智能科学技术导论-周乐昌-第02讲 机器系统.docx

第02讲机器系统
导语
机器系统既是智能的载体，又是实现智能的工具。一般类似于我们人类智能系统的大脑与心智，任意一个机器系统分为硬件（含软件硬件化的固件）与软件两个方面。比较典型的机器系统就是我们最为常见的通用计算机系统。因此，我们以通用计算机系统为例来介绍机器系统及其基本工作原理。
OperatingSystem

Process
Input___StorageOutput

一般机器系统的构成原理图

我们日常使用的台式计算机或笔记本计算机就是一种典型的机器系统，可以接受数据（输入）、根据某些规则来处置这些数据（处理）、产生处理结果（输出），并储存这些结果（存储）为以后所用。本讲就是为诸位介绍机器系统的一般功能实现原理。

自左顺时针依次是掌上机，小型机，大型机，超级机，专用机。
第2.1节数据存储
无论是人脑，还是机器，信息表征一直是一个关键问题。对于机器而言，信息表征就是数据存储问题。信息对于心智而言，主要是知识；信息对于机器而言，则就是数据。区分两者的主要标准就是意义解读。数据仅仅是对事物的一种编码形式，而知识则不仅仅是编码，其中对于主体而言，还有更加重要的“意义”。但对于机器而言，我们只能关心其中的编码形式与存放，这就是数据存储所关心的问题。
1、数字位及其存储
就像人脑神经系统通过基本单元神经元来进行信息加工一样，机器系统也有自己的基本单元，那就是数字位。所谓数字位（binarydigit），简称位，可以表示0或1中的一个数字，用以表征简单事物两种状态之一，比如神经元兴奋或抑制、开关的开或关、粒子自旋手性方向的上或下、易经卦象爻符的阳爻或阴爻、人类性别的男或女，如此等等。
当然，就一般情况而言，0或1仅仅看作是两个不同的符号，没有固定含义。但排列有序的系列数字位，却可以用来表征各种事物对象，比如可以表示数值（如整数）、编码符号（如字母）、刻画声音（一维数组）、描述图像（二维数组）等等，一切你需要表征的事物对象。下面给出的就是一种对八卦进行数字位的排列表征。
000

001100
乾
兑巽
010离坎101
震艮
坤
011110

111
用数位来编码八卦，即用0编码阳爻，用1编码阴爻，并按照经卦构成规律来排列（从里向外排列），就可以形成左图的系统编码。当年莱布尼兹就是受到《易经》启发，才发明了二进制，只是对阳爻与阴爻的次序理解有误。
从物理上讲，存储一个数字位需要使用某种具有两种状态的介质，并能够对其进行某种变换操作，其中一个状态代表0，另一种状态代表1。目前机器系统通行采用的物理介质是电磁介质，但从未来发展的趋势看，生物介质、量子介质可能是更好的选择。下面我们仅对其中电磁介质及其逻辑变换原理进行介绍。
这是目前机器系统中采用的主要存储方式，为了说明其中的原理，我们必须介绍逻辑门及其逻辑变换。在逻辑电路设计中，对数字位进行逻辑变换的最基本单元称为“门”（gate）的装置。每个门可以根据输入数字位来给出特定需要的输出数字位。不同的门往往根据其完成变换功能的不同加以命名，分别称为非门、与门、或门及异或门。非门完成非变换、与门完成与变换、或门完成或变换、异或门完成与或变换。各种逻辑门及其具体变换参见如下图表。从逻辑门的一头输入一个或两个数字位，另一头输出一个数字位。
输输输入输出
入出01
非门10

输输输入输出
入出000
与门010
101
111

输输输入输出
入出000
或门010
100
111

输输输入输出
入出000
异或011
101
110
基本逻辑门及其输入输出逻辑关系
逻辑门是电子计算机的基本模块，通过基本逻辑门还可以复合出一些复杂功能的组合门，加上非门的逻辑变换，采用不同的逻辑门（下面列表给出了常用的逻辑门），可以组合出各种不同的数字电路，完成更加复杂的逻辑变化功能。

常用逻辑门列表

若干更加复杂的逻辑门举例
特别是，采用一种称为触发器（flip-flog）电路装置就可以实现一个数字位的存储。触发器的数字电路如下面给出示意图所示，其功能是输出0或1并保持其状态直到有新的电路脉冲改变其状态。当有新的输入脉冲（数字位值）输入时，上下数字位不同的加载，触发器将有不同反应，如下图所示。这样就可以实现一个数字位的存储。
触发器的工作原理
1

0

一个简单的触发器电路将上边的输入置1
10
11
1111

1
001
这将使或门的输出变为1，将上边的输入置为0，与
然后与门的输出变为1门的1使或门不改变1
一种更加完善的触发器数字电路如图所示。触发器是构建数字电子存储器（也是其他复杂电路）的基础组件，采用相互关联的一排触发器，就可以构建任意存储n位数字位的存储单元。

一种更加完善的触发器原理图
除了触发器这种数字电路存储方式外，采用电磁介质存放数字位的存储技术还有磁芯存储器（c