____计算机科普（3）

 

姜咏江

 

电脑需要那些功能设备才能够替代人脑的工作？为说明这个问题，我们不妨先来分析一下人脑信息处理一般都进行哪方面的工作。

 

人脑处理的全部信息可以依据是否能够进行计算，分为数值信息和非数值信息。

 

1. 数值计算。

 

数值是一类特殊的信息，本质上虽然也是信息，但其在人类的生产生活中有着特殊的应用。数值可以计算，是人类计量和施行计量预测的基本形式。因而数值类信息处理是人脑工作的一个重要方面。

 

2. 数据处理。

 

待处理的信息是数据。但按照人们已经形成的习惯，一般将那些非数值信息的处理叫数据处理。由于数据处理一般并不像数值那样要进行计算，对它们的工作经常是复制、传输、综合、分析、存储、排序、检索、显示、变换等做为主要的形式，所以在处理过程中和数值计算有很大的不同。

 

数值计算最基础的是算术运算，因而计算机的第一个功能部件就是运算器。基本的运算器就是从完成加、减、乘、除的运算的功能设计开始的。

 

例如，人脑要计算：100+3×5- 78÷2

 

根据计算的规则，应该是先乘除，后加减。因而这个运算式要分成如下几步完成。

 

（1）100+15- 78÷2

 

（2）100+15- 39

 

（3）115- 39

 

（4）76

 

这经历了乘法运算，除法运算，加法运算和减法运算的过程，需要分成时间的先后顺序进行，因而设计运算器必须要有时钟控制。此外，不同的数值要放在不同的地方，所以必须要有设计临时放置数值的设备，这些临时放置数据的设备叫寄存器。当然，更多的计算数值要借助于存储器来进行存放。

 

图2是我们设计的两数加减法运算设备示意图。其中存储器中的数值可以传送到A寄存器和B寄存器。A、B直接将数值送到加减法运算器计算，计算的结果可以放到寄存器A中，以便连续进行下一次运算；可以将运算结果直接放到存储器中当中保存，也可以将A中的数值放到存储器保存。

 

图 2 加减法运算设备

 

寄存器A和B中原来没有数值，但它们担当着指定参加加减法计算的两个数值的任务，所以参加计算的数值必须先放置在这两个寄存器当中。例如要做3+2，并且3和2原来放置在存储器中，那么一般要经过如下的步骤才能得到计算的结果。

 

（1） 将3从存储器放到寄存器A中；

 

（2） 将2从存储器放到寄存器B中；

 

（3） 加减法器完成3+2并将结果5送到寄存器A中或直接送入存储器。

 

由于存储器在一次只能进行一个数值的输入或者输出，所以图中这种结构的计算动作至少经过三步。如果规定计算结果必须先送到A寄存器，然后由A寄存器将结果再送到存储器，那么就要多出一个第四步。

 

假定存储器中的数值是排好队的，并且规定从前面送出数值，送回来的数值放在后面，那么存储的问题就可以简化为只确定将存储的数值送到A寄存器还是送到B寄存器。加减法运算器要确定是加法运算还是减法运算，并且需要考虑运算的结果是放到A寄存器还是直接放到存储器，这是一些确定时间先后和信息传输方向的问题，完成这些工作必须有相应的设计。

 

图3是在线路上安装了通断可控开关的情况示意图，旁边带标识的短线代表可以用电信号控制的开关，其中加减法也用一个开关s进行控制选择。这里我们规定s=1做减法，否则做加法，其他开关的字母等于1表示使线路接通，不然使线路断开。

 

这样一来，如果用这些开关来控制这个设备的动作，那么计算3+2的三步，就要在每一步进行之前设置好各开关的值。于是有

 

第一步：s=0,a=0,b=0,c=0,d=1;

 

第二步：s=0,a=0,b=1,c=0,d=0;

 

第三步：s=0,a=1,b=0,c=0,d=0,这是将结果送到A寄存器，如果直接送到存储器，那么应该s=0,a=0,b=0,c=1,d=0。

 

图 3 开关控制示意图

 

从上面的分析就能够看到，要让一定结构的机器实现简单的算术运算，机器运行必须分为一定顺序的步骤，并且要有规律地设定线路开关，以便控制信息的流向。象这些能够设定值的开关都需要一条专门的导线来控制，这些起控制作用的导线就叫控制线。由能够指出前后顺序的节拍器和设定控制线值的电路组成的设备是控制器。一般来说，设备组成越复杂，控制线就越多，控制器也就越复杂。有关这个简单的加减法运算电路如何进行控制电路设计及如何实现控制的问题，我们留到下一次再讲。

 

2010-10-13