《超越学科的认知基础》2015秋卢喜学习报告-第十三周
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第十三周:计算机的工作原理和大脑
关键词
正文
计算机的工作原理
- 计算机的基本原理是存贮程序和程序控制。预先要把指挥计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据通过输入设备输送到计算机内存贮器中。每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地址去等步骤
基本原理
计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令。
程序与数据一样存贮，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于1945年提出来的，故称为冯.诺依曼原理。 冯·诺依曼设计思想可以简要地概括为以下三点：
①计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件。
②计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。其中，操作码表示运算性质，地址码指出操作数在存储器的位置。
③将编好的程序和原始数据送入内存储器中，然后启动计算机工作，计算机应在不需操作人员干预的情况下，自动逐条取出指令和执行任务。
冯·诺依曼设计思想最重要之处在于他明确地提出了“程序存储”的概念。他的全部设计思想，实际上是对“程序存储”要领的具体化。
系统架构
400px 计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。美藉匈牙利科学家冯·诺依曼（John von Neumann）奠定了现代计算机的基本结构，这一结构又称冯·诺依曼结构，其特点是：
1）使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作。
2）存储单元是定长的线性组织。
3）存储空间的单元是直接寻址的。
4）使用低级机器语言，指令通过操作码来完成简单的操作。
5）对计算进行集中的顺序控制。
6）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成并规定了它们的基本功能。
7）采用二进制形式表示数据和指令。
8）在执行程序和处理数据时必须将程序和数据从外存储器装入主存储器中，然后才能使计算机在工作时能够自动调整地从存储器中取出指令并加以执行。
硬件介绍
简介
硬件通常是指构成计算机的设备实体。一台计算机的硬件系统应由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。现代计算机还包括中央处理器和总线设备。这五大部分通过系统总线完成指令所传达的操作，当计算机在接受指令后，由控制器指挥，将数据从输入设备传送到存储器存放，再由控制器将需要参加运算的数据传送到运算器，由运算器进行处理，处理后的结果由输出设备输出。
指令系统
计算机根据人们预定的安排，自动地进行数据的快速计算和加工处理。人们预定的安排是通过一连串指令（操作者的命令）来表达的，这个指令序列就称为程序。一个指令规定计算机执行一个基本操作。一个程序规定计算机完成一个完整的任务。
按照冯·诺依曼存储程序的原理，计算机在执行程序时须先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中，在执行程序时CPU根据当前程序指针寄存器的内容取出指令并执行指令，然后再取出下一条指令并执行，如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行。其工作过程就是不断地取指令和执行指令的过程，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。计算机工作过程中所要涉及的计算机硬件部件有内存储器、指令寄存器、指令译码器、计算器、控制器、运算器和输入/输出设备等，在后续的内容中将会着重介绍。
软件系统
应用软件
我们可以通过操作系统给计算机布置工作，操作系统也可以把计算机的工作结果告诉我们。可是操作系统的功能也不是无限的，实际上计算机的很多功能是靠多种应用软件来实现的。操作系统一般只负责管理好计算机，使它能正常工作。而众多的应用软件才充分发挥了计算机的作用。但这些应用软件都是建立在操作系统上的，一般情况下，某一种软件都是为特定的操作系统而设计的，因为这些软件不能直接和计算机交换信息，需要通过操作系统来传递信息。
