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  • 计算机发展

    千次阅读 2011-03-07 11:16:00
     现代计算机的诞生和发展 现代计算机问世之前,计算机发展经历了机械式计算机、机电式计算机和萌芽期的电子计算机三个阶段。 <br /> 早在17世纪,欧洲一批数学家就已开始设计和制造以数字形式进行...

      现代计算机的诞生和发展  现代计算机问世之前,计算机的发展经历了机械式计算机、机电式计算机和萌芽期的电子计算机三个阶段。

        早在17世纪,欧洲一批数学家就已开始设计和制造以数字形式进行基本运算的数字计算机。1642年,法国数学家帕斯卡采用与钟表类似的齿轮传动装置,制成了最早的十进制加法器。1678年,德国数学家莱布尼兹制成的计算机,进一步解决了十进制数的乘、除运算。

        英国数学家巴贝奇在1822年制作差分机模型时提出一个设想,每次完成一次算术运算将发展为自动完成某个特定的完整运算过程。1884年,巴贝奇设计了一种程序控制的通用分析机。这台分析机虽然已经描绘出有关程序控制方式计算机的雏型,但限于当时的技术条件而未能实现。

        巴贝奇的设想提出以后的一百多年期间,电磁学、电工学、电子学不断取得重大进展,在元件、器件方面接连发明了真空二极管和真空三极管;在系统技术方面,相继发明了无线电报、电视和雷达……。所有这些成就为现代计算机的发展准备了技术和物质条件。

        与此同时,数学、物理也相应地蓬勃发展。到了20世纪30年代,物理学的各个领域经历着定量化的阶段,描述各种物理过程的数学方程,其中有的用经典的分析方法已根难解决。于是,数值分析受到了重视,研究出各种数值积分,数值微分,以及微分方程数值解法,把计算过程归结为巨量的基本运算,从而奠定了现代计算机的数值算法基础。

        社会上对先进计算工具多方面迫切的需要,是促使现代计算机诞生的根本动力。20世纪以后,各个科学领域和技术部门的计算困难堆积如山,已经阻碍了学科的继续发展。特别是第二次世界大战爆发前后,军事科学技术对高速计算工具的需要尤为迫切。在此期间,德国、美国、英国部在进行计算机的开拓工作,几乎同时开始了机电式计算机和电子计算机的研究。

        德国的朱赛最先采用电气元件制造计算机。他在1941年制成的全自动继电器计算机Z-3,已具备浮点记数、二进制运算、数字存储地址的指令形式等现代计算机的特征。在美国,1940~1947年期间也相继制成了继电器计算机MARK-1、MARK-2、Model-1、Model-5等。不过,继电器的开关速度大约为百分之一秒,使计算机的运算速度受到很大限制。

        电子计算机的开拓过程,经历了从制作部件到整机从专用机到通用机、从“外加式程序”到“存储程序”的演变。1938年,美籍保加利亚学者阿塔纳索夫首先制成了电子计算机的运算部件。1943年,英国外交部通信处制成了“巨人”电子计算机。这是一种专用的密码分析机,在第二次世界大战中得到了应用。

        1946年2月美国宾夕法尼亚大学莫尔学院制成的大型电子数字积分计算机(ENIAC),最初也专门用于火炮弹道计算,后经多次改进而成为能进行各种科学计算的通用计算机。这台完全采用电子线路执行算术运算、逻辑运算和信息存储的计算机,运算速度比继电器计算机快1000倍。这就是人们常常提到的世界上第一台电子计算机。但是,这种计算机的程序仍然是外加式的,存储容量也太小,尚未完全具备现代计算机的主要特征。

        新的重大突破是由数学家冯·诺伊曼领导的设计小组完成的。1945年3月他们发表了一个全新的存储程序式通用电子计算机方案—电子离散变量自动计算机(EDVAC)。随后于1946年6月,冯·诺伊曼等人提出了更为完善的设计报告《电子计算机装置逻辑结构初探》。同年7~8月间,他们又在莫尔学院为美国和英国二十多个机构的专家讲授了专门课程《电子计算机设计的理论和技术》,推动了存储程序式计算机的设计与制造。

