計算機硬件發(fā)展史概述計算機硬件發(fā)展史概述

1、計算機硬件發(fā)展史概述計算機硬件發(fā)展史概述計算機硬件發(fā)展史概述計算機硬件發(fā)展史概述 計算機硬件發(fā)展史概述航天學院物理電子學摘要：計算機硬件的性能直接決定著計算機的性能。計算機硬件的發(fā)展大致經(jīng)歷了機械計算機、電子計算機、晶體管計算機、集成電路時代，功能越來越強，性能越來越高，技術(shù)越來越完善。關(guān)鍵詞：計算機，硬件，發(fā)展歷程，性能 1 計算機的誕生 11 誕生歷程現(xiàn)代計算機問世之前，計算機的發(fā)展經(jīng)歷了機械式計算機、機電式計算機和萌芽期的電子計算機三個階段。從 17 世紀初開始，歐洲一批數(shù)學家已經(jīng)開始設計和制造能進行簡單數(shù)學運算的機器。最初，1614 年蘇格蘭人 john napier 發(fā)表了一篇論文，

2、其中提到他發(fā)明了一種可以計算四則運算和方根運算的精巧裝置，不久后有了計算尺的發(fā)明。1642 年，著名的法國數(shù)學家帕斯卡在計算尺的基礎(chǔ)上，采用與鐘表類似的齒輪傳動裝置，制成了最早的十進制加法器，可以進行加減運算，一般認為這是第一臺機械式計算機，如圖 1.1 所示。1678 年，德國數(shù)學家萊布尼茨制成的演算機，進一步解決了十進制數(shù)的乘、除運算。1822 年，英國人巴貝奇設計了能根據(jù)數(shù)學議程進行運算的差分機，后來又于 1834 年提出分析機的設想。在這之后的一百多年，伴隨著電磁學、電工電子學不斷取得重大進展，現(xiàn)代計算機的雛形逐漸形成。圖 1.1 帕斯卡的加法器 12 電子計算機的誕生 20 世紀 3

3、0 年代，隨著數(shù)學和物理等科學技術(shù)的蓬勃發(fā)展，數(shù)值分析得到重視，大量的運算迫切需要能替代人工運算的先進計算機。第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前后，軍事科學技術(shù)對高速計算工具的需要非常迫切，比如導彈彈道問題就需要大量的科技人員去計算，電子計算機就是在這樣的背景下誕生的。第一臺真正意義上的計算機誕生于 1946年，是賓夕法尼亞大學物理學家謨克利和工程師埃克特領(lǐng)導數(shù)人花時3 年多研制而成的，并被命名為 eniac。這臺計算機含有電子管18000 個，電阻和電容數(shù)萬個，占地 170 平方米，功率為 25 千瓦，最初是用于計算導彈彈道和氫彈的研制。當 eniac 公開展示時，一條炮彈的軌跡用 20s 就能算出，比炮

4、彈本身的飛行時間還要短。2 計算機硬件的發(fā)展歷史 2.1 硬件簡介硬件系統(tǒng)通常指機器的物理系統(tǒng)，是看得到、摸得著的物理器件?，F(xiàn)在我們所使用的計算機硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本是沿用了由著名數(shù)學家馮 諾依曼提出的模型，它由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五大功能部件組成，如圖 2.1 所示。當我們打開計算機的機箱時，可以看到主機板，它是主機中的基礎(chǔ)部件，在它上面密集地安裝著 cpu、內(nèi)存儲器，輸入輸出接口等。一臺計算機的硬件的核心是 cpu，它一般是將運算器、控制器配以寄存器組集成在一塊芯片上。 圖 2.1 硬件系統(tǒng)基本組成和工作原理 2.2 計算機硬件的發(fā)展2.2.1 計算機硬件發(fā)展綜述現(xiàn)代計

