關於計算機操作系統的思考
──尋找“腦操作系統”與意識核心的聯想──
楊偉國
（香港
京港學術交流中心）
原刊於《自然辯證法研究》2002年1月19-22,37頁
摘要: 2000年因“操作系統”引發了一場國際計算機市場的大爭奪，使人們重新關注計算機操作系統的重要性與發展歷史。西方認知學者早就論及人類大腦中應有類似計算機的操作系統機制。近年腦科學迅速發展，但是仍回答不了思維意識是什麼的問題。本文分析操作系統在計算機發展中的核心地位和技術變革，特別是對操作系統軟件可被固化到芯片硬件中的哲學意義，並考察計算機語言在操作系統中的作用。
關鍵詞：
操作系統；腦操作系統；軟件固化；計算機語言級別；意識核心
中圖分類號： 文獻標識碼：A
意識的奧秘被譽為現今最難入手的科學難題。在探研心腦關係中，可將腦看作計算機裝置，心則是腦藉以發揮作用的一系列軟件程序。認知心理學家約翰遜-萊爾德( P.
Johnson -Laird)在1983年詳細論及在大腦高級意識中有計算機操作系統的機制〔１〕，1988年他再強調指出大腦具有高度並行的機制〔２〕；任何一台計算機，特別是高度並行的計算機，必須有一個操作系統用以控制其餘部份的工作。其觀點雖被不同的學者引用〔３〕，但是十多年了，卻沒有更多學者從這角度去深刻思考和認真研究。每一次舉辦意識與大腦的研討會吸引了不少來自信息技術和人工智能領域的研究者出席，他們從大腦思維的探討中獲得不少新源泉，開發了諸如神經網絡、遺傳算法等新成果；但是他們並沒有向思維認知研究者提供有關計算機核心軟件──操作系統的發展方式、技術含義或者歷史知識。電腦與人腦的真正類比研究並不多，更多的只停留在表面之比較，其現象未引起有關學者的科學注視和哲學檢討。
究竟“操作系統”在計算機的工作中有什麼重要性？在
2000年因“操作系統”引發了 Linux
與 Microsoft
兩大計算機操作系統公司在國際市場的一場大爭奪，特別是其中會涉及一些國防利益，才使人們關注計算機操作系統的重要性和核心地位。 Linux 操作系統是
1991年由芬蘭赫爾辛基大學年青學生
Linux Torvalds 創造的，這新設計的目標就是要與世界名牌微軟公司爭一長短，因為它是開放源碼軟件，所以它不同於一般的知識產權保護規則，而是遵守普遍公用許可 (General Public Licence, GPL)，這準則也可以被稱為“Copyleft”，與通常所說的版權
(即
Copyright一詞)
有截然相反的概念〔４〕。但是爭奪戰在 2000年1月6日《羊城晚報》一則新聞引發，該報指出基於國家安全理由，有關部門會鼓勵政府重要機關改用中國自主研製的操作系統『紅旗—Linux』；政府上網也將以『紅旗—Linux』為平台；當時被要求分拆麻煩的微軟公司看到這則報導，急忙去電尋求多方的引證，擾攘了一周未得到任何證實。接着在1月13-15日Linux在香港會展中心獨家主辦了規模極龐大的首個 Linux 展覽會──LinuxWorld Conference &
Expo Hong Kong 2000。
1月20日美國芯片生產廠家宣佈推出兩款新計算機芯片，連同 Linux
操作系統也固化在半導體芯片上，使得組裝到掌上計算機就立刻可以上網工作﹗這年5月，中國信息產業部正式回應，的確鼓勵國民使用自已開發、以開放源碼為基礎的『紅旗—Linux』操作系統。
上述一連串的活動被香港業界人士和傳媒譽為“ Linux 叫軟件業變天”了，她很快打破了國際計算機操作系統市場被微軟視窗長期獨大的局面。
為什麼Linux軟件公司這些新聞會引起如此重大的回響呢？人類大腦中真的也有計算機的操作系統嗎？這是筆者十多年來一直思索的信息科學與信息哲學眾多問題之一。筆者關注大自然信息與其載體的區別；探究信息與其載體在各種領域中的貢獻；認為在人類智力發生過程中，信息與其載體的區別和內在關係有極為重要的作用和地位。現在計算機操作系統的核心地位之重要性被人們重新認識，“腦操作系統”和意識核心等問題必將引起認知心理學者和人工智能研究者認真地重新思考。
