智能科學技術導論-周樂昌-第02講 機器系統(tǒng)

1、第02講機器系統(tǒng)講機器系統(tǒng)導語導語機器系統(tǒng)既是智能的載體，又是實現智能的工具。一般類似于我們人類智能系統(tǒng)的大腦與心智，任意一個機器系統(tǒng)分為硬件（含軟件硬件化的固件）與軟件兩個方面。比較典型的機器系統(tǒng)就是我們最為常見的通用計算機系統(tǒng)。因此，我們以通用計算機系統(tǒng)為例來介紹機器系統(tǒng)及其基本工作原理。OperatingSystemProcessInput___StageOutput一般機器系統(tǒng)的構成原理圖我們日常使用的臺式計算機或筆記本計算機就

2、是一種典型的機器系統(tǒng)，可以接受數據（輸入）、根據某些規(guī)則來處置這些數據（處理）、產生處理結果（輸出），并儲存這些結果（存儲）為以后所用。本講就是為諸位介紹機器系統(tǒng)的一般功能實現原理。自左順時針依次是掌上機，小型機，大型機，超級機，專用機。第2.1節(jié)數據存儲節(jié)數據存儲無論是人腦，還是機器，信息表征一直是一個關鍵問題。對于機器而言，信息表征就是數據存儲問題。信息對于心智而言，主要是知識；信息對于機器而言，則就是數據。區(qū)分兩者的主要標準就是意

3、義解讀。數據僅僅是對事物的一種編碼形式，而知識則不僅僅是編碼，其中對于主體而言，還有更加重要的“意義”。但對于機器而言，我們只能關心其中的編碼形式與存放，這就是數據存儲所關心的問題。1、數字位及其存儲數字位及其存儲就像人腦神經系統(tǒng)通過基本單元神經元來進行信息加工一樣，機器系統(tǒng)也有自己的基本單元，那就是數字位。所謂數字位（binarydigit），簡稱位，可以表示0或1中的一個數字，用以表征簡單事物兩種狀態(tài)之一，比如神經元興奮或抑制、開關

4、的開或關、粒子自旋手性方向的上或下、易經卦象爻符的陽爻或陰爻、人類性別的男或女，如此等等。當然，就一般情況而言，0或1僅僅看作是兩個不同的符號，沒有固定含義。但排列有序的系列數字位，卻可以用來表征各種事物對象，比如可以表示數值（如整數）、編碼符號（如字母）、刻畫聲音（一維數組）、描述圖像（二維數組）等等，一切你需要表征的事物對象。下面給出的就是一種對八卦進行數字位的排列表征。000001100乾兌巽010離坎101震艮坤01111011

5、1用數位來編碼八卦，即用0編碼陽爻，用1編碼陰爻，并按照經卦構成規(guī)律來排列（從里向外排列），就可以形成左圖的系統(tǒng)編碼。當年萊布尼茲就是受到《易經》啟發(fā)，才發(fā)明了二進制，只是對陽爻與陰爻的次序理解有誤。從物理上講，存儲一個數字位需要使用某種具有兩種狀態(tài)的介質，并能夠對其進行某種變換操作，其中一個狀態(tài)代表0，另一種狀態(tài)代表1。目前機器系統(tǒng)通行采用的物理介質是電磁介質，但從未來發(fā)展的趨勢看，生物介質、量子介質可能是更好的選擇。下面我們僅對其中

6、電磁介質及其邏輯變換原理進行介紹。這是目前機器系統(tǒng)中采用的主要存儲方式，為了說明其中的原理，我們必須介紹邏輯門及其邏輯變換。在邏輯電路設計中，對數字位進行邏輯變換的最基本單元稱為“門”（gate）的裝置。每個門可以根據輸入數字位來給出特定需要的輸出數字位。不同的門往往根據其完成變換功能的不同加以命名，分別稱為非門、與門、或門及異或門。非門完成非變換、與門完成與變換、或門完成或變換、異或門完成與或變換。各種邏輯門及其具體變換參見如下圖表。