5、算機的硬件發(fā)展經(jīng)歷了電子計算機、晶體管計算機、集成電路時代以及大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代這四個重要階段。每個階段的基本性能和特點如表 2.2.1 所示。計算機的發(fā)展遵從著名的摩爾定律，即當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔 18 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，經(jīng)過時間的檢驗，這個定律是正確的，而且據(jù)估計至少在 10 年內(nèi)計算機的發(fā)展還會是這樣的一個規(guī)律。表 2.2.1 計算機硬件發(fā)展歷程代別第一代 1946-1958 第二代 1959-1964 第三代 1965-1970 第四代 1971 至今電子器件電子管晶體管集成電路大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路存儲器水銀延遲線磁鼓、磁芯

6、磁盤、磁帶磁鼓、磁芯半導體存儲器磁盤、磁帶半導體存儲器磁盤、光盤運算速度 5000-幾萬幾十萬-百萬百萬-幾百萬幾百萬-幾億處理方式機器語言匯編語言匯編語言算法語言操作系統(tǒng)實時處理分時處理網(wǎng)絡操作系統(tǒng)應用領(lǐng)域科學計算數(shù)據(jù)處理實時控制各種行業(yè)代表 eniacibm 7090ibm 360ibm pc2.2.2 各代計算機硬件介紹第一代電子計算機的典型代表是 univac，它是用電子管制作電子元件的計算機，使用汞延遲線作存儲設備，后來逐漸過渡到用磁芯存儲器，輸入、輸出設備主要是用穿孔卡片，體積龐大，功耗也很大。第一臺真正意義的計算機 eniac 也是這一類型，雖然這時的計算機能解決一些計算問題，但

7、由于造價昂貴，體積龐大，難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，得不到廣泛使用，這一時期的計算機基本上是用于軍事科技。晶體管的發(fā)明帶來了計算機硬件的飛躍發(fā)展，由于晶體管較真空管具有巨大優(yōu)勢，計算機開始使用晶體管制造電子元件，計算機發(fā)展開始進入晶體管時代。晶體管計算機無論是功耗還是體積都大大降低，可靠性和計算能力也大為提高。第二代計算機用磁芯制造內(nèi)存，利用磁鼓和磁盤取代穿孔卡作為主要的外部存儲設備。在這一時期，美國德克薩斯州儀器公司的工程師基爾比在一塊半導體硅晶片上將電阻、電容等分立元件集成在里面，制成世界上第一片集成電路，這也為基爾比贏得了 2000 年的諾貝爾物理學獎，并且也為后來的大規(guī)模集成電路奠定了基礎(chǔ)。第

8、三代計算機使用集成電路代替晶體管，使用硅半導體制造存儲器，磁盤成了不可缺少的輔助存儲器，并且開始普遍采用虛擬存儲技術(shù)。隨著各種半導體只讀存儲器和可改寫的只讀存儲器的迅速發(fā)展，以及微程序技術(shù)的發(fā)展和應用，計算機系統(tǒng)中開始出現(xiàn)固件子系統(tǒng)。1967 年和 1977 年分別出現(xiàn)了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。由大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路組成的計算機，被稱為第四代計算機。美國 illiac-iv 計算機，是第一臺全面使用大規(guī)模集成電路作為邏輯元件和存儲器的計算機，它標志著計算機的發(fā)展已到了第四代。這個時期逐漸出現(xiàn)了 cpu，聲卡，顯卡，內(nèi)存，主板，硬盤等這些我們熟悉的電腦硬件。至此，計算機開始具備了我們現(xiàn)在所

9、使用的電腦的基本構(gòu)造和功能。第四代計算機的另一個重要分支是以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)發(fā)展起來的微處理器和微型計算機。芯片集成度提高了，計算機的體積迅速縮小，以 80386 微處理器為例，在面積約為10mm *l0mm 的單個芯片上，可以集成大約 32 萬個晶體管，其集成度可見一斑。在電子管時代，一些計算機配置了匯編語言和子程序庫，高級語言只是處在開發(fā)初期。在晶體管計算機階段，事務處理的cobol 語言、科學計算機用的 algol 語言以及符號處理用的 lisp等高級語言開始進入實用階段。這時操作系統(tǒng)初步成型，使計算機的使用方式由手工操作改變?yōu)樽詣臃绞健＿M入集成電路時代以后，計算機中形成了

