03.02 为什么“机器”可以做计算?计算和机器的本质是什么?

天天围棋


机器是如何做计算的?

电子数值积分计算机(Electronic Numerical Integrator And Computer),缩写为ENIAC,又音译为伊尼亚克是世界上第一台通用计算机。它是图灵完全的电子计算机,能够进行重新编程,解决各种计算问题。

图示:第一代可编程计算机,ENIAC,重达30吨,它每秒钟可以做5000次加法计算。


让我们用一个简单的例子,加法运算,来简单的说说,为什么机器可以做计算。

首先,工程师设计计算机,是综合考虑了机器硬件的可靠性和人类的算法来进行设计的。


对于一台能使用的计算机或计算器而言,它需要具有接受输入、进行运算、输出结果,这样的三个基本环节。


计算机或计算器,是使用二进制来进行运算的。

理解了二进制,就能理解为什么机器可以做运算。

比如 1+1 = 10

在计算机领域,有一个经典段子

世界上只有10种人,一种懂二进制,一种不懂。

所谓二进制,就是逢二进位。而日常用的十进制,则是逢十进位。

即9+1=10


为什么计算机在设计的时候,要用二进制而不使用十进制?


因为,无论是接受输入,还是进行运算,都意味着需要改变机器的内部状态,最后输出结果,就是对已经改变的内部状态进行测量,然后将测量得到的结果进行输出,可以是在纸带上打孔也可以是输出到屏幕或者输出的声音等等。


那么,在设计计算机的时候,最重要的要素在于,如何保证这三个环节的稳定和可靠呢?二进制就是最稳定可靠的形式,因为所谓二进制,就是有还是没有,灯亮还是没亮,电压是高还是低等等,二进制就是二分法,而二分法对于机器测量来说是最简单最可靠的方法。


这里举一个例,不说多了。

图示:与门。

这是一个元器件,它叫与门,啥意思?

它有两个输入A和B,一个输出Y,只有当A和B都是高电平输入时,Y的输出才是高电平,否则Y的输出都是低电平。


这个与门和运算有啥关系呢?

简单说,它就可以用来表达进位。在什么时候才能进位?只有当1+1的时候,1代表高电平,0代表低电平。所以,1+0 或者 0+1的输入,在进位上的判断都是0。让我们展开来写全了。

1 + 1 = 10

1+0 = 01

0+1 = 01

这个与门控制的就是在首位是1还是0。


题主要是对计算机为何可以运算得到结果有浓厚的兴趣,那得老老实实的把计算机中的逻辑门(与门、或门和非门,同或门、异或门)搞清楚,如果能自己利用这些元器件组装出单片机,那就算学习和实践相结合了。

图示:自己玩玩单片机组装,就能深刻理解,为什么机器可以做计算。

因为,计算就是一系列的逻辑判断!当然未必所有的计算都是如此,但世间绝大多数计算都可以转换成逻辑判断,通过这些判断来改变机器内部元件所处的二进制状态,将这种状态读出并转译成人类可读的形式,就是结果的输出。


裸猿的故事


为啥总有莫名其妙的问题出现呢?

机器为什么可以计算,计算的本质,机器的本质,莫名其妙好吧。

就像中文,没学中文前,外国人是不懂的,学了之后就懂了。

机器能计算,是人赋予了它能识别正好我们也通晓的“语言”。

这个通用的“语言”就是一架桥梁,离开了它,机器还是机器就一坨金属,计算就是一坨鬼画符。


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