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1、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。Operating SystemProcessInput _ Storage Output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
2、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（binary digit
3、），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。000 001 100乾 兑 巽010 离 坎 101震 艮坤011 110111用数位来编码八卦，即用0编码阳爻，用1编码阴
4、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
5、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 0 1非门 1 0 输 输 输入 输出入 出 0 0 0与门 0 1 0 1 0 1 1 1 1 输 输 输入 输出入 出 0 0 0或门 0 1 0 1 0 0 1 1 1 输 输 输入 输出入 出 0 0 0异或 0 1 1 1 0 1 1 1 0 基本逻辑门及其输入输出逻辑关系逻
6、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10 一个简单的触发器电路 将上边的输入
7、置11 0 1 11 1 1 110 0 1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（core）。磁芯存储器采用电线环行缠绕磁性介质的方式来实现0或1数字位的表征存储，我们知道根据电磁学的知识，当电流从不同方向流经环行缠绕的电线时，磁性介质（磁芯）会产生两种相反的磁化方向；反过来，
8、当对已经磁化的磁芯通以电流时，则又可以探测所产生的电流效应来确定磁化方向。这样，如果两种磁化方向分别代表0与1，那么就可以利用这种磁芯装置来存储数字位。还有一种更新的电磁存储技术，那就是利用电容的充电与未充电两种状态来表征0或1，从而实现数字位的存储。这种技术已经广泛应用于集成电路的设计之中，来生产大规模的存储器，在一块芯片上可以集成数百万个微小电容。这种电容存储器通过刷新电路技术，可以制作成动态存储器，使得保存的数据保持稳定。当然，不管哪种电磁性存储器，触发器、磁芯器，还是电容器，断电后保存的数据都将不复存在，这就是为什么每次机器启动时，系统要重新读入数据到内存的缘故。2、存储器及其容量为了
9、满足大规模数据存储与处理的需要，目前的机器均拥有十分庞大的主存储器，有数目庞大的电路组群构成，其中每一个电路都能单独存取数据。为了方便数据的存取，机器主存储器中的这些存储电路以可控单元（cell）排列而成。一般一个单元表征一个字（word），即占8个数字位。一个字也称为字节（byte，简称B）也是衡量存储器容量的基本单位。因为存储器均按照二进制设计，所以机器存储容量均用2的幂次来计算，并以210=1024接近1000为单位，用kolibyte（KB）表示；以220=1048576为单位，用megabyte（MB）表示，以及以230=1073741824为单位，用gigabyte（GB）。目前大
10、型机器拥有的字节数可达数十亿之巨。为了方便存取存储单元中的数据，在机器中每个存储单元均赋以一个唯一性的地址，系统可以通过存储地址来读取或存放数据。每个存储单元中的8个数字位也按照从高到低依次标记，如下图所示。这样，系统就可以存取到每一个数字位。高端 0 1 0 1 1 0 1 0 低端最高有效位 最低有效位另外，需要占用超过一个字节的数据，则通过顺序或随机方式来加以组织。目前大多数机器的存储器采用的是随机存储方式组织数据的存取，所以目前机器的存储器也称为随机访问存储器（random access memory， RAM）或动态随机访问存储器（DRAM）。存储单元按照固定的地址来访问，如本图所示
11、。每一个存储单元都被赋予了一个唯一的“名字”，称为地址(address)。主存储器的容量尽管十分巨大，但由于带电工作方式（离电后数据的易失性）以及不断增长的数据量存储需要，目前大多数机器除了主存储器外，一般都带有容量更大的外部存储设备，如磁盘（优盘、硬盘）、磁带和光盘等，存储容量以TB（1040）计。我们一般称其为大容量存储器。在大容量存储器中，数据往往以文件的单元进行存取。由于这些大容量存储器主要以扇区存放数据的，没有随机直接按地址访问存储的内容，因此读取效率要远远低于主存储器。ROM散热风扇下面是CPURAM机器系统主板上的CPU、RAM 和ROM 可移动储存器 可扩展储存器 内置式储存器
12、非易失储存器对于存储器容量的需求是没有止境的，人们总是希望用尽可能小的尺度内开发尽可能多的存储单元。因此，各种新型的存储技术一直在不断的开发之中。特别是随着量子计算、纳米技术、隧道扫描技术等的不断推进，采用新型超高密度存储技术开发的存储器会达到令人瞠目结舌的地步。比如，可以将1数字位（1 bit）的数据信息保存在一个原子上，而现有的存储器要保存等量的数据信息需要至少100万个磁性原子。也就是说，同样尺度的存储器，这种新型超高密度存储器是目前存储器容量的100万倍。我们期待这一天的早日来临。可以将1比特（1 bit）的数据信息保存在一个单独的原子上。而在此之前，要保存等量的数据信息需要至少100
13、万个磁性原子IBM苏黎世研究实验室则研发出了分子开关3、数据的二进制表示归纳从上述数据存储技术可以看出，对于给定的数据，系统采用一串数字位，每个数字位有两种取值的可能选择，数据的这种表征方式，被称为二进制数据表示。不失一般性，对于任意M进制表示的一个n位数据，可以抽象为如下形式：XnXn-1XiX2X1其对应的十进制数值（M2）为：XnMn-1+Xn-1Mn-2+XiMi-1+X2M1+X1M0其中Xi0，1，n-1表示第i位的取值。按照这样的计算公式，我们可以非常容易地将一个给定数据在M进制与十进制之间做相互转换表示（如果是一进制表示的数值，直接计数出现0符号的个数，规定出现l个0代表数值l-1）。比如对于二进制表示的1010110对应的十进制数就是126+025+124+023+122+121+020结果就是86。反之，将十进制数据转化为M进制表示，只需要不断用M除以该数的商数（初始商数为该数本数），依次记录下第i次（代表第i位）计算的余数，就是第i数字位上的取值，直待当前商数为0终止。比如对于十进制数值123，经这样的计算可以得到二进制表示的1111011。类似地，也可以得到三进制表示的11120，如此等等。将十进制数123转换成等值的二进制数：除以2的商（取整） 余数123/2 = 61 161/2 = 30 130/2 = 15 015/2 = 7