硬件和软件的结合
这就是所谓的“硬”、“软”结合。硬件就是我们能看见的这些东西：主机、显示器、键盘、鼠标等，而软件是我们看不见的，存在于计算机内部的。打个比方，硬件就好比人类躯体，而软件就好比人类的思想，没有躯体，思想是无法存在的，但没有思想的躯体也只是一个植物人。一个正常人要完成一项工作，都是躯体在思想的支配下完成的。电脑和这相类似，没有主机等硬件，软件是无法存在的；而一个没有软件的计算机也只是一堆废铁。
操作系统对文件的管理
还有一个重要的概念没有讲，就是操作系统是如何管理文件的呢？其实也很简单，文件都有自己的名字，叫文件名，用来区分不同的文件的。计算机中的文件有很多，成千上万，光用名字来区分也不利于查找，所以计算机中又有了文件夹的概念，把不同类型的文件存储在不同的文件夹中，查找起来就快多了，也不会太乱。文件多了，可以分别存储在不同的文件夹中，而当文件夹多了之后，再把一些相关的文件夹存储在更在的文件夹中，这样管理文件是比较科学的。
大脑和“程序化”计算
大脑的分工
人脑可分为5个部分——1.端脑，指大脑两半球；2.间脑3.中脑4.后脑，由小脑和桥脑或称脑桥组成；5.延脑或称延髓。中脑、脑桥与延髓组成脑干，其间有神经细胞团与神经纤维交错组成的脑干网状结构。
大脑的基本构成单位是神经元，人脑的神经元数量巨大、寿命长，为实现其自身的强大功能提供了保障。神经元本身是一个独立的单位，通过内部的遗传物质的表达产物执行着特定的功能。不同的神经元，也可以说是大脑不同区域的神经元其功能是不一样的。为了实现功能、效率最大化，生物在进化时，总有分化的趋向。每个独立的单位都能独立的完成自己的特定功能，这些分区功能的实现又可以实现整体的体系运转。
- 这些分工机制和独立系统的存在就为“计算”问题带来了便利。使得不同的多个事物可以再不同状态下，以不同的性质完成。一方面脑需要指挥身体的各个系统器官完成基本的生命活动，维持生命特征。另一方面大脑在意识的“控制”下、外界的输入刺激下启动特定的空间进行思考、学习、记忆等活动。这一点与计算机的工作过程有着相似之处。计算机同样需要基本的运转体系维持其基本功能的正常实现，当需要进行执行特定的功能时就会开辟空间机进行处理运算。与大脑相似的是计算机执行程序的过程与细胞执行遗传物质的过程相似
- 现代工程制造的两大原理之一就说到：各个部分的运行应该是独立的、互相融洽的。这个思想也许就是根据生命体的分化特点演化而来的。
大脑的功能特点
脑有三个基本功能系统：
1、调节紧张度或觉醒状态的联合区；
2、接受、加工和保存来自外部信息的联合区；
3、制定程序，调节和控制心理活动的联合区。
人脑是高度发展的组织，接受和处理来自体内、外环境的信息，并根据这些信息通过调控保持内环境的稳定，并指导自身行动，达到适应环境和作出有利于机体自下而上的反应。为此，脑对传入的各种信息必须进行适当的处理。信息处理是脑的主要功能。人脑为了有效地处理信息，把加工任务集中到大脑皮层等，可以把不同类信息作综合处理。皮层化使人脑具有强大的信息处理能力。
脑的整体结构就是为有效收集信息并作精巧的综合处理。各种感官，成为专门收集各类信息的机构。各种感官由感受器将反映不同类型环境信息的物理或化学信号，都转换成神经电脉冲信号。这种统一的电信号传入中枢，为进行信息的综合处理准备了条件。脑能较快形成信息处理能力与应付可能出现的新情况两方面的需要。因此，人脑是一个特殊的信息处理机器，它能在使用中不断提高其处理能力，并在部分受损坏时，用小的改动而保持一定的工作能力。
- 与之相似的是计算机也具有类似的专门接收和读取信息的装置，键盘、U盘、光盘等。不同的是大脑处理信息的目的除了是要得到相应的结论结果之外，还要对外界相应的信息作出反应，使得身体能够适应外界环境。
计算机不是大脑
- 计算机和大脑具有相似的地方，也许是人们对于自身的挑战或者是对计算机与人们一直敬畏的大脑有相似之处的好奇，使人们产生计算机类似大脑的言论。但从事实来看二者相差甚远。
- 从上面我们就可以看出，计算机只是具备依照程序处理、储存信息的能力，计算机知道的一切信息都是我们已知的或者是由我们操控的。虽然计算机可以依据大数据进行快速的检索作出判断。先不谈结果的正确性无法保障，其速度也远落后于大脑的反应。
- 如果所有的事物都可以被计算，或者说可以用数字进行精确描述，而且计算机要具有超高速的计算能力，我们才可以说计算机可以模仿大脑。而这时所谓的智能机器人的实现也不是没有可能。
- 另一方面我们还要看到，我们所处的环境的信息量是有多么庞大。即使我们可以将所有的事物数字化包括情感，我们将一个人的所有信息转化，储存起来要耗费的资源也要非常巨大。
