計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展歷史綜述

1、計(jì)算機(jī)組成技術(shù)課程報(bào)告計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展歷史綜述摘要：本文通過(guò)回顧計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，探討計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展的趨勢(shì)，從而使人相信計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展前景將更加燦爛。關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)硬件；發(fā)展史。1.計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展史1.1 計(jì)算機(jī)的起源大約在19401942年間，在研制導(dǎo)彈的過(guò)程中，急需要有一種能迅速計(jì)算的工具，以便對(duì)導(dǎo)彈的飛行進(jìn)行控制。在它偏離人所預(yù)測(cè)的軌道時(shí)，把它拉回到軌道上來(lái)。這樣就產(chǎn)生了能在110秒或1100秒的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出導(dǎo)彈運(yùn)行軌跡同預(yù)定軌道的偏差的電子計(jì)算機(jī)。它的出現(xiàn)是當(dāng)代世界上最大的發(fā)明之一。1.2 計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展過(guò)程可分為四代計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展以用于構(gòu)建計(jì)算機(jī)硬件的元器件的發(fā)展為主要特征，而元器

2、件的發(fā)展與電子技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)，每當(dāng)電子技術(shù)有突破性的進(jìn)展，就會(huì)促進(jìn)計(jì)算機(jī)硬件的一次重大變革。因此，計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展史中的“代”通常以其所使用的主要器件，即電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路來(lái)劃分。第一代計(jì)算機(jī)（19461958）以1946年eniac的研制成功為標(biāo)志。這個(gè)時(shí)期的計(jì)算機(jī)都是建立在電子管基礎(chǔ)上，體積大，運(yùn)算速度慢。最初使用延遲線和靜電存儲(chǔ)器，容量很小，后來(lái)采用磁鼓，有了很大改進(jìn)；輸入設(shè)備是讀卡機(jī)，可以讀取穿孔卡片上的孔，輸出設(shè)備是穿孔卡片機(jī)和行式打印機(jī)，速度很慢。在這個(gè)時(shí)代將要結(jié)束時(shí)，出現(xiàn)了磁帶驅(qū)動(dòng)器，它比讀卡機(jī)快得多。圖(1) 4位的微處理器和微型電子計(jì)

3、算機(jī)第二代計(jì)算機(jī)（19591964）以1959年美國(guó)菲爾克公司研制成功的第一臺(tái)大型通用晶體管計(jì)算機(jī)為標(biāo)志。這個(gè)時(shí)期的計(jì)算機(jī)用晶體管取代了電子管，晶體管具有體積小、重量輕、速度快、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能都有很大的改進(jìn)。圖(2) 8位的微處理器和微型電子計(jì)算機(jī)第三代計(jì)算機(jī)（19651970）以ibm公司研制成功的360系列計(jì)算機(jī)為標(biāo)志。第三代計(jì)算機(jī)的特征是集成電路。這個(gè)時(shí)期的內(nèi)存儲(chǔ)器用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器淘汰了磁芯存儲(chǔ)器，使存儲(chǔ)容量和存取速度有了大幅度的提高；輸入設(shè)備出現(xiàn)了鍵盤，使用戶可以直接訪問(wèn)計(jì)算機(jī)；輸出設(shè)備出現(xiàn)了顯示器，可以向用戶提供立即響應(yīng)。圖(3) 16位的微處理器和微型電子計(jì)

4、算機(jī)第四代計(jì)算機(jī)（1971至今）以intel公司研制的第一代微處理器intel 4004為標(biāo)志，這個(gè)時(shí)期的計(jì)算機(jī)最為顯著的特征是使用了大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路。圖(4) 32位的微處理器和微型電子計(jì)算機(jī)1.3各時(shí)期計(jì)算機(jī)的比較：表(1) 各時(shí)期計(jì)算機(jī)的比較(1)表(2) 各時(shí)期計(jì)算機(jī)的比較(2)2. 計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展歷史與現(xiàn)狀計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面的發(fā)展，一是研制新型的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，提高并行計(jì)算和處理能力，并特別體現(xiàn)在智能體系結(jié)構(gòu)的理論和應(yīng)用方面，其次以硬件或固件為發(fā)展主線的大規(guī)模集成電路的研制和開發(fā)。而這里主要從處理器，存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備三方面的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀進(jìn)行闡

