从晶元到人工智能

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本文作者:李德强
          第一节 概述
 
 

        随着计算机科学技术和互联网的高速发展,我们每个人的生活都无时无刻不与新技术息息相关。从共享单车到外卖订餐,从办公系统到智能家居,可以说我们的生活与计算机已经深度融合在一起了。近年来物联网越来越被人们关注,智能终端设备也层出不穷。由嵌入式程序所控制的智能硬件设备也开始崭露头角。

        从宏观上讲,物联网就是万物相联的网络,这个体系非常的庞大,它所描述的网络是可以将所有物体通过各式各样的信号通过网络的方式相互连接在一起,从而达到由底向上的数据采集、上传、整合等,再由顶向下的宏观调控与精密控制,亦或根据海量数据进行清洗、整合、分析以达到有效预测等效果。从微观上讲,目前人们的目标是在智能终端设备上对大量的硬件设备进行智能化改造,将传统的硬件设备与计算机系统接合,使用计算机程序控制硬件设备,采集其相关数据(如:各种传感器等)或是直接进行控制(如:机械手臂、车轮等),之后再将这些设备接入现有的计算机互联网中,使得这些设备可以直接与在云端的远程计算机进行通信。

        事实上,从零开始打造一套完整的物联网是非常困难的事情,我们通常采用上面所描述的第二种方式,也就是终端硬件设备的智能化,并接入现有的互联网中。智能终端这一个领域,我们通常称为嵌入式相关工作。所谓的嵌入式也没有大家所说的那样神秘,从本质上讲就是将计算机程序嵌入到硬件设备当中去。我们传统意义上所理解的计算机程序是运行在计算机当中的,例如:个人电脑、云端服务器或是大型计算机等等。但是随着芯片技术的不断发展,越来越多的智能化芯片上市,我们可以直接通过对芯片进行编程来完成一系列的硬件控制功能。这实际上就是嵌入式的基本工作。当然嵌入式工作也包括硬件电路设计和一些结构设计工作等。但我们在本系列的文章中则会以计算机系统为总纲领的前提下,来看待整个嵌入式领域。我有一次听到一个朋友这是这样来描述嵌入式工作的,我觉得很有意思,在这里跟大家分享一下,他说:“所谓的嵌入式,就是用程序来控制硬件设备。比如一个传统意义上的灯泡,有电它就亮,没电它就不亮,这就不是嵌入式,而如果你能通过编写程序,来控制这个灯泡,你可以通过语音来控制它,那你做的就是嵌入式;同样的,一个电动机,有电它就转,没电就不转,这就不是嵌入式,而如果你能编写一个程序来控制电动机的转动,让它根据需要可快可慢,可正可反的转动,那你做的就是嵌入式。”

       仅仅完成终端设备还是不够的,我们还需要让终端设备与上位机程序进行交互。上位机程序实际上就是运行在电脑上的一个程序,这个程序可以和终端设备进行通信,收集终端设备的相关数据,并为终端设备下达特定的指令。我们可以通过有线或无线方式将终端设备接入电脑。然而近年来手持设备越来越普及,移动电话从本质上讲也属于嵌入式的范畴,但我们往往也将手机看成是一部小型的便携式的电脑。很多时候我们也希望能通过手机这样的便携手持设备直接控制嵌入式的终端设备,因此也就出现了在手机上开发的软件程序来与嵌入式终端设备进行交互。也就是说与终端设备直接交互的设备我们通常称为上位机,也就是电脑、平板电脑、手机等,而运行在上位机上与终端设备交互的软件程序则称为上位机程序。相对的,我们也习惯性的称嵌入式终端设备为下位机,而运行在下位机中的程序为下位机程序。其实名称不过是为了区别不同的东西,本质上它们的功能和作用都是很明确的,不必赘述。

        此外,计算机网络从局域网到广域网,从个人电脑到云服务器,互联网络已经非常发达,几乎每个人都有接入互联的个人电脑,或是使用手机接入网络,也就是我们通俗上所讲的上网。上网这个词的本意是将当前的电脑或手机接入到互联网当中,但现在人们通常认为上网就是从互联网上获取信息和发布信息。例如:我们通过手机打开一个网站上的某一条新闻,这其实经过了一系列复杂的交互过程:首先我们打开手机的浏览器,通过手指点击某一个网站的主页,实际上是通过浏览器访问一个网络链接,也叫URL。这个网络链接中包含了这个网站服务器的域名和我们要访问的目录地址,例如:https://www.abc.com/news/001.html这个网络链接中https表示的是带有SSL加密协议的应用层超文本传输协议(英文:HyperText Transfer Protocol),后面www.abc.com是我们要访问的网站的域名,而后的news表示这个网站中的新闻目录,最后的001.html则是我们最终要访问的新闻网页。实际上我们所访问的域名,会通过域名解析服务器将其转换为对应的IP地址,然后再通过IP地址访问到对应的服务器。这是从应用层上所讲的内容,而从网络层来说则是通过手机发送了一个网络层协议包,通过路由器转发到域名服务器,再转向到最终的新闻网站服务器。这部分内容由硬件链路层和操作系统的网络控制层来完成,通常不需要使用者关心,有兴趣的读者可以去参阅《计算机网络》。由于现代的互联网发展迅速,计算机的性能和网络条件不断的提升,云服计算成为各个公司或个人在互联网上为其它计算机设备提供计算或其他性质的服务设备。云计算其实就是将多台服务器同时接入网络,通过网络对海量数据的进行处理和分析,将结果返回给终端用户,或是将海量用户所使用的相关数据通过多台服务器保存起来,并为用户提供使用服务。

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