智能科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論-周樂昌-第02講 機(jī)器系統(tǒng)

1、第02講機(jī)器系統(tǒng)講機(jī)器系統(tǒng)導(dǎo)語導(dǎo)語機(jī)器系統(tǒng)既是智能的載體，又是實(shí)現(xiàn)智能的工具。一般類似于我們?nèi)祟愔悄芟到y(tǒng)的大腦與心智，任意一個(gè)機(jī)器系統(tǒng)分為硬件（含軟件硬件化的固件）與軟件兩個(gè)方面。比較典型的機(jī)器系統(tǒng)就是我們最為常見的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此，我們以通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為例來介紹機(jī)器系統(tǒng)及其基本工作原理。OperatingSystemProcessInput___StageOutput一般機(jī)器系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖我們?nèi)粘Ｊ褂玫呐_式計(jì)算機(jī)或筆記本計(jì)算機(jī)就

2、是一種典型的機(jī)器系統(tǒng)，可以接受數(shù)據(jù)（輸入）、根據(jù)某些規(guī)則來處置這些數(shù)據(jù)（處理）、產(chǎn)生處理結(jié)果（輸出），并儲存這些結(jié)果（存儲）為以后所用。本講就是為諸位介紹機(jī)器系統(tǒng)的一般功能實(shí)現(xiàn)原理。自左順時(shí)針依次是掌上機(jī)，小型機(jī)，大型機(jī)，超級機(jī)，專用機(jī)。第2.1節(jié)數(shù)據(jù)存儲節(jié)數(shù)據(jù)存儲無論是人腦，還是機(jī)器，信息表征一直是一個(gè)關(guān)鍵問題。對于機(jī)器而言，信息表征就是數(shù)據(jù)存儲問題。信息對于心智而言，主要是知識；信息對于機(jī)器而言，則就是數(shù)據(jù)。區(qū)分兩者的主要標(biāo)準(zhǔn)就是意

3、義解讀。數(shù)據(jù)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(jī)器而言，我們只能關(guān)心其中的編碼形式與存放，這就是數(shù)據(jù)存儲所關(guān)心的問題。1、數(shù)字位及其存儲數(shù)字位及其存儲就像人腦神經(jīng)系統(tǒng)通過基本單元神經(jīng)元來進(jìn)行信息加工一樣，機(jī)器系統(tǒng)也有自己的基本單元，那就是數(shù)字位。所謂數(shù)字位（binarydigit），簡稱位，可以表示0或1中的一個(gè)數(shù)字，用以表征簡單事物兩種狀態(tài)之一，比如神經(jīng)元興奮或抑制、開關(guān)

4、的開或關(guān)、粒子自旋手性方向的上或下、易經(jīng)卦象爻符的陽爻或陰爻、人類性別的男或女，如此等等。當(dāng)然，就一般情況而言，0或1僅僅看作是兩個(gè)不同的符號，沒有固定含義。但排列有序的系列數(shù)字位，卻可以用來表征各種事物對象，比如可以表示數(shù)值（如整數(shù)）、編碼符號（如字母）、刻畫聲音（一維數(shù)組）、描述圖像（二維數(shù)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(jìn)行數(shù)字位的排列表征。000001100乾兌巽010離坎101震艮坤01111011

5、1用數(shù)位來編碼八卦，即用0編碼陽爻，用1編碼陰爻，并按照經(jīng)卦構(gòu)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(dāng)年萊布尼茲就是受到《易經(jīng)》啟發(fā)，才發(fā)明了二進(jìn)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(gè)數(shù)字位需要使用某種具有兩種狀態(tài)的介質(zhì)，并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行某種變換操作，其中一個(gè)狀態(tài)代表0，另一種狀態(tài)代表1。目前機(jī)器系統(tǒng)通行采用的物理介質(zhì)是電磁介質(zhì)，但從未來發(fā)展的趨勢看，生物介質(zhì)、量子介質(zhì)可能是更好的選擇。下面我們僅對其中