5、述。2.1 處理器的發(fā)展史及現(xiàn)狀處理器的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段，人們通常將處理器的發(fā)展劃分為兩個(gè)較明顯的時(shí)代：從1970年開始到2005年，在這30多年的時(shí)間里，桌面cpu無(wú)論性能如何變化，它們都是以單核的形式出現(xiàn)的，在這個(gè)階段cpu的明顯特征就是唯主頻論。1971年intel公司推出了世界上第一臺(tái)微處理器4004，這是第一個(gè)用于計(jì)算機(jī)的4位微處理器。4004含有2300個(gè)晶體管，功能相當(dāng)有限而且速度還很慢，但是它畢竟是劃時(shí)代的產(chǎn)品。1978年intel公司再次領(lǐng)導(dǎo)時(shí)代潮流，首次生產(chǎn)出16位微處理器。1982年，intel推出了跨時(shí)代的新產(chǎn)品80286芯片，雖然它然舊是16位結(jié)構(gòu)，但是處理器的內(nèi)部

6、含有13。4萬(wàn)個(gè)晶體管；1985年intel推出了80386芯片，它是80x86系列中的一種32位微處理器，而且在制造工藝方面也有很大的進(jìn)步。1989年，80486芯片由intel推出，這種工藝的革新之處就在于它突破了100萬(wàn)個(gè)晶體管的界限，集成了120萬(wàn)個(gè)晶體管，采用突發(fā)總線方式，大大提高了與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換速度。1994年6月，intel和hp公司簽署合作協(xié)議，為高端服務(wù)器和工作站市場(chǎng)共同開發(fā)全新的、開放性的64位架構(gòu)。1997年11月，intel和hp公司宣布推出 64位的epic（顯性并行指令計(jì)算）架構(gòu)以及相應(yīng)的產(chǎn)品計(jì)劃。inter和hp在開發(fā)這種新型的64位芯片時(shí)，選擇了一個(gè)與risc

7、 微處理器大不相同的方向，發(fā)明了一種有利于加強(qiáng)指令并行執(zhí)行的新處理器架構(gòu) - epic.epic .它實(shí)質(zhì)上是一種吸收了兩者長(zhǎng)處的新架構(gòu)。2000年以180奈米銅導(dǎo)線搭絕緣硅（soi）制程打造power4處理器工程樣本開機(jī)成功，隨即成為業(yè)界對(duì)雙多核心處理器發(fā)展的關(guān)注焦點(diǎn)。而領(lǐng)導(dǎo)雙、多核心發(fā)展技術(shù)的ibm2001年 5月經(jīng)過(guò)7年的艱苦努力，ipf系列的第一代產(chǎn)品itanium終于正式上市。高端的競(jìng)爭(zhēng)將由原來(lái)的各廠商的64位risc芯片之間的競(jìng)爭(zhēng)，逐步變?yōu)殚_放性的ia64芯片與少數(shù)廠商專利的risc 芯片之間的競(jìng)爭(zhēng)。2003年8月ieee hots chips揭露power5集結(jié)雙實(shí)體cpu核心，

8、每顆cpu具備單核心同步超執(zhí)行緒，一顆硅芯片可以開啟四顆邏輯處理器的分身；再加上power5處理器又包入四個(gè)處理器硅芯片，一顆mcm封裝的power5處理器，就可以開啟4416個(gè)邏輯處理器。2004年底，amd和inel公司先后推出了64位個(gè)人用處理器。從2006年開始，處理器領(lǐng)域已進(jìn)入一個(gè)全新的多核時(shí)代，雙核處理器的出現(xiàn)標(biāo)志著以主頻論英雄的年代正式結(jié)束，無(wú)論是業(yè)界巨擎intel還是amd都已經(jīng)明確表示，今后cpu將會(huì)是雙核乃至多核的世界。2.2 存儲(chǔ)器（針對(duì)內(nèi)存）的發(fā)展史及現(xiàn)狀內(nèi)存的發(fā)展最早的內(nèi)存是以磁芯的形式排列在線路上,每個(gè)磁芯與晶體管理組成的一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)電路作為一比特的存儲(chǔ)器,每一比特都

9、要有玉米粒大小, 可以想象, 一間的機(jī)房只能裝下不超過(guò)百k字節(jié)左右的容量。后來(lái)才出線現(xiàn)了焊接在主板上集成內(nèi)存芯片,以內(nèi)存芯片的形式為計(jì)算機(jī)的運(yùn)算提供直接支持。那時(shí)的內(nèi)存芯片容量都特別小, 最常見的莫過(guò)于2 5 6 k 1bit、1m 4 b i t ,雖然如此,但這相對(duì)于那時(shí)的運(yùn)算任務(wù)來(lái)說(shuō)卻已經(jīng)綽綽有余了。 內(nèi)存的誕生內(nèi)存芯片的狀態(tài)一直沿用到286 初期,鑒于它存在著無(wú)法拆卸更換的弊病,這對(duì)于計(jì)算機(jī)的發(fā)展造成了現(xiàn)實(shí)的阻礙。有鑒于此,內(nèi)存條便應(yīng)運(yùn)而生了。將內(nèi)存芯片焊接到事先設(shè)計(jì)好的印刷線路板上,而電腦主板上也改用內(nèi)存插槽。這樣就把內(nèi)存難以安裝和更換的問(wèn)題徹底解決了。如圖3 - 1 。在80286

