计算机基本原理—语言与算法

使用计算机就要给计算机输入指令，早期给计算机的指令是写在穿孔纸带上的，如图1所示。

图1 早期的计算机语言

纸带匀速通过一个光源，光线透过纸带的穿孔后被接收器接收，产生一个电压，遇到纸带无孔时，光线就被纸带遮蔽，纸带后面的接收器就不产生电压，这样就将“100100”形式的二进制信号输给了计算机。这个发明源于图灵1936年的设想——图灵机（Turing machine）。在计算机发明者名单中，图灵是名气最大的。由美国计算机协会（ACM）于1966年设立的图灵奖（Turing Award），至今仍然是计算机科学领域的最高荣誉。

尽管计算机的输入设备从穿孔纸带一路发展到硬盘、键盘和鼠标，但其基本原理还是给计算机输入“100100”形式的机器码。人们为了方便与计算机交流，发明了计算机操作系统。其实它就是预装在计算机存储器里面的一套机器码，计算机一旦通电启动，这套机器码首先被读入计算机内存并被执行，它使得计算机CPU、输入输出设备、存储器等等初始化，提供各类硬件功能接口供应用程序调用。人们借助计算机操作系统和预装的一些“工具软件”，用计算机完成诸如写文件、绘图表、做计算等简单工作。如果要使计算机完成千差万别的复杂工作，就必须给计算机输入专门的指令——计算机程序。由于计算机只能认识机器码，而机器码又实在太难学了，因此科学家就发明了“计算机语言”，人们可以借助这种语言编写计算机读得懂的程序。

最接近机器码的计算机语言是汇编语言（Assembly language）。在汇编语言中，用简单英文单词构成的助记符（Mnemonics）代替机器码，再加上地址符号（Symbol），组成如图2所示的计算机程序。

图2 一个汇编语言计算机程序片段

图中左边绿色字是程序的注释，它们不参加运行。

我们再举一个计算机程序的例子：完成任意三个数从小到大重新排列。比如，任意给计算机输入三个数：65.73、21.01、1.022，要求计算机将它们从小到大排列成：1.022、21.01、65.73。首先，我们必须设计一个算法如下：

第一步

比较第一个数与第二个数的大小。假如第一个数大于第二个数，则将它们调换顺序，否则就不调换顺序。现在第一个数是65.73，它大于第二个数21.01，因此将它们调换顺序。现在三个数排列为：21.01、65.73、1.022；

第二步

再比较第第二个数与第三个数的大小。假如第二个数大于第三个数，则将它们调换顺序，否则就不调换顺序。现在第二个数是65.73，它大于第三个数1.022，因此将它们调换顺序。现在三个数排列为：21.01、1.022、65.73；

第三步

再比较第一个数与第二个数的大小。假如第一个数大于第二个数，则将它们调换顺序，否则就不调换顺序。现在第一个数是21.01，它大于第二个数1.022，因此将它们调换顺序。现在三个数排列为：1.022、21.01、65.73，完成任务。

图3是一个用Fortran语言编写的计算机程序，它将输入计算机的任意三个数从小到大排序。

图3 一个完整的Fortran语言计算机程序

同样，图中左边绿色字是程序的注释，它们不参加运行。将这个计算机程序输入计算机后运行，只要在计算机屏幕上用键盘任意敲入3个数，计算机立即就会将此三个数从小到大重新排列，并且显示在计算机屏幕上。当然，三个数字的重新排序非常容易，人们一目了然就可以完成。如果经常要将成千上万的数字重新排序，就是一件困难的工作。这时编一个计算机程序，就可以比人工既快又省事。这个例子也说明，计算机必须依赖人类提供的算法完成任务，或者说人类完成创造性工作，计算机帮助人类完成耗时费力的工作，这基本上是长久以来的传统观点。但是，未来计算机会发展出与人类并驾齐驱甚至超越人类的智能吗？那时的计算机能够独立完成创造性工作吗？

咱们再回到计算机语言问题。比较图2与图3，读者马上会觉得：前者犹如天书一般根本无法读懂，而后者的每一行都与英语近似。人们通常将前者称为计算机底层语言，将与人类语言近似的计算机语言称为计算机高级语言。高级语言不仅仅是与人类语言近似，而且在不同CPU之间可以通用。反之，底层语言所编写的计算机程序随着CPU硬件的改变必须改变。无论是计算机底层语言还是高级语言，它们都要靠被称为“编译器”的计算机程序，将其“翻译”成计算机读得懂得机器码。

计算机高级语言除了上面举例的Fortran语言以外，更加常见的是C、C++、JAVA、JavaScript 、Python等等。Fortran语言源自于“公式翻译”（英语：Formula Translation）的缩写， 最早是1954年约翰.贝克斯在纽约发布的。Fortran语言经过不断的改进，它至今仍然应用于科学和工程计算领域。C、C++、Java、Javascript是软件程序员（外号“码农”）的看家本领。 Python语言是一种比C、C++、Java、Javascript更加高级的、更加接近人类语言的计算机语言，代码极其简洁，编程效率极高，用C语言编写的上千行的程序，用Python语言编写往往只有短短几十行。Python有大量免费、开源程序，在科学计算领域被大量使用，从统计、排序到机器学习、人工智能等等，几乎是应有尽有，还可以直接调用C、C++、Java程序。

现在懂得计算机底层语言的人实在是太少了，除了计算机科学专业的学生，一般都不学习它们了。其实，不懂得计算机底层语言者，其应用计算机高级语言的水平就不会太高。另外，用底层语言编写的计算机程序运行效率远比高级语言高得多，并且需要计算机内存资源也要小很多，因此，在实时性要求高的应用中，都是用底层语言编写程序的。可以说，在实时控制领域，采用Python语言编写程序的工程师，一般都是水平较低者，真正的高手是用底层语言的，这就好比做高水平科学实验，要自己制作实验设备一样的道理。

尽管目前有的计算机高级语言（比如python）已经很接近人类语言了。但是，要让计算机进一步读懂掺杂了许多随机因素的人类自然语言，容忍自然语言的模糊性，目前还做不到。随着计算机语言的发展，未来会出现一种与人类的自然语言完全相同的计算机高级语言吗？

本文上面提出的两个问题，正是人工智能面临的大问题，现在给出这些问题答案为时尚早。