丹尼尔?希利斯讲计算机

01基础知识 计算机的构建基础包括布尔逻辑、二进制、逻辑块等。如果有一天计算机的硬件设备被淘汰，这些基础都将依然保持正确。 小时候，我读过这样一个故事，一个男孩用从垃圾场收集的零件组装出了一个机器人，这个机器人可以像人一样走路、说话和思考，并成为男孩的朋友。不知何故，我被制造机器人的想法深深地吸引了，因此决定也动手组装一个。我对当时收集各部位零件的情景还记忆犹新：用管子作四肢，马达作肌肉，灯泡作眼睛，油漆桶作脑袋。我满怀希望地期待当自己完成组装、插上电源之后，就能拥有一个正常运作的机器人。 在经历了几次严重的触电事故后，我的机器人终于可以移动和发光了，而且还会发出“嗡嗡”的声音。我感觉自己有所长进，而且我还懂得了如何为四肢制造活动关节。不过，当时我面临的*大问题是，该如何控制那些马达和灯泡。后来，我意识到自己是对机器人的工作原理缺乏了解，而现在，我知道当时缺乏的知识是什么了—计算，当时我称之为“思维”，我毫不知晓如何才能让某个物体具备思维能力。现在，我清楚地知道，计算才是制造机器人*难的部分，而当时还是小孩的我很难意识到这一点。 布尔逻辑 幸运的是，我读的**本有关计算机的书是一本经典之作。我的父亲是一位流行病学家，那时我们居住在加尔各答，很难读到英文著作。在英国领事馆的图书室里，我找到了一本表面布满灰尘的书，作者是19 世纪的逻辑学家乔治·布尔（George Boole），书名为《思维规律的研究》（AnInvestigation of the Laws of Thought ）。这个书名立刻吸引了我， 令我心驰神往，难道真的存在支配思维的法则吗？在这本书中，布尔试图将人类的思维逻辑简化为数学运算。他虽然没有真正解释清楚人类的思维过程，但道出了简单的逻辑运算的惊人力量和普适性。他还发明了一种语言，可以用来描述和处理逻辑陈述，以及判定这些陈述的真假。这种语言现在被称为布尔代数（Boolean algebra）。布尔代数与我们在高中所学的代数相似，差别仅在于等式中的变量所代表的东西从数字变成了逻辑命题。布尔变量代表非真即假的命题，符号∧、∨、¬ 分别代表“与”“或”“非”逻辑运算。例如下列的布尔代数方程： ¬（A ∨B）=（¬ A ）∧（¬ B） 这个方程被称为德·摩根定律，是以布尔的同事奥古斯都·德·摩根（Augustus De Morgan）的名字命名的，其含义为：如果A 和B 无一为真，则两者皆必然为假。变量A 和B 可以表示任意非真即假的逻辑命题。显然，这个方程是成立的。不过，布尔代数还能写出更加复杂的逻辑命题，并能进行证明和反证。 麻省理工学院曾有一位年轻的工程学硕士，他通过一篇论文将布尔的理论引入了计算机科学领域，使其大放异彩，这位学生名叫克劳德·香农（Claude Shannon）。香农*广为人知的成就是创立了信息论，信息论是数学的一个分支，这门分支定义了我们称为“二进制位”（又叫比特）的信息度量单位。二进制位概念的提出是一项了不起的成就。对于计算科学来说，香农利用布尔逻辑所做的工作也同样重要。香农的这两项成就为之后50 年计算机科学的发展奠定了基础。 香农曾致力于创造一台会下国际象棋的机器，更确切地说是一台能模拟人类思维的机器。1940 年，他在硕士论文《继电器与开关电路的符号分析》（A Symbolic Analysis of Relay Switching Circuits ）中表明，构建一个与布尔代数方程完全等价的电路是可能的。在香农设计的电路中，开关的开启和关闭对应着布尔代数逻辑变量值的真与假。香农提出了一种方法，可以将布尔代数方程转化为开关组合。当命题为真时，电路建立连接，当命题为假时，电路则断开连接。这种方法意味着，任何能由布尔逻辑命题精确描述的功能都可用类似的开关系统来实现。 与其详述布尔和香农建立的理论框架，我们不如举例来说明其理论在实际中的应用，以我设计的一台井字游戏机为例。虽然相比于通用的计算机，这个游戏机非常简单，但它体现了对所有计算机来说都非常重要的两大原理：如何将一项任务转化为一系列逻辑函数，以及如何用由开关连接起来的电路实现这些函数。当我读完布尔的书之后，就用灯泡和开关搭建了一个井字游戏机，这是我对计算机逻辑的初次涉猎。后来，我去了麻省理工学院读本科，香农成了我的良师益友。我惊奇地发现，他也曾用灯泡和开关搭建过井字游戏机。