丹尼尔·希利斯

● 著名计算机科学家、发明家、企业家，麻省理工学院媒体实验室客座教授。曾就读于麻省理工学院，在马文·明斯基的指导下研究人工智能。

● 他还创立了思维机器公司（Thinking Machines Corporation），建立了一支由科学家、工程师和设计师组成的团队，成员包括诺贝尔奖得主悉尼·布伦纳、著名物理学家理查德·费曼等，他们共同致力于打造超级并行计算机。

● 除了设计公司的主要产品外，希利斯还与其他用户密切合作，将其产品应用在天体物理学、飞机设计、金融分析、遗传学等领域。

● 虽然计算机技术及应用以及编程技术都取得了巨大进步，对社会产生的影响也远远超出了预言家的预期，但计算机背后的工作原理，即本书所阐述的关于计算机的概念，仍没有改变。本书聚焦计算机背后不曾改变的基本原理，是每一个想要了解计算机，或从事与计算机相关工作的读者都不能错过的一本经典之作。

● 《丹尼尔·希利斯讲计算机》深入浅出地阐述了计算机科学中许多基本而重要的概念，包括布尔逻辑、有限自动机、编程语言、图灵机的普遍性、信息论、算法、并行计算、量子计算、神经网络、机器学习乃至自组织系统。全书既不失深度，又妙趣横生，帮你了解计算机运行背后的奥秘。

科学大师书系”重点在于大师，这10本书的作者既是世界一流的思想者，又是文采斐然的科普作家。去读他们的书吧，你将直接站在大师的肩膀上！

——金力

中国科学院院士，复旦大学教授

历代科学家对宇宙、生命的起源与运行进行了永不竭尽的探索，他们完成的研究成果以及在科研过程中表现出的追求真理的精神，一直是人类知识发展和道德进化的宝贵财富。在未来的发展进程中，基于科学的创新将日益重要，中国需要更多的科学家。熟读科学大师系列，将进一步激发广大有志者献身科学的动力以及提高科学研究的成功率。

——陈劲

科技创新研究者，清华大学教授

我将“科学大师书系”视为向这个世界撒下的一张大网，它捕获的将是我们这颗行星的下一代思想家和科学家。

——丹尼尔·丹尼特

世界著名哲学家，《直觉泵和其他思考工具》作者

01基础知识

计算机的构建基础包括布尔逻辑、二进制、逻辑块等。如果有一天计算机的硬件设备被淘汰，这些基础都将依然保持正确。  

小时候，我读过这样一个故事，一个男孩用从垃圾场收集的零件组装出了一个机器人，这个机器人可以像人一样走路、说话和思考，并成为男孩的朋友。不知何故，我被制造机器人的想法深深地吸引了，因此决定也动手组装一个。我对当时收集各部位零件的情景还记忆犹新：用管子作四肢，马达作肌肉，灯泡作眼睛，油漆桶作脑袋。我满怀希望地期待当自己完成组装、插上电源之后，就能拥有一个正常运作的机器人。

在经历了几次严重的触电事故后，我的机器人终于可以移动和发光了，而且还会发出“嗡嗡”的声音。我感觉自己有所长进，而且我还懂得了如何为四肢制造活动关节。不过，当时我面临的最大问题是，该如何控制那些马达和灯泡。后来，我意识到自己是对机器人的工作原理缺乏了解，而现在，我知道当时缺乏的知识是什么了—计算，当时我称之为“思维”，我毫不知晓如何才能让某个物体具备思维能力。现在，我清楚地知道，计算才是制造机器人最难的部分，而当时还是小孩的我很难意识到这一点。

布尔逻辑

幸运的是，我读的第一本有关计算机的书是一本经典之作。我的父亲是一位流行病学家，那时我们居住在加尔各答，很难读到英文著作。在英国领事馆的图书室里，我找到了一本表面布满灰尘的书，作者是19 世纪的逻辑学家乔治·布尔（George Boole），书名为《思维规律的研究》（AnInvestigation of the Laws of Thought ）。这个书名立刻吸引了我，