6、電磁介質(zhì)及其邏輯變換原理進(jìn)行介紹。這是目前機(jī)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(shè)計(jì)中，對數(shù)字位進(jìn)行邏輯變換的最基本單元稱為“門”（gate）的裝置。每個(gè)門可以根據(jù)輸入數(shù)字位來給出特定需要的輸出數(shù)字位。不同的門往往根據(jù)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(gè)或兩個(gè)數(shù)字位，另一頭輸出一個(gè)數(shù)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(shí)現(xiàn)數(shù)字位的存儲。這種技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于集成電路的設(shè)計(jì)之中，來生產(chǎn)大規(guī)模的存儲器，在一塊芯片上可以集成數(shù)百萬個(gè)微小電容。這種電容存儲器通過刷新電路技術(shù)，可以制作成動(dòng)態(tài)存儲器，使得保存的數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定。當(dāng)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(shù)據(jù)都將不復(fù)存在，這就是為什么每次機(jī)器啟動(dòng)時(shí)，系

8、統(tǒng)要重新讀入數(shù)據(jù)到內(nèi)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(shù)據(jù)存儲與處理的需要，目前的機(jī)器均擁有十分龐大的主存儲器，有數(shù)目龐大的電路組群構(gòu)成，其中每一個(gè)電路都能單獨(dú)存取數(shù)據(jù)。為了方便數(shù)據(jù)的存取，機(jī)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(gè)單元表征一個(gè)字（wd），即占8個(gè)數(shù)字位。一個(gè)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?yàn)榇鎯ζ骶凑斩M(jìn)制設(shè)計(jì)，所以機(jī)器存儲容量均用2的冪

9、次來計(jì)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(jī)器擁有的字節(jié)數(shù)可達(dá)數(shù)十億之巨。為了方便存取存儲單元中的數(shù)據(jù)，在機(jī)器中每個(gè)存儲單元均賦以一個(gè)唯一性的地址，系統(tǒng)可以通過存儲地址來讀取或存放數(shù)據(jù)。每個(gè)存儲單元中的8個(gè)數(shù)字位也按照從高到低依次標(biāo)記，如下圖所示。這樣，系統(tǒng)

10、就可以存取到每一個(gè)數(shù)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，則通過順序或隨機(jī)方式來加以組織。目前大多數(shù)機(jī)器的存儲器采用的是隨機(jī)存儲方式組織數(shù)據(jù)的存取，所以目前機(jī)器的存儲器也稱為隨機(jī)訪問存儲器（romaccessmemy，RAM）或動(dòng)態(tài)隨機(jī)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(gè)存儲單元都被賦予了一個(gè)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(shù)據(jù)的易失性）以及不斷增長的數(shù)據(jù)量存儲需要，目前大多數(shù)機(jī)器除了主存儲器外，一般都帶有容量更大的外部存儲設(shè)備，如磁盤（優(yōu)盤、硬盤）、磁帶和光盤等，存儲容量以TB（1040）計(jì)。我們一般稱其為大容量存儲器。在大容量存儲器中，數(shù)據(jù)往往以文件的單元進(jìn)行存取。由于這些大容量存儲器主要以扇區(qū)存放數(shù)據(jù)的，沒有隨機(jī)直接按地址訪問存儲的內(nèi)容，因此讀取效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主存儲器。ROM散熱風(fēng)扇下面是CPURAM機(jī)器系統(tǒng)主板上的

12、CPU、RAM和ROM可移動(dòng)儲存器可擴(kuò)展儲存器內(nèi)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(nèi)開發(fā)盡可能多的存儲單元。因此，各種新型的存儲技術(shù)一直在不斷的開發(fā)之中。特別是隨著量子計(jì)算、納米技術(shù)、隧道掃描技術(shù)等的不斷推進(jìn)，采用新型超高密度存儲技術(shù)開發(fā)的存儲器會達(dá)到令人瞠目結(jié)舌的地步。比如，可以將1數(shù)字位（1bit）的數(shù)據(jù)信息保存在一個(gè)原子上，而現(xiàn)有的存儲器要保存等量的數(shù)據(jù)信息需要至少100萬個(gè)磁性原