        1949年,英国剑桥大学数学实验室率先制成电子离散时序自动计算机(EDSAC);美国则于1950年制成了东部标准自动计算机(SFAC)等。至此,电子计算机发展的萌芽时期遂告结束,开始了现代计算机的发展时期。

        在创制数字计算机的同时,还研制了另一类重要的计算工具——模拟计算机。物理学家在总结自然规律时,常用数学方程描述某一过程;相反,解数学方程的过程,也有可能采用物理过程模拟方法,对数发明以后,1620年制成的计算尺,己把乘法、除法化为加法、减法进行计算。麦克斯韦巧妙地把积分(面积)的计算转变为长度的测量,于1855年制成了积分仪。

        19世纪数学物理的另一项重大成就——傅里叶分析,对模拟机的发展起到了直接的推动作用。19世纪后期和20世纪前期,相继制成了多种计算傅里叶系数的分析机和解微分方程的微分分析机等。但是当试图推广微分分析机解偏微分方程和用模拟机解决一般科学计算问题时,人们逐渐认识到模拟机在通用性和精确度等方面的局限性,并将主要精力转向了数字计算机。

        电子数字计算机问世以后,模拟计算机仍然继续有所发展,并且与数字计算机相结合而产生了混合式计算机。模拟机和混合机已发展成为现代计算机的特殊品种,即用在特定领域的高效信息处理工具或仿真工具。

        20世纪中期以来,计算机一直处于高速度发展时期,计算机由仅包含硬件发展到包含硬件、软件和固件三类子系统的计算机系统。计算机系统的性能—价格比,平均每10年提高两个数量级。计算机种类也一再分化,发展成微型计算机、小型计算机、通用计算机(包括巨型、大型和中型计算机),以及各种专用机(如各种控制计算机、模拟—数字混合计算机)等。

        计算机器件从电子管到晶体管,再从分立元件到集成电路以至微处理器,促使计算机的发展出现了三次飞跃。

        在电子管计算机时期(1946~1959),计算机主要用于科学计算。主存储器是决定计算机技术面貌的主要因素。当时,主存储器有水银延迟线存储器、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓和磁心存储器等类型,通常按此对计算机进行分类。

        到了晶体管计算机时期(1959~1964),主存储器均采用磁心存储器,磁鼓和磁盘开始用作主要的辅助存储器。不仅科学计算用计算机继续发展,而且中、小型计算机,特别是廉价的小型数据处理用计算机开始大量生产。

        1964年,在集成电路计算机发展的同时,计算机也进入了产品系列化的发展时期。半导体存储器逐步取代了磁心存储器的主存储器地位,磁盘成了不可缺少的辅助存储器,并且开始普遍采用虚拟存储技术。随着各种半导体只读存储器和可改写的只读存储器的迅速发展,以及微程序技术的发展和应用,计算机系统中开始出现固件子系统。

        20世纪70年代以后,计算机用集成电路的集成度迅速从中小规模发展到大规模、超大规模的水平,微处理器和微型计算机应运而生,各类计算机的性能迅速提高。随着字长4位、8位、16位、32位和64位的微型计算机相继问世和广泛应用,对小型计算机、通用计算机和专用计算机的需求量也相应增长了。

        微型计算机在社会上大量应用后,一座办公楼、一所学校、一个仓库常常拥有数十台以至数百台计算机。实现它们互连的局部网随即兴起,进一步推动了计算机应用系统从集中式系统向分布式系统的发展。

        在电子管计算机时期,一些计算机配置了汇编语言和子程序库,科学计算用的高级语言FORTRAN初露头角。在晶体管计算机阶段,事务处理的COBOL语言、科学计算机用的ALGOL语言,和符号处理用的LISP等高级语言开始进入实用阶段。操作系统初步成型,使计算机的使用方式由手工操作改变为自动作业管理。

        进入集成电路计算机发展时期以后,在计算机中形成了相当规模的软件子系统,高级语言种类进一步增加,操作系统日趋完善,具备批量处理、分时处理、实时处理等多种功能。数据库管理系统、通信处理程序、网络软件等也不断增添到软件子系统中。软件子系统的功能不断增强,明显地改变了计算机的使用属性,使用效率显著提高。

