1.2　计算机的一般定义与计算模型

电子计算机的定义显然不适用于计算机的一般定义，本节介绍计算机的一种形式化定义，并在此基础上给出计算机的分类。

简言之，计算机就是基于具有一定通用性的计算模型，用适应该计算模型的材料研制的机器。或者说，计算机是基于某类材料建立与之相匹配的计算模型，并以此为基础研制的机器。在选定材料与计算模型后，还需为计算机设计一种系统结构，也称体系结构（Architecture）。基于此，给出计算机的一种形式化定义：

计算机=计算模型+实现材料+体系结构

例如，电子计算机的计算模型是图灵机，实现材料是电子元器件（如二极管、三极管、电阻器、电容器等），体系结构为冯·诺依曼体系结构（von Neumann Architecture）。该体系结构由 5 个部分构成：运算器（完成各种算术运算、逻辑运算和数据传送等数据处理工作）、控制器（控制程序的执行）、存储器（存储程序和数据）、输入设备（将数据或程序输入计算机中，如鼠标、键盘等），以及输出设备（将数据或程序的处理结果展示给用户，如显示器、打印机等）。其中，运算器和控制器组成计算机的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。这五大基本组成部件通过指令进行控制，并在不同部件之间进行数据传递。

电子计算机是冯·诺依曼设计的，但当今计算机领域内的最高奖被命名为“图灵奖”，而非“冯·诺依曼奖”。计算模型在计算机中的重要性由此可见一斑。

当前，计算机及计算模型通常是以实现材料或实现材料的尺度来命名的。例如，电子计算机、生物计算机（包括DNA计算机、RNA计算机、蛋白质计算机）是以实现材料命名的，量子计算机则是以实现材料的尺度命名的。而计算机的核心是计算模型，因此，上述计算机的命名似乎不够贴切。遗憾的是，截至本书成稿之日，上述计算机无论是可实用化的，还是在实验室里的，采用的计算模型均为图灵机。从这个角度来讲，基于实现材料或实现材料的尺度命名计算机是合理的。

计算机的计算模型可分为以下4类。

（1）串行计算模型。图灵机就是标准的串行计算模型，其实，早期的机械计算机的计算模型均为串行计算模型。

（2）全并行计算模型。本书第 9 章介绍的探针机就是一种全并行计算模型。此计算模型的一个基本特征是数据维数≥2，一般为三维。

（3）串/并计算模型。人脑信息处理的数学模型就是串/并计算模型。人脑有5个并行的感觉系统，而每个感觉系统在信息处理过程中是串行的，这似乎反映出串/并计算模型的智能化程度。

（4）智能计算模型。采用智能计算模型的计算机称为智能计算机。关于智能计算机，本书不予讨论，这里仅给出其形式化定义：

智能计算机=智能计算模型+体系结构+实现材料+基本智能集 n1iNTduaDRxS9hPfcgYEd7QnLeVNpkF+Y5bsr1ppUnuGk7f1z+LZIEGQ425jp4zs