計算機硬件發(fā)展歷史綜述

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

2、展緊密相關(guān)，每當電子技術(shù)有突破性的進展，就會促進計算機硬件的一次重大變革。因此，計算機硬件發(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)模集成電路來劃分。第一代計算機（19461958）以1946年ENIAC的研制成功為標志。這個時期的計算機都是建立在電子管基礎上，體積大，運算速度慢。最初使用延遲線和靜電存儲器，容量很小，后來采用磁鼓，有了很大改進；輸入設備是讀卡機，可以讀取穿孔卡片上的孔，輸出設備是穿孔卡片機和行式打印機，速度很慢。在這個時代將要結(jié)束時，出現(xiàn)了磁帶驅(qū)動器，它比讀卡機快得多。圖(1) 4位的微處理器和微型電子計算機第二代計算機（19

3、591964）以1959年美國菲爾克公司研制成功的第一臺大型通用晶體管計算機為標志。這個時期的計算機用晶體管取代了電子管，晶體管具有體積小、重量輕、速度快、壽命長等一系列優(yōu)點，使計算機的結(jié)構(gòu)與性能都有很大的改進。圖(2) 8位的微處理器和微型電子計算機第三代計算機（19651970）以IBM公司研制成功的360系列計算機為標志。第三代計算機的特征是集成電路。這個時期的內(nèi)存儲器用半導體存儲器淘汰了磁芯存儲器，使存儲容量和存取速度有了大幅度的提高；輸入設備出現(xiàn)了鍵盤，使用戶可以直接訪問計算機；輸出設備出現(xiàn)了顯示器，可以向用戶提供立即響應。圖(3) 16位的微處理器和微型電子計算機第四代計算機（19

4、71至今）以Intel公司研制的第一代微處理器Intel 4004為標志，這個時期的計算機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算機1.3各時期計算機的比較：表(1) 各時期計算機的比較(1)表(2) 各時期計算機的比較(2)2. 計算機硬件發(fā)展歷史與現(xiàn)狀計算機硬件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個方面的發(fā)展，一是研制新型的計算機體系結(jié)構(gòu)，提高并行計算和處理能力，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，存儲器和外圍設備三方面的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀進行闡述。2.1 處理器的發(fā)

5、展史及現(xiàn)狀處理器的發(fā)展經(jīng)歷了多個階段，人們通常將處理器的發(fā)展劃分為兩個較明顯的時代：從1970年開始到2005年，在這30多年的時間里，桌面CPU無論性能如何變化，它們都是以單核的形式出現(xiàn)的，在這個階段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微處理器4004，這是第一個用于計算機的4位微處理器。4004含有2300個晶體管，功能相當有限而且速度還很慢，但是它畢竟是劃時代的產(chǎn)品。1978年Intel公司再次領導時代潮流，首次生產(chǎn)出16位微處理器。1982年，Intel推出了跨時代的新產(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)部含有13。4萬個晶體管

6、；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100萬個晶體管的界限，集成了120萬個晶體管，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，為高端服務器和工作站市場共同開發(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（顯性并行指令計算）架構(gòu)以及相應的產(chǎn)品計劃。Inter和HP在開發(fā)這種新型的64位芯片時，選擇了一個與RISC 微處理器大不相同的方

7、向，發(fā)明了一種有利于加強指令并行執(zhí)行的新處理器架構(gòu) - EPIC.EPIC .它實質(zhì)上是一種吸收了兩者長處的新架構(gòu)。2000年以180奈米銅導線搭絕緣硅（SOI）制程打造Power4處理器工程樣本開機成功，隨即成為業(yè)界對雙多核心處理器發(fā)展的關(guān)注焦點。而領導雙、多核心發(fā)展技術(shù)的IBM2001年 5月經(jīng)過7年的艱苦努力，IPF系列的第一代產(chǎn)品Itanium終于正式上市。高端的競爭將由原來的各廠商的64位RISC芯片之間的競爭，逐步變?yōu)殚_放性的IA64芯片與少數(shù)廠商專利的RISC 芯片之間的競爭。2003年8月IEEE Hots Chips揭露Power5集結(jié)雙實體CPU核心，每顆CPU具備單核心同

8、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處理器又包入四個處理器硅芯片，一顆MCM封裝的Power5處理器，就可以開啟4416個邏輯處理器。2004年底，AMD和Inel公司先后推出了64位個人用處理器。從2006年開始，處理器領域已進入一個全新的多核時代，雙核處理器的出現(xiàn)標志著以主頻論英雄的年代正式結(jié)束，無論是業(yè)界巨擎Intel還是AMD都已經(jīng)明確表示，今后CPU將會是雙核乃至多核的世界。2.2 存儲器（針對內(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,每個磁芯與晶體管理組成的一個雙穩(wěn)態(tài)電路作為一比特的存儲器,每一比特都要有玉米粒大小, 可以

9、想象, 一間的機房只能裝下不超過百k字節(jié)左右的容量。后來才出線現(xiàn)了焊接在主板上集成內(nèi)存芯片,以內(nèi)存芯片的形式為計算機的運算提供直接支持。那時的內(nèi)存芯片容量都特別小, 最常見的莫過于2 5 6 K 1bit、1M 4 b i t ,雖然如此,但這相對于那時的運算任務來說卻已經(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,鑒于它存在著無法拆卸更換的弊病,這對于計算機的發(fā)展造成了現(xiàn)實的阻礙。有鑒于此,內(nèi)存條便應運而生了。將內(nèi)存芯片焊接到事先設計好的印刷線路板上,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題徹底解決了。如圖3 - 1 。在80286 剛推出的時候, 內(nèi)存

10、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 片校驗位組成1 個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P(guān)C 進入民用市場一直到現(xiàn)在,搭配80286 處理器的30pinSIMM 內(nèi)存是內(nèi)存領域的開山鼻祖。隨后,在19881990 年當中,PC 技術(shù)迎來另一個發(fā)展高峰,也就是386 和486 時代,此時C P U 已經(jīng)向1 6 b i t 發(fā)展, 所以3 0 p i nSIMM 內(nèi)存再也無法滿足需求,其較低的內(nèi)存帶寬已經(jīng)成為急

11、待解決的瓶頸, 所以此時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使用,由于其與30pin SIMM 內(nèi)存無法兼容,因此這個時候PC 業(yè)界毅然將30pin SIMM 內(nèi)存淘汰出局了。E D ODRAM 同F(xiàn) P M D R A M ( F a s t P a g e M o d eRAM 快速頁面模式存儲器)極其相似,它取消了擴展數(shù)據(jù)輸出內(nèi)存與傳輸內(nèi)存兩個存儲周期之間的時間間隔, 在把數(shù)據(jù)發(fā)送給C P U 的同時去訪

12、問下一個頁面, 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,其主要應用在當時的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)存性能再也無法滿足需要了, 內(nèi)存技術(shù)必須徹底得到個革新才能滿足新一代CPU 架構(gòu)的需求,此時內(nèi)存開始進入比較經(jīng)典的S D R A M 時代。隨著CPU 性能不斷提高,我們對內(nèi)存性能的要求也逐步升級。于是，內(nèi)存接連進入了DDR 時代、DDR2 時代、DDR3 時代。2.3 外圍設備的發(fā)

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