程序员所知道的，没有比“计算机”更核心的概念了，但是它太平常了，我们倾向于认为它是理所当然的，却错过了它的真正惊人之处。可能只是计算机无处不在，并内置于宇宙的整个结构中。那么什么是计算机？是什么让它如此特别？

在本文中，我们看一下计算机是什么。成为通用计算机意味着什么，而计算等价原理基本上声称了计算机和通用计算机无处不在。

电脑到底是什么？

是什么让它与我们今天使用和过去使用的所有其他机器不同？

显然，计算机是唯一的，几乎总是容易发现的，因为它是一台做无用工作的机器！

这似乎是一个非常了解计算机的人的恶作剧，但这是100％正确的。在物理学中，只有当力将其作用点移动一段距离时，才进行工作，因此，蒸汽机和汽车可以完成有用的工作，但是计算机只会变热。

是的，所有这些电站都在白天和黑夜工作，污染了大气，只是为了保持机器的温暖。更严重的是，计算机变暖这一事实只是一个信号，表明我们现在还没有完全解决这一问题。从理论上讲，绝对没有理由使计算机完全变热-但这与可逆过程和量子计算有关。

因此，计算机是一台没有任何用处的机器。

是的，但这确实只能缩小范围。

毕竟，电视和简单的电话满足相同的条件，大多数电子设备也是如此。显然，一台计算机比这两个设备中的任何一个都多一点，那么使它与众不同的本质是什么？

要回答这个问题，我们必须回到过去，但不如您想象的那样。。。

布尔-发明逻辑的人

计算机是计算器吗？

在生产出可识别的计算机之前很久，就已经有了计算器-通常基于齿轮和齿轮的机械设备，它们执行算术的四个基本运算。计算器仍然是必不可少的机器，具有讽刺意味的是，今天在大多数计算机上，它都可以作为台式机附件被发现。那曾经是无处不在的计算机，现在只不过是我们计算机内部的模拟。

我们的计算机创建了一个虚拟计算器，这一事实应该为您提供线索，即两者实际上不是同一类型的计算机。但是，不要过早销毁计算器。有些计算器可以处理非数字问题。

布尔在1854年发明了符号逻辑之后，威廉·斯坦利·杰文斯（William Stanley Jevons）受到启发，制造了“逻辑钢琴”-不，是一本逻辑钢琴。这是齿轮和齿轮的 *** ，这些齿轮和齿轮不是紧缩数字，而是使用布尔逻辑。您用And，Or和Not输入了一个表达式，它告诉您整个事情是对还是错。后来建造的机器可以解决拼图书中发现的更为复杂的问题，但即使这些令人印象深刻的机器也不是计算机。

杰文斯的逻辑钢琴

提花织机？

如果逻辑钢琴不像计算机，那么某种工业机械又该如何呢？人们常说，提花织机是计算机的先驱，因为它使用打孔卡来控制编织到衣服上的图案。

这几乎是胡说八道-尽管它显然影响了早期关于计算机的思想家，并被他们用作他们试图向原本不了解的公众解释的更具体的例子。

当您没有要指向的计算机时，很难解释一台计算机是什么。据说提花织机与计算机一样是“可编程的”，因为您可以更改卡片的打孔方式以获得不同的图案。它甚至可以声称是发明程序循环的第一台设备，因为通过将第一张卡的正面粘贴到最后一张卡的末端，机器可以连续运行。

但是，提花织机绝不是一台计算机，它只是先进自动机的一个例子，并且只是遵循由开槽金属板，金属棒或异型轮控制的设定行为模式的几种机器中的一种。它唯一的声名狼藉是控制机制很容易更改，因为它使用了厚纸板代替了金属。

提花织机

巴贝奇（abbage）

一个简单的无法回避的事实是：计算机思想是巴贝奇（Babbage）的。

我们认为他是令人印象深刻的负责齿轮和传动装置设计的人，这些齿轮和传动装置似乎恰好适合维多利亚时代，但确实应该记住巴贝奇的想法，而不是他未能将其转变为工作机器。

Babbage最初的想法是建立一个先进的计算器，但后来他偶然发现了计算机的思想。

1833年，他开始设计被称为分析引擎的机器。实际上，从来没有一个确定的设计，因为他一生都对其进行了改进和改进。他的计划描述的机器的物理细节令人惊讶，这太容易了。它既庞大又机械，但您可以在其中识别出现代计算机的所有部件。