10、 剛推出的時(shí)候, 內(nèi)存條采用了simm(single in-line memory modules, 單邊接觸內(nèi)存模組)接口,容量為30pin、256kb,必須是由8 片數(shù)據(jù)位和1 片校驗(yàn)位組成1 個(gè)b a n k , 正因如此, 我們見到的30pin simm 一般是四條一起使用。自1982 年pc 進(jìn)入民用市場(chǎng)一直到現(xiàn)在,搭配80286 處理器的30pinsimm 內(nèi)存是內(nèi)存領(lǐng)域的開山鼻祖。隨后,在19881990 年當(dāng)中,pc 技術(shù)迎來(lái)另一個(gè)發(fā)展高峰,也就是386 和486 時(shí)代,此時(shí)c p u 已經(jīng)向1 6 b i t 發(fā)展, 所以3 0 p i nsimm 內(nèi)存再也無(wú)法滿足需求,其較

11、低的內(nèi)存帶寬已經(jīng)成為急待解決的瓶頸, 所以此時(shí)7 2 p i n s i m m 內(nèi)存出現(xiàn)了 , 7 2 p i nsimm 支持3 2 b i t 快速頁(yè)模式內(nèi)存, 內(nèi)存帶寬得以大幅度提升。72pin simm 內(nèi)存單條容量一般為512kb2mb,而且僅要求兩條同時(shí)使用,由于其與30pin simm 內(nèi)存無(wú)法兼容,因此這個(gè)時(shí)候pc 業(yè)界毅然將30pin simm 內(nèi)存淘汰出局了。e d odram 同f p m d r a m ( f a s t p a g e m o d eram 快速頁(yè)面模式存儲(chǔ)器)極其相似,它取消了擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出內(nèi)存與傳輸內(nèi)存兩個(gè)存儲(chǔ)周期之間的時(shí)間間隔, 在把數(shù)據(jù)發(fā)送給

12、c p u 的同時(shí)去訪問(wèn)下一個(gè)頁(yè)面, 故而速度要比普通dram 快15-30%。工作電壓為一般為5 v ,帶寬32bit,速度在40ns 以上,其主要應(yīng)用在當(dāng)時(shí)的486 及早期的pentium 電腦上。自i n t e l c e l e r o n 系列以及amd k6 處理器以及相關(guān)的主板芯片組推出后, e d od r a m 內(nèi)存性能再也無(wú)法滿足需要了, 內(nèi)存技術(shù)必須徹底得到個(gè)革新才能滿足新一代cpu 架構(gòu)的需求,此時(shí)內(nèi)存開始進(jìn)入比較經(jīng)典的s d r a m 時(shí)代。隨著cpu 性能不斷提高,我們對(duì)內(nèi)存性能的要求也逐步升級(jí)。于是，內(nèi)存接連進(jìn)入了ddr 時(shí)代、ddr2 時(shí)代、ddr3 時(shí)代

13、。2.3 外圍設(shè)備的發(fā)展史及現(xiàn)狀外圍設(shè)備包括輸入設(shè)備，輸出設(shè)備和輔助存儲(chǔ)器。從計(jì)算機(jī)硬件角度看，主機(jī)部分主導(dǎo)地位一直保持到70年代中期。后來(lái)作為計(jì)算機(jī)的“手足”，“感官”和“數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)”的外圍設(shè)備的重要性日益增長(zhǎng)，新型高性能品種不斷涌現(xiàn)，加上數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的成熟要求越來(lái)越大的輔助存儲(chǔ)器，從而使得外圍設(shè)備在硬件成本中的比重越來(lái)越大。特別是由于輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的發(fā)展，人同計(jì)算機(jī)的界面越來(lái)越友好。起初人們只能用枯燥的數(shù)字，文字同計(jì)算機(jī)打交道；80年代圖形用戶接口（gui）技術(shù)的成熟將人們帶進(jìn)了“圖文并茂”的多媒體時(shí)代。人們不再感到計(jì)算機(jī)只是一部冰冷的機(jī)器了。而輸入設(shè)備和輸出設(shè)備則朝高性能，多樣化，智能化和多媒體方向發(fā)展。速度仍然是對(duì)輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的最根本和迫切性的要求。一方面需要指出的是，外圍設(shè)備中已越來(lái)越多地嵌入微處理器和軟件進(jìn)行控制以達(dá)到智能化和高性能的目標(biāo)，另一方面也常常將原屬外圍設(shè)備或外圍設(shè)備控制器的部分功能直接設(shè)計(jì)進(jìn)