7、從邏輯門的一頭輸入一個或兩個數字位，另一頭輸出一個數字位。輸輸輸入輸出入出01非門10的充電與未充電兩種狀態(tài)來表征0或1，從而實現數字位的存儲。這種技術已經廣泛應用于集成電路的設計之中，來生產大規(guī)模的存儲器，在一塊芯片上可以集成數百萬個微小電容。這種電容存儲器通過刷新電路技術，可以制作成動態(tài)存儲器，使得保存的數據保持穩(wěn)定。當然，不管哪種電磁性存儲器，觸發(fā)器、磁芯器，還是電容器，斷電后保存的數據都將不復存在，這就是為什么每次機器啟動時，系

8、統(tǒng)要重新讀入數據到內存的緣故。2、存儲器及其容量存儲器及其容量為了滿足大規(guī)模數據存儲與處理的需要，目前的機器均擁有十分龐大的主存儲器，有數目龐大的電路組群構成，其中每一個電路都能單獨存取數據。為了方便數據的存取，機器主存儲器中的這些存儲電路以可控單元（cell）排列而成。一般一個單元表征一個字（wd），即占8個數字位。一個字也稱為字節(jié)（byte，簡稱B）也是衡量存儲器容量的基本單位。因為存儲器均按照二進制設計，所以機器存儲容量均用2的冪

9、次來計算，并以210=1024接近1000為單位，用kolibyte（KB）表示；以220=1048576為單位，用megabyte（MB）表示，以及以230=1073741824為單位，用gigabyte（GB）。目前大型機器擁有的字節(jié)數可達數十億之巨。為了方便存取存儲單元中的數據，在機器中每個存儲單元均賦以一個唯一性的地址，系統(tǒng)可以通過存儲地址來讀取或存放數據。每個存儲單元中的8個數字位也按照從高到低依次標記，如下圖所示。這樣，系統(tǒng)

10、就可以存取到每一個數字位。高端01011010低端最高有效位最低有效位另外，需要占用超過一個字節(jié)的數據，則通過順序或隨機方式來加以組織。目前大多數機器的存儲器采用的是隨機存儲方式組織數據的存取，所以目前機器的存儲器也稱為隨機訪問存儲器（romaccessmemy，RAM）或動態(tài)隨機訪問存儲器（DRAM）。存儲單元按照固定的地址來訪問，如本圖所示。每一個存儲單元都被賦予了一個唯一的“名字”，稱為地址(address)。主存儲器的容量盡管十

11、分巨大，但由于帶電工作方式（離電后數據的易失性）以及不斷增長的數據量存儲需要，目前大多數機器除了主存儲器外，一般都帶有容量更大的外部存儲設備，如磁盤（優(yōu)盤、硬盤）、磁帶和光盤等，存儲容量以TB（1040）計。我們一般稱其為大容量存儲器。在大容量存儲器中，數據往往以文件的單元進行存取。由于這些大容量存儲器主要以扇區(qū)存放數據的，沒有隨機直接按地址訪問存儲的內容，因此讀取效率要遠遠低于主存儲器。ROM散熱風扇下面是CPURAM機器系統(tǒng)主板上的

12、CPU、RAM和ROM可移動儲存器可擴展儲存器內置式儲存器非易失儲存器對于存儲器容量的需求是沒有止境的，人們總是希望用盡可能小的尺度內開發(fā)盡可能多的存儲單元。因此，各種新型的存儲技術一直在不斷的開發(fā)之中。特別是隨著量子計算、納米技術、隧道掃描技術等的不斷推進，采用新型超高密度存儲技術開發(fā)的存儲器會達到令人瞠目結舌的地步。比如，可以將1數字位（1bit）的數據信息保存在一個原子上，而現有的存儲器要保存等量的數據信息需要至少100萬個磁性原