那里有工厂，一个机械中央处理器；商店，早期的RAM；打孔卡，用来保存程序。整个东西就像蒸汽机一样大，需要一个蒸汽机来驱动其齿轮和传动装置。程序完成后，敲响了钟声，很容易将它看作是有趣的

Rube-Goldberg/Heath-Robinson建筑或崇尚黄铜和青铜艺术品的东西。

实际上，机器本身并不是重点。

关键是，巴贝奇描述了一种新型的机器和一种新的工作原理，可以将其应用于一整类机器，而不论它们是由什么制成的。Babbage发明了可编程计算机，而不是可编程织机或任何其他可编程机器。

关键区别在于，该程序指定应使用存储在其内存中的信息来完成操作，而不是指定某些机械零件应如何移动。如果您愿意，它是计算器和自动机的交汇处-如果您愿意，Jevons逻辑钢琴与提花织机相遇！

*** 纵的“事物”仅仅是机器的状态，这些状态被用来代表外界的某些方面，例如特定时间的潮汐高度或您的经常账户中的金额。没有做任何有用的工作，因为所操纵的是信息而不是实质性信息。

第一位程序员奥古斯塔·阿达·金（Augusta Ada King）说“我们可以最恰当地说，正如提花织机编织花朵和叶子一样，分析引擎编织代数模式”

通常，这被解释为是对两者的相似程度的陈述，但最好将其视为对它们之间的差异的陈述。艾达（Ada）一直在努力传达计算机的实质，并试图使其看起来更加真实和逼真。今天的问题是试图弄清楚是什么使它与众不同。是什么让它与其他机器不同。分析引擎是第一台使用抽象模式的机器。

图灵机

您可以进一步推广Babbage的想法-谁需要一台真正的机器？

Alan Turing没有，尽管他以“ Turing Machine ”而闻名，也许他以设计的Ace计算机而不太为人所知，这给人的印象是Turing完全是关于“真实的机器”的。人们通常认为他对我们当前的计算机使用状况以及我们使用的硬件有很大的影响。就像关于巴贝奇失败的暗示一样，这是一种误解。

Turing的遗产是计算机是一种思想，一种思想的事物，而不仅仅是其特定实现的思想。

图灵的机器（1936年）是对计算机成为计算机所需的绝对最小值的简单描述。

从本质上讲，它不过是一条纸，一支笔和一系列说明而已。笔可以写在纸上，写的数字可以读作机器的输入。

当时，“计算机”一词是指进行计算的人。到处都是人的房间，通常是女孩，他们一整天都在做饭，成为“计算机”是一项受人尊敬的职业。大概这就是图灵从纸张和笔的计算方法中获得灵感的地方。

如果要求您进行计算，那么您可能会坐下来坐满一大堆纸，很多笔和可能会帮助您的各种东西。要回答的真正问题是对计算必不可少的是什么？没有它，您还能做什么呢？

Turing的机器是精简计算的终极工具，但令人惊讶的是，虽然它可能花费不合理的时间来完成任何特定任务，但Turing证明，如果您准备好等待，那么它的能力将是无与伦比的。

更准确地说，他证明了他的机器是通用的，从某种意义上说它可以完成任何其他计算机可以完成的工作。他这样做的目的是证明可以在纸带上写数据，这将使图灵机的行为像其他任何计算机一样-是一台虚构的计算机，可以创建一个虚拟的计算机。

这很深-非常深。

图灵的机器是计算的模型-任何计算。如果看一下它的定义，那么它是一个合理的计算模型似乎是合理的。这可能不是实现计算的实用方法，但是这些问题涉及速度，便利性，如何构建计算机等。它们是工程问题。这些都是使Babbage很难真正构建可运行的计算机的事情。但是很显然，巴贝奇与图灵对于计算的构想有着很多相同的想法。

争论的下一步是令人惊讶的。如果图灵机可以执行任何计算，也可以将其设置为执行另一台图灵机的计算。那就是您不需要“特殊的”图灵机来完成不同的任务。您只需要一台通用的图灵机，即可完成与任何图灵机相同的工作。

等效于图灵机的系统也可以计算任何可以计算的东西。从这个意义上说，通用的图灵机抓住了计算机的本质。

关于谁制造第一台计算机的争论仍然很激烈，似乎有道理，其中一些人也可以声称在没有巴贝奇的帮助下重新发明了计算机的想法。在20世纪初，他的工作鲜为人知，以至于大多数计算机先驱Turing对此一无所知。但是，计算机的实际制造显然是工程问题。最初的想法显然是由图灵提炼的巴贝奇的。