        在现代计算机中,外围设备的价值一般已超过计算机硬件子系统的一半以上,其技术水平在很大程度上决定着计算机的技术面貌。外围设备技术的综合性很强,既依赖于电子学、机械学、光学、磁学等多门学科知识的综合,又取决于精密机械工艺、电气和电子加工工艺以及计量的技术和工艺水平等。

        外围设备包括辅助存储器和输入输出设备两大类。辅助存储器包括磁盘、磁鼓、磁带、激光存储器、海量存储器和缩微存储器等;输入输出设备又分为输入、输出、转换、、模式信息处理设备和终端设备。在这些品种繁多的设备中,对计算机技术面貌影响最大的是磁盘、终端设备、模式信息处理设备和转换设备等。

        新一代计算机是把信息采集存储处理、通信和人工智能结合在一起的智能计算机系统。它不仅能进行一般信息处理,而且能面向知识处理,具有形式化推理、联想、学习和解释的能力,将能帮助人类开拓未知的领域和获得新的知识。

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  • 计算机发展历史

    万次阅读 多人点赞 2019-02-11 23:02:56
    计算机发展历史 电脑的发展历史  电脑的学名叫计算机,电脑是用来做计算的。在古时候,人们最早使用的计算工具可能是手指,英文单词“digit”既有“数字”的意思,又有“手指“的意思。古人用石头打猎,所以还有...

    计算机发展历史

    电脑的发展历史

          电脑的学名叫计算机,电脑是用来做计算的。在古时候,人们最早使用的计算工具可能是手指,英文单词“digit”既有“数字”的意思,又有“手指“的意思。古人用石头打猎,所以还有可能是石头来辅助计算。  缺点:手指和石头太低效了

          后来出现了”结绳 “记事。   缺点:结绳慢,绳子还有长度限制。

          又不知过了多久,许多国家的人开始使用”筹码“来计数,最有名的就要数咱们中国商周时期出现的算筹了。古代的算筹实际上是一根根同样长短和粗细的小棍子,大约二百七十几枚为一束; 多用竹子制成,也有用木头、兽骨、象牙、金属等材料制成的。数学家祖冲之计算圆周率时使用的工具就是算筹。   算筹的缺点:使用算筹计算太麻烦了,很不方便——计算时需要慢慢摆放。

          于是,人们发明了更好的计算工具——算盘,算盘最早可能在汉代萌芽,在南北朝时期定型,利用进位制计数。使用时需要配合一套口诀——好比计算机的软件。算盘本身还可以存储数字,使用时很方便。至今,算盘还在被使用。

     

          15世纪,随着天文和航海的发展,计算工作越来越繁重,计算工具急需改进。

         1630年,英国数学家奥特雷德在使用当时流行的对数刻度尺做乘法运算时,突然想到,如果用两根相互滑动的对数刻度尺,不久省去了用两脚规度量长度了么。他的这个想法导致了机械化计算的诞生,但奥特雷德对这件事情并没有在意,此后200年里,他的发明也就没有被实际应用。

         18世纪末,发明蒸汽机的瓦特成功制作了第一把计算尺,在尺座上增加了一个滑标,用来“存储”计算的中间结果,这种滑标很长时间一直被后人所沿用。

         1850年以后,计算尺迅速发展,成为工程师随身携带的”计算器“,一直到20世纪五六时年代,计算尺仍然是工科大学生的一种身份标志。

    第一台真正计算机的出现

          1623年,法国数学家帕斯卡出生,三岁丧母,后由担任税务官的父亲养大。在帕斯卡小时候,看到父亲费力的计算税率税款的时候,就想帮父亲做点事情。

          19岁时(1642年),帕斯卡发明了人类有史以来第一台机械计算机——帕斯卡加法器。它是一种系列齿轮组成的装置,外形像一个长方盒子,用儿童玩具那种钥匙旋紧发条后才能转动,只能够做加法和减法。然而,即使只做加法,也有个“逢十进一”的进位问题。聪明的帕斯卡采用了一种小爪子式的棘轮装置。当定位齿轮朝9转动时,棘爪便逐渐升高;一旦齿轮转到0,棘爪就“咔嚓”一声跌落下来,推动十位数的齿轮前进一档。