10、相當規(guī)模的軟件子系統(tǒng)，高級語言種類進一步增加，操作系統(tǒng)日趨完善，具備批量處理、分時處理、實時處理等多種功能。2.3硬盤和 cpu 的發(fā)展簡介 2.3.1 硬盤的發(fā)展 1956 年，ibm公司開發(fā)的ibm 350 ramac 是現(xiàn)代硬盤的鼻祖，它有兩個冰箱那么大，儲存容量只有 5mb。1973 年 ibm 3340 問世，存儲容量達到 30mb，到這時，硬盤的基本架構(gòu)被確立。80 年代末，ibm公司推出 mr 技術(shù)令磁頭靈敏度大大提升，使得儲存密度提高了數(shù)十倍，該技術(shù)為硬盤容量的巨大提升奠定了基礎(chǔ)。1991 年，ibm應用該技術(shù)開發(fā)出了首款 3.5 英寸的 1gb 硬盤。1970 年到 1991

11、 年，硬盤盤片的儲存密度以每年 25%的速度增長，但自從有了 mr 技術(shù)，從 1991 年開始增長到 70%。后來，ibm公司又研究出 gmr 技術(shù)，使得存儲密度的增長速度達到100%，甚是更高。 2005 年日本日立和美國希捷公司宣布采用磁盤垂直寫入技術(shù)，原理是將平行于盤片的磁場方向改變?yōu)榇怪?，可以更充分地利用儲存空間。日立公司在 2010 年推出 5000g 硬盤，等同半個人腦的存儲量，可以想象其存儲能力之強。2.3.2 cpu 的發(fā)展 cpu 的發(fā)展非常迅速，pc 機從 8088 發(fā)展到現(xiàn)在的 pentium 4 時代，經(jīng)過了不到二十年的時間。最初的 8088 集成的晶體管數(shù)不到三萬，而

12、 pentium的集成度超過了 2500 萬個晶體管；至于 cpu 的運行速度，8088 是 0.75mips，到高能奔騰時已超過了 1000mips。1971 年 10 月，美國 inter 公司首先推出了實現(xiàn) 4 位并行運算的單片芯片，把構(gòu)成運算器和控制器的所有原件都集成在一片大規(guī)模集成電路芯片上，這便是第一片微處理器，命名為 inter 4004。次年，8 位處理器被研制成功。1978 年，inter 公司推出 inter 8086，這是首款 16 位微處理器，也是第三代微處理器的起點。如今，微處理器的位數(shù)已經(jīng)達到 64 位，處理速度及其它性能已經(jīng)與過去不可同日而語了。3 計算機硬件的發(fā)

13、展前景現(xiàn)代計算機的發(fā)展正朝著巨型化、微型化的方向發(fā)展，計算機的傳輸和應用正朝著網(wǎng)絡化、智能化的方向發(fā)展。簡單來說，巨型化是指高速運算、大存儲量和功能強化；微型化是指體積微型化；網(wǎng)絡化是指利用通信技術(shù)和計算機技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息資源的共享；智能化是要求計算機能模擬人的感覺和思維能力?，F(xiàn)在的計算機相對來說已經(jīng)十分先進，但諸如原子反應堆事故和核聚變反應的模擬實驗、飛行器的風洞實驗、天氣預報、地震預測等要求極高的計算速度和精度，都遠遠超出電子計算機的能力極限。而且我們都知道集成電路的發(fā)展已接近尾聲，摩爾定律不能一直適用，這是由三極管等電子元器件的物理特性決定的，要想獲得性能和功能上的突破，必須有新的技術(shù)。目前前景廣泛看好的技術(shù)有幾種，有時也被認為是第五代計算機，如表 3.1 所示。表 3.1 第五代計算機生物計算機采用生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子制成生物芯片，其運算過程是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學介質(zhì)的相互作用過程量子計算機遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息，是用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計算機，可以用來模擬量子現(xiàn)象光計算機與傳統(tǒng)硅芯片計算機不同，光計算機用光束代替電子進行計算和存儲；它以不