1.3 计算机体系结构

1.3.1 图灵与图灵机

1. 图灵

阿兰·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing）是英国著名的数学家、逻辑学家、密码学家，被称为计算机科学之父、人工智能之父，如图1-24所示。1938年他在美国普林斯顿大学取得博士学位，第二次世界大战爆发后回到剑桥，后曾协助军方破解德国的著名密码系统Enigma，帮助盟军取得了第二次世界大战的胜利。图灵于1954年6月7日在曼彻斯特去世。他是计算机逻辑的奠基者，提出了“图灵机”“图灵测试”等重要概念。人们为纪念他在计算机领域取得的卓越贡献，专门设立了“图灵奖”。

图1-24　图灵

2. 图灵机的基本思想

图灵认为自动计算就是人或者机器对一条两端无限延长的纸带上的一串0和1，执行指令，一步步地改变纸带上的0和1，经过有限步骤得到结果的过程。机器按照指令的控制执行操作，指令由0和1表示，例如00表示停止，01表示转0为1，10表示转1为0，11表示移位。计算的任务可以通过指令编写程序来完成，如00，01，11，010，10，00…。数据被制成一串0和1的纸带送入机器，机器读取程序，按照程序的指令顺序读取指令，读取一条指令执行一条指令，如图1-25所示。

图1-25　图灵机思想

图灵机（Turing Machine）是一个抽象的计算模型，如图1-26所示。它有一条无限长的纸带，纸带分成了一个个的小方格，每个方格有不同的颜色，有一个机器头在纸带移来移去；机器头有一组内部状态，还有一些固定的程序；在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上，并转换自己的内部状态，然后进行移动。

图1-26　图灵机模型

图灵机模型被认为是计算机的基本理论模型，它是一种离散的、有穷的、构造性的问题求解思路，一个问题的求解可以通过构造图灵机来解决。

凡是能用算法解决的问题，也一定能用图灵机解决；凡是图灵机解决不了的问题，任何算法也解决不了。

3. 图灵测试

图灵测试又称图灵判断，是图灵提出的一个关于机器人的著名判断原则，这是一种测试机器是否具备人类智能的方法。如果机器能在5分钟内回答由人类测试者提出的一系列问题，且其中超过30%的回答让测试者误认为是人类所答，则机器通过测试。

如图1-27（a）所示，图灵测试的方法是在测试人与被测试者（一个人和一台机器）隔开的情况下，通过一些装置（如键盘）向被测试者随意提问。问过一些问题后，如果测试人不能确认被测试者30%的答复哪些是人、哪些是机器的回答，那么这台机器就通过了测试，并被认为具有人类智能。

2014年6月7日在英国举行的“2014图灵测试”大会上，聊天程序尤金·古斯特曼（Eugene Goostman）首次通过了图灵测试，如图1-27（b）所示。这一天恰好是图灵逝世60周年纪念日。在活动中，尤金·古斯特曼成功伪装成一名13岁男孩，回答了测试者输入的所有问题，其中33%的回答让测试者认为与他们对话的是人而非机器，这是人工智能乃至计算机史上的一个里程碑事件。

图1-27　图灵测试