一．
計算機中操作系統出現的歷史不足五十年
“操作系統”Operating System 的科學概念來自計算機技術，它是最接近硬件的第一個軟件──核心軟件。一個計算機系統是由硬件系統和軟件系統兩部份組成的。硬件系統包括有輸入∕輸出設備和運算、存儲設備，它們是借助電、磁、光、機械等原理構成的各種物理部件的有機綜合組成，是系統賴以工作的物理實體。軟件系統是各種非機械的程序和文件，用於指揮全系統按照指定的要求進行工作。
軟件是計算機使用者（人）與計算機這個硬機器銜接的部份。最早的軟件只是一條條打滿碼孔的紙帶，這些孔碼的不同排列攜帶着計算指令要求。二次大戰時以此來分析軍事電報密碼中的排列組合──破譯密碼，真的只是“計算”機，並不具有什麼操作系統軟件。筆者曾經是半導體擴散工程師，使用預先製備有器件圖樣的玻璃掩版，利用光化學方法再腐蝕在半導體硅片上。我們做的是硬工序，而各種電子元件和接線通道等都要在紅膜軟膠片上預先刻製，再微縮到玻璃硬片上，所以我們把擴散工序自稱為硬件工程，那些元件計算和膠片設計刻劃程序就是軟件工程。
60
年代初期出現的計算機就開始要配備簡單的管理系統，協調輸出∕輸入設備，執行操作命令等不同的功能。
1956年美國首先製成磁帶技術用於電視錄像機，磁技術很快被移植到計算機應用中，開發成為磁環、磁鼓、硬磁盤、軟磁盤等等。它不單可以儲存原始數據、計算結果，甚至未動用的數據資料亦可存放，連人對計算機的各種操作指令都可儲存備用。於是 Disk Operating System (DOS) 磁盤操作系統的科學概念正式形成了，它是最接近計算機芯片硬件部份的最基礎軟件。Operating
System (OS)“操作系統”控制管理着四個重要的硬件和操作──控制處理器、控制外圍設備、控制信息管理和管理指令作業。它不單是計算機硬件的指揮者，連各種應用軟件、專家軟件、網絡軟件等都得由這個系統平台來支持運作，所以它是一切軟件的最核心、最關鍵的部份。
二．
監察屏幕顯示從文字符號走向圖象符號
早期的各種操作系統都得由使用者敲打鍵盤，輸入不同的符號文字指令，才能控制運行操作。當外圍設備不斷增加時，就得設計一套代碼去調令各硬件設備和軟件代號，忘記代碼就動不得了，於是出現了下列問題：能否不用再要熟記一大堆代碼仍可操縱計算機？
1960
年初視窗圖象概念（concept of windows）在美國 MIT提出構思後，未能立刻廣泛應用。1966年鼠標機械設計在美國 Xerox PARC（Xerox Palo Alto Research Center）成功操縱，可以指令顯示屏上的游標在不同區域進行操控。1973年現今常見的視窗形式（multiple overlapping windows）在 PARC發展出來〔5〕。兩者結合本可以很快改變歷來的操作指令方式，這應用亦是最早由 Xerox
PARC構造了個人計算機〔6〕初型。但是該設計幾經變遷竟未能由開拓者成功推出，最後多番轉折才由微軟公司在個人計算機市場上得以推廣，“Windows 視窗”成為微軟公司的專利商標，由此引導着整個計算機產業的巨大變化。因為人類大腦對圖形符號的反應比文字符號的反應快得多。
1996
年初，日本東京電機大學和日本電話公司公報了多年的合作研究結果〔7〕：象形漢字與日本字符（假名）在日本人的大腦反應速度，竟是0.1秒和0.3秒之比﹗怪不得在日本超級公路上之路標，早就用漢字而不用本國文字，過去的經驗只知用漢字路標之高速公路路口交通事故較少。原來汽車駕駛者在公路上要判斷出路，大腦思索何去何從時，象形文字和假名字符有着很不同的反應時間，看到拼音假名字符思索中0.3秒已經過去，再想扭盤轉向就會撞車出事故。主持研究的小谷誠教授解釋了實驗結果：人們認識拼音字符需要三個過程，從光學畫面圖案接收字符信息後，要先在左腦判斷確認，把圖形轉讀為音節，一串的音節次序結合要在右腦操作，但字符組合的意義概念又要回到左腦檢出才能決定行動。左右左三步剛好0.3秒，而漢字的大腦反應只需0.1秒！