约翰·冯·诺伊曼（John Von Neumann）是经常被认为进一步推广巴贝奇想法的人之一。在被告知ENIAC之后，他为计算机编写了理论规范-通常被认为是第一台电子计算机。冯·诺依曼（Von Neumann）声名claim起是他想出了将程序与数据一起存储的想法，即所谓的存储程序或冯·诺依曼（Von Neumann）架构。

当图灵的通用机器巧妙地使用磁带上写入的数据来指定程序而不是程序时，它也包含了相同的想法！

将存储程序体系结构与通用机器思想进行比较时，它看起来相当原始。

艾伦·图灵

基本思想

到目前为止，我们还没有真正定义基本的计算机概念是什么。

我们讨论过它，说它不是什么，但仍然有点难以捉摸，有点阴影。

原因是它确实是一个微妙的想法，如果不参考用于实现它的特定技术很难对其进行解释。

以乔治·史蒂芬森（George Stephenson）和“移动机器”为例，您会发现给出示例（推车，战车，蒸汽机，汽车等）比较容易，那么这就是“移动机器”本质的体现。 “ 。

显然，计算机必须具有一个程序-即控制其功能的指令列表，并且这些指令必须能够直接影响系统的下一步操作。那是您无法想象的，一个小人物，一个坐在计算机内部的人，正在阅读程序并拉动操纵杆。该程序必须是杠杆，并且必须直接进行拉动。也就是说，在计算机中，程序与所发生的事情之间必须存在直接连接，即它是该机制的一部分。这是这个想法中最难掌握的部分。

例如，如果计算机具有一条指令，该指令从一个存储位置取回一个值并将其存储在另一存储位置，则该指令实际上必须使计算机进行移动。也就是说，执行指令时，其表示形式，其指令代码必须导致访问存储器位置并将值移至新位置。这不仅仅是告诉机器要执行什么操作的指令，而是实际上使机器执行了操作。

但是，这还不够。有些机器似乎可以进行编程，但是没有足够的灵活性和强大的功能来计算所有内容。那就是说它们没有图灵机那么强大，即使图灵机可以执行，有些算法也无法执行。

因此，要成为一台计算机，一台通用计算机，一个可编程设备，必须等同于图灵机。用术语来说，它必须是图灵完整的。

要证明计算设备是图灵完整的，可能会很困难，但是最常见的工作方式只是证明该设备可以像通用图灵机一样模拟或运行，或者可以像已经准备好的系统一样执行相同的计算已知是图灵完整的。

计算等价原理

那么图灵完整的系统有多普遍？

答案是它们似乎很常见。事实证明，即使是非常简单的计算系统也可以完全构成图灵。斯蒂芬·沃尔夫拉姆（Stephen Wolfram）甚至提出了计算等价原理，尽管很难精确确定：“几乎所有并非明显简单的过程都可以看作是等效复杂性的计算”。似乎说，经过基本愚蠢性测试的几乎所有内容都具有通用计算能力。差异仅在于系统在您感兴趣的计算上的效率如何。

因此，例如，人脑和地球上的气象系统在计算上都是等效的（可能），并且两者都是通用的。

这听起来很奇怪，但它的意思是，您可以通过将人的大脑置于某种状态然后进行发育来执行计算。您也可以对天气系统执行相同的操作，设置天气状态并允许其运行以运行该程序，但是结果可能需要稍等一会儿，并且可能一路弄湿。

这两个系统的操作方式之间的区别仅在于程序的编码方式以及输入和输出的映射方式。它们对于计算都是通用的，并且等效于通用的图灵机。

这两个系统在计算上是等效的并且是通用的，Wolfram所说的是这是规则而不是例外。只要一个系统不是很简单，以至于它的行为仅限于琐碎的事情，那么它就可能是通用的。

因此，现在我们对什么是计算机，什么不是计算机，但在现实世界中，工程至关重要，有了一个奇妙的抽象定义。花费了多年的时间和许多聪明的主意，才将原始的内燃机变成可以在速度极限下使高速公路行驶的东西。

计算机也是如此。

图灵可能有一台虚构的计算机，但是您不能使用它来玩太空入侵者或运行Linux。

为了使现代计算机正常工作，您需要许多聪明的想法来确定如何实现Babbage的轧机，存储设备和输入输出设备。

除此之外，您还需要知道如何使符号按照您想要的方式做并可靠地执行。两者都包含了很棒的想法，这些想法对于理解您的计算机现在或将来可以做什么和不可以做什么至关重要。