令我心驰神往，难道真的存在支配思维的法则吗？在这本书中，布尔试图将人类的思维逻辑简化为数学运算。他虽然没有真正解释清楚人类的思维过程，但道出了简单的逻辑运算的惊人力量和普适性。他还发明了一种语言，可以用来描述和处理逻辑陈述，以及判定这些陈述的真假。这种语言现在被称为布尔代数（Boolean algebra）。布尔代数与我们在高中所学的代数相似，差别仅在于等式中的变量所代表的东西从数字变成了逻辑命题。布尔变量代表非真即假的命题，符号∧、∨、¬ 分别代表“与”“或”“非”逻辑运算。例如下列的布尔代数方程：

¬（A ∨B）=（¬ A ）∧（¬ B）

这个方程被称为德·摩根定律，是以布尔的同事奥古斯都·德·摩根（Augustus De Morgan）的名字命名的，其含义为：如果A 和B 无一为真，则两者皆必然为假。变量A 和B 可以表示任意非真即假的逻辑命题。显然，这个方程是成立的。不过，布尔代数还能写出更加复杂的逻辑命题，并能进行证明和反证。

麻省理工学院曾有一位年轻的工程学硕士，他通过一篇论文将布尔的理论引入了计算机科学领域，使其大放异彩，这位学生名叫克劳德·香农（Claude Shannon）。香农最广为人知的成就是创立了信息论，信息论是数学的一个分支，这门分支定义了我们称为“二进制位”（又叫比特）的信息度量单位。二进制位概念的提出是一项了不起的成就。对于计算科学来说，香农利用布尔逻辑所做的工作也同样重要。香农的这两项成就为之后50 年计算机科学的发展奠定了基础。

香农曾致力于创造一台会下国际象棋的机器，更确切地说是一台能模拟人类思维的机器。1940 年，他在硕士论文《继电器与开关电路的符号分析》（A Symbolic Analysis of Relay Switching Circuits ）中表明，构建一个与布尔代数方程完全等价的电路是可能的。在香农设计的电路中，开关的开启和关闭对应着布尔代数逻辑变量值的真与假。香农提出了一种方法，可以将布尔代数方程转化为开关组合。当命题为真时，电路建立连接，当命题为假时，电路则断开连接。这种方法意味着，任何能由布尔逻辑命题精确描述的功能都可用类似的开关系统来实现。

与其详述布尔和香农建立的理论框架，我们不如举例来说明其理论在实际中的应用，以我设计的一台井字游戏机为例。虽然相比于通用的计算机，这个游戏机非常简单，但它体现了对所有计算机来说都非常重要的两大原理：如何将一项任务转化为一系列逻辑函数，以及如何用由开关连接起来的电路实现这些函数。当我读完布尔的书之后，就用灯泡和开关搭建了一个井字游戏机，这是我对计算机逻辑的初次涉猎。后来，我去了麻省理工学院读本科，香农成了我的良师益友。我惊奇地发现，他也曾用灯泡和开关搭建过井字游戏机。

前 言 石头中的魔术- 001

01基础知识- 007

布尔逻辑 010

二进制位和逻辑块 021

液压计算机 025

万能工匠—积木 029

不必担忧那些非同小可的差异 031

02通用构件- 033

逻辑功能 035

有限状态机 047

03编程- 059

与计算机对话 063

建立连接关系 077

翻译语言 086

层次结构 087

04图灵机的通用性- 089

图灵机 092

计算能力等级 094

随机数 097

可计算性 099

量子计算 103

05算法和启发式方法- 111

算法的保证性 114

解决问题的万能方法 121

适应度地形 127

06存储：信息和密码- 131

压缩 136

加密 144

查错 146

07速度：并行计算机- 153

并行性 157

08能自我学习和进化的计算机- 173

训练计算机 179

神经网络 182

自组织系统 189

09超越工程- 193

大脑 197

模块化的问题 201

模拟进化 203

进化出会思维的机器 207

致 谢