我們知道人的大腦好像核桃的核果結構形狀，左右兩個腦葉中間有一個小小的胼胝體銜接。科學家發現人的兩葉大腦有明顯的不同優勢：語言、概念、數字、分析、邏輯、推理等思維主要在左腦進行；而音樂、繪畫、空間等思維則主要在右腦，想象、綜合、靈感等功能亦需要有右腦的重要配合。使用拼音文字的人腦左右兩葉明顯分工，西方人就有所謂的“左腦優勢”，實際他們的右腦遲遲未能很好開發，有關形象、綜合和靈感等思維未能有效地發揮。而恰恰使用象形漢字的人群倒是左右兩翼大腦並用，他們並沒有西方人的所謂“左腦優勢”，認字辨別意思可以不用經過音義轉譯的繁複過程。
現在一切軟件的屏幕顯示都以圖象為手段，它借助人類大腦對圖形符號的迅速敏銳反應，計算機技術的發展支持了東方華人漢字思維模式的優越性。
3
． 現代操作系統要求有更精煉、不4． 同5． 級別的計算機語言
在進一步研製新操作系統時，由於有光盤等各種更先進的硬件新設備，並且又要適應不同使用者的多種要求，這樣就要求用計算機語言來控制了，一種更接近人類思維的計算機語言就被急切期待出現。
隨着信息技術的急劇發展，操作系統已經發展到具有13個層次和多種模塊結構的複雜軟件系統〔８〕，它有多級語言結構。第1至4層次是最接近半導體結構的管理，這些層次的計算機語言是簡單的機械語言（Kernel內核語言），極先進的操作系統仍要保留最原始的 0與1 的機械語言（在最低層次的機械語言中，1-1-0-0,1-0-0-1,1-0-1-0或者0-0-1-1等對最低層次的半導體器件來說，都只是兩次脈沖！沒有其他含意！）；第5至7層次首先要處理計算機自身的管理、繼之才是外圍設備管理，這些層次的計算機語言是管理語言、Semaphore語言（相當于旗號語言，內地有譯作為信號燈），雖然還是0-1之區別，前面的四個編碼脈沖就有着完全不同的意義──特定的功能，對寄存器來說是地址編碼或者推動下一級開關，實際它是連續更多的脈沖，才調動眾多的外圍設備、各種內存信息和程序、足夠大與多層次的工作桌面、設法分時並進運算等，這是第二級別的計算機管理語言；第8層以上就要聯絡外間信息渠道和各種不同層次的計算機設施，這層次以上的計算機語言是機際∕人際溝通的外殼語言(Shell語言)，人們熟識的C語言、Basic
語言、Fortran 語言或者Prolog語言等都只是計算機最外層的外殼語言之一。若能出現一種更接近人類思維模式的計算機語言（自然語言）就更方便了，使得操作者在實際運用計算機時，能夠靈活與它溝通。
這種對開發計算機語言系統的科學需求，早已被計算機理論家充分認識到。遺憾的是，它尚未被思維科學、認知科學和大腦科學的工作者充分認識和把握，這是操作系統的一個極為重要、有深層意義的核心問題。
一代一代的計算機操作系統不斷被創造出來，現在發展成熟的大概有六種類型：單用戶
(Single User)操作系統，相當於我們經常使用的個人微機計算機；批處理(Batch)操作系統，一個小型機可以同時接受多個用戶程序操作，一般叫櫃機計算機；分時(Time Share)操作系統，或稱多用戶操作系統，一般是中型機到大型機了；實時(Real
Time)操作系統，在中、大型機的使用時，要考慮即時響應因素，其他效率問題倒可暫為次要了；網絡(Network)操作系統，上網公司就要有效率的多用戶操作軟件；並行分佈式(DPD)操作系統等等。
四．
並行操作是計算機最快速、有效的操作系統
計算機技術與大腦神經、認知研究是互動的科學聯合體，一方的研究成果可為對方提供新思路和新手段。在過去廿年間，雙方為推進其科學合作影響最大的成果，是“神經網絡”的研究和開拓。
