定和否定也与“0”和“1”分别对应。
由多少个二进制位作信息处理单元是表征计算机性能的一个重要指标。一位二进制为一个“比特”，8位二进制为一个字节。
一个字节能表达的信息量为2的8次方，即256，它用来表示西文的字母表（26—33个）绰绰有余，但却远不足以表示汉字。
两个字节可以容纳256×256=65536个不同信息，但常用汉字最少也有几千个，因此在计算机中每个汉字占两个字节。最初的计算机每条指令只有8位，其后发展为16位、32位，现在已经有了64位的计算机。计算机存储器的容量以字节计，早期计算机存储容量只有几K（1000）字节，很快进入到几兆（1M=1000K）字节，现在已经发展到几百吉（1G=1000M）字节的水平。
早在1943年英国外交部所属的通讯部就制成了一台专门用于破译密码的电子计算机“巨人”（＆），它的结构和功能与晚两年才出现的“埃尼亚克”类似，但后者被公认为世界第一台通用数字电子计算机。由宾夕法尼亚大学莫尔学院建造的“埃尼亚克”是按美国军方合同要求建造的一台数字电子计算机，它使用了18000只电子管和1500个继电器，通过穿孔卡片输入和打印纸带输出。所有机器设备排成V字形的40个仪表板，占地150平方米，总重达30余吨，历时3年方得以完成。
三、冯·诺依曼机
尽管“巨人”和“埃尼雅克”的出现被认为是电子计算机诞生的标志，但它们的逻辑结构与现代数字电子计算机还有一定的差距，它们还没有程序内存部分。程序内存的思想是在“埃尼雅克”诞生的前一年（1945年初）由冯·诺依曼提出，并形成一个新的方案“埃德瓦克”（EDVAC，电子离散变量自动计算机），随之展开了把运算程序内存在动态存储器中的新型通用电子计算机的研制工作。1948年英国曼彻斯特大学研制出以阴极射线管为内存储器的电子计算机；1951年，美国研制出商业化运行的“优尼瓦克”（UNIVA），首次在通用自动计算机中以磁带取代穿孔纸带作输入和输出手段；国际商业通用机械公司（IBM）于1953年推出以静电管为内存储器、采用布斯于1947年就发明了的磁鼓为外存储器的电子计算机，接着又于1955年推出以磁鼓为内存储器的电子计算机。随着动态存储器的改进和晶体管与集成电路的发明，电子计算机在20世纪60年代进入晶体管时代，从20世纪70年代开始又进入集成电路时代。在这个飞速发展的进程中，电子计算机在功能不断增强的同时，体积和重量也不断缩小。
采用电子管元件和磁鼓作主存贮器的电子计算机，其运算速度为每秒数千次，主存贮器容量为数千字节。采用晶体管元件和美籍华人王安发明的磁芯存贮器的电子计算机，其运算速度提高到每秒几十万次，主存贮器的容量提高到10万字节，体积小到可以制成能进行四则运算、文字处理和财务分析的台式计算机，同时机器的功耗和成本都大为降低。1971年InteI公司推出微处理器芯片，集成了更多功能。单片微处理器就可以构成简单的单片机，在工业中实现对机械的自动控制，大大扩展了集成电路的应用面，并使得个人电脑机迅速发展起来，导致了社会工作方式和生活方式发生革命性的变化。随着集成度从小规模到大规模再到超大规模的进展，电子计算机的运算速度和存储容量迅速提高，大型机的运算速度已超过每秒万亿次，主存储器的容量已达干吉字节，动态存储器容量也达到数十吉字节，个人电脑的运算速度在2000年底也达到了十亿次。
计算机的发展还远无止境。现在人们设想的新型计算机有：半导体计算机，将处理器、寄存器和存储器交错地集成在同一芯片上；光计算机，实现光互连和全息储存；超导计算机，利用超导磁通状态提高工作频率。这些未来的计算机无例外地都以图灵机模型为基本蓝图，功能比今天我们常见的计算机更加强大。
现在，计算机科学家们正在研制利用自然物理过程中的量子效应制造计算机的中央处理器和动态存储器件，不再使用普通的逻辑电路。这种量子器件组成的量子计算机的运算速度和存储能力将远远高于现今的所有计算机；科学家们还考虑利用核酸链保存信息并通过核酸链之间的生化反应完成运算的生物计算机。专家们预计，量子计算机和DNA计算机是未来计算技术最重要的发展方向。
思考题
1.自然界存在着哪4种基本相互作用？规范场、守恒量和对称性3者之间的关系是怎样的？
2.简述宇宙大爆炸模型的要点。
3.简述地球岩石圈板块构造说的基本内容。
4.基因的本质是什么？DNA有哪3大功能？
5.图灵机由哪3个部分组成？电子计算机的本质特征是什么？