計算機使用的物理器件都是固體電子元件，科學家為了提高其運算速度一方面要努力去削減元件空間尺寸，使得電子、光子（都可稱為載流子），能以最快的時間到達接受方；另一方面還要尋求那種物理介質的載流子有更快的運動速度。為此推動了近代材料科學的發展，相繼發展出鍺半導體、硅半導體、III-V族半導體等等，因為後者有更快的主載流子速度。相比之下，大腦神經之傳輸只是在有機分子間以極緩慢的速度傳遞信號的生物物理過程，兩者載流子速度真是天淵之別。物理學家最初對此曾寄予極大的期望，他們認為當找到提高運算速度的方法後，電腦很快就要戰勝人腦，人類將要成為現代科學之奴隸，這是幼稚的思想。
現代神經生理學表明，人的大腦皮層大約包含1011個神經元，每個神經元又大約與103個其他神經元相聯繫，形成1014個突觸。雖然大腦神經的工作速度只是每秒100赫量級，但人類天然神經網絡並行操作下每秒可以改變1016個聯接﹗﹗﹗科學家曾努力在微電子器件層次去嘗試並行操作，但因無法很好均分元件間能量的配置，個別層次也只能達到一接四。科學家只好另謀出路，近十多年在微處理器之外去發展人工神經網絡技術，取得新成果，但其計算速度與大腦神經運作比較仍然相距極遠，根本無法達到生物體內的傳輸效應。
1997
年深藍(Deep Blue)電腦戰勝世界國際象棋冠軍，被認為是劃時代的人工智能與人類智慧的大決賽，它使科學家認識到並行分佈操作在計算機快速運算的威力，因為深藍只是512個微處理器並行操作的新型超級電腦，這是同級速度芯片微處理器獲得最高運算速度的唯一方法。中國863計劃取得的成果之一：曙光3000是一個含有264個微處理器的大規模並行計算機，運行速度為4032億次每秒（相當4×1011），兩者之差距如此之大！
這好比“骨牌”游戲，電腦器件是一級推一級的串行遞進，運算程序越長計算時間就越長，運算是每一個體串連累積加成、總時間是快不了的。而神經運動是並行網絡層次式的傳遞、水銀瀉地的分成無數小粒顆、達到高效快捷的智能效果。計算機要朝並行分佈 (Parallel Distributed Processing, PDP) 神經網絡技術的方向發展，才能有更大的作為。容量更大的並行網絡操作系統是各國急於解決的一個極其艱巨的科研難題，如果科學家能設計出包容全世界各類型電腦一起運算的軟件，那麼全世界就是一個電腦﹗什麼科學難題都會容易迎刃而解了﹗
由上述可見，最接近硬件的第一個核心軟件──操作系統是何等重要；如何合理發揮各部件的性能，並行操作是提高運算速度的唯一好辦法。現在西方學者推崇的“右腦革命”，就是希望盡早改變他們自己的所謂“左腦優勢”，祈求早日在大腦植入一種並行操作方式，使得右腦早日發揮其應有作用。
五．
操作系統的部份軟件可以固化到半導體芯片中
操作系統市場最大壟斷者是美國微軟公司，她所提供的各種 OS 操作系統不論是 DOS 、WOS、 NOS 等，其中都有部份重要的指令存放在隱蔽系統中，使用者是無法開啟、閱讀或更改的。例如最早期的
MS-DOS 系統中就有兩個檔案
MSDOS.SYS 和 IO.SYS
是不能開啟閱讀的，它們都是存在(HIDDEN
FILE)隱蔽檔案中。這就使得人們考慮一個重要的問題：一旦這些被隱蔽的檔案可在最關鍵、最重要時刻，無故被動終斷操作；或者內部檔案不知不覺地被他方密令經某種網絡傳輸出去，這就產生不容忽視的極嚴峻的信息安全問題。若使用者必須高價向軟件公司購買專利產品，又有限度使用，不單受制於專利者，而信息安全又未能確定保障等等；而 Linux 軟件是採用開放源碼的發展模式，各項指令都是公開可見、方便用家自己修改、加密添增使用，這種開放源碼操作系統具有全新的市場競爭條件。目前 Linux 軟件已經能夠廣泛被中、大型機接受使用，問題是否能夠打入曾被壟斷的個人計算機龐大市場。
為此，操作系統廠家在考慮到個人計算機市場的激烈競爭，要求出廠的計算機把操作系統部份軟件固化到芯片硬件（操作系統第1層至第4層是最接近半導體器件，以機械語言 0-1 操作；對於沒有外圍設施的掌上計算機，則連自身管理語言亦可一併植入），這行動就是鼓勵小用家首先使用已固化的操作系統，繼續壟斷市場。操作系統能被固化到硬件中去，在半導體芯片生產過程就植入軟件，這是快速佔領市場的一種有效措施。
2000
年 1月美國硅谷的高技術公司 Transmeta 宣佈推出兩款新計算機處理器Crusoe，其中之一主要是用于網絡設備和 Linux 上網工具之用。這兩款新產品都是極低耗電量的半導體新型芯片，更有一個深度休眠功能，耗電只有20mW﹗在這種狀態下，可以備用兩星期，充電一次就可連續不斷地使用一整天﹗這技術優勢是一般小用家購買時首先考慮的因素，所以這個新產品肯定能夠分享部份掌上計算機的市場，改變過去微軟視窗獨大的壟斷地位。
從人類思維發生角度來看，“軟件固化”可能是解開人類思維奧秘極為重要的一步﹗思維科學研究者和認知心理學者沒有認真地從這一方面去觀察問題﹗腦神經科學工作者亦多忽視了行家在靈長類腦內發現“臉孔細胞”〔９〕和“手爪細胞”〔１０〕深藏的重大意義﹗大腦已能把客觀信息固化到細胞層次，達到了生物遺傳目的。
六．
小結
從計算機操作系統演化歷史可知不同的年代有不同的需求，不同的需求產生不同的操作系統；不同的操作系統有不同的計算機語言，不同的語言構造發展了不同的計算機功能。這一切對我們考察人腦是否具備類似計算機操作系統機制的問題，有十分重要的意義，它提供一個明確的方向和途徑。對過去50年來操作系統的發展可以總結出以下幾點深層認識：
＊最早期的計算機只需有一打孔紙帶作為指令，並不具完整的操作系統軟件；
＊它是最接近硬件的第一個軟件；有了它才可以承接各應用軟件、專家系統；
＊它已證實可以部份被固化到芯片硬件中去，其餘仍然要放置裝備在軟件中；
＊它要求更高級、更精煉的電腦語言，否則難以操控新設施和網上靈活溝通；
＊要它快速、全面、複雜的運算，必須以並行分佈操作才能滿足速度的要求；
＊不同年代設計有其年代特徵，它包容上一代的優點、更含新一代之高要求。
以上這些深層認識對我們發掘大腦中的“操作系統”，提供了新的類比途徑：計算機發展必須依靠其核心軟件的發展，人類智力的發展是否亦要依靠其意識核心的發展。這是揭示大腦智慧之謎的新線索。西方認知科學家論及大腦高級意識中有計算機操作系統時，未考慮到操作系統內的計算機語言也有明顯的級別區分，因而產生以下問題：人類語言除了“人際語言”外，在意識研究中是否有腦語言級別？語言若然有級別結構，意識是否也有層次之劃分？動物有沒有意識？語言與意識孰先孰後？從操作系統的深層思考中，我們清楚其中有不同功能的語言級別，並且由於操作系統能被固化到芯片上、核心軟件又緊貼挨靠着核心硬件﹗大腦神經細胞就是大腦的硬件核心，那麼在核心硬件中能否找到意識的第一代核心軟件？人類的最低層次意識是否有先天遺傳因素？這些問題似乎不再是哲學的爭論了！經過我們對操作系統技術發展的細心思考和嚴密的分析，把握上述的六個新認識，從靈長類──黑猩猩的意識入手探討，估計對人類思維發展的意識核心問題可細緻追尋了，從中應可以得到一個有關“腦操作系統”新啟示、新聯想。
致謝：本文得到香港中文大學計算機科學與工程學系李浩文教授提供參考資料，及多次充分地討論有關電腦語言發展的問題，特此致謝。
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作者簡介: 楊偉國 1941年生, 男漢族,
廣東海豐, 畢業於香港浸會學院(現為香港浸會大學), 研究方向是信息科學與信息哲學，任職香港京港學術交流中心執行董事,
北京大學科學與社會研究中心博士生．
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