          1662年帕斯卡去世,不久后,在德国的大数学家莱布尼茨看到了帕斯卡关于加法计算机的论文,勾引起了他的发明欲。莱布尼茨早年经历坎坷,后来获得了一次去法国的机会,在巴黎的时候,他聘请了一些著名的机械专家和能工巧匠,终于在1674年制造出了一台更完美的机械计算机。

         莱布尼茨发明的新型计算机约有1米长,内部安装了一系列齿轮机构,除了体积较大之外,基本原理继承于帕斯卡。不过,莱布尼茨技高一筹,他为计算机增添了一种名叫“步进轮”的装置。步进轮是一个有9个齿的长圆柱体,9个齿依次分布于圆柱表面;旁边另有个小齿轮可以沿着轴向移动,以便逐次与步进轮啮合。每当小齿轮转动一圈,步进轮可根据它与小齿轮啮合的齿数,分别转动1/10、2/10圈……,直到9/10圈,这样一来,它就能够连续重复地做加法。

    连续重复的计算加减法

             连续重复的计算加法是现代计算机做乘除法采用的办法,莱布尼茨的计算机加减乘除四则运算一应俱全。

    在介绍莱布尼茨的时候还有一个小插曲。(传说大约在1700年左右的某天,莱布尼茨的朋友送给他一副中国的”易图“,其实就是八卦图,在看八卦图的时候,发现八卦的每一种卦象都有阴阳两种符号组成,这不就是有规律的二进制数字么,于是他就由此,率先系统提出了二进制的运算法则,直到今天,我们用到的计算机还是使用的二进制。)

     

          计算机发展到现在还是人去操作机器,还没有实现人与机器的对话,或者会所是把人类的思想告诉机器,让机器按照人的想法去自动执行。说到实现人机对话,就要说一下另外一个行业——纺织业。

          提花编织机是具有升降纱线的提花装置,是一种能使绸布编织出图案花纹的织布机器。

    最开始编织机编织图案相当费事。所有的绸布都是用经线(纵向线)和纬线(横向线)编织而成。若要织出花样,织工们必须细心地按照预先设计的图案,在适当位置“提”起一部分经线,以便让滑梭牵引着不同颜色的纬线通过。机器当然不可能自己“想”到该在何处提线,只能靠人手“提”起一根又一根经线,不厌其烦地重复这种操作。

         1725 年:法国纺织机械师布乔发明了“穿孔纸带”的构想。布乔想出了一个“穿孔纸带”的绝妙主意。布乔首先设法用一排编织针控制所有的经线运动,然后取来一卷纸带,根据图案打出一排排小孔,并把它压在编织针上。启动机器后,正对着小孔的编织针能穿过去钩起经线,其它则被纸带挡住不动。于是,编织针自动按照预先设计的图案去挑选经线,布乔的“思想”“传递”给了编织机,编织图案的“程序”也就“储存”在穿孔纸带的小孔中。

         1790年 的时候法国机械师杰卡德,基本形成了改进提花机的构想,由于当时正是法国大革命时期,杰卡德为了参加革命,无暇顾及发明创造,直到1805年才真正完成”自动提花编织机“的制作。杰卡德为他的提花机增加了一种装置,能够同时操纵 1200 个编织针,控制图案的穿孔纸带后来换成了穿孔卡片。

         在后来电子计算机开始发展的最初几年中,在多款著名计算机中我们均能找到自动提花机的身影。

         18世纪末,法兰西发起了一项宏大的工程——人工编制《数学用表》,由于当时没有先进的计算工具,导致这项工作极其艰巨。发足数学界调集和大批的数学家,组成人工计算的流水线,算的昏天暗地才完成了17卷大部分的书稿,即便如此,计算出的《数学用表》仍有大量错误。

          巴贝奇在他的自传《一个哲学家的生命历程》里写到,大约在1812年的,“有一天晚上,我坐在剑桥大学的分析学会办公室里,神志恍惚地低头看着面前打开的一张对数 表。一位会员走进屋来,瞧见我的样子,忙喊道:‘喂!你梦见什么啦?’我指着对数表回答说:‘我正在考虑这些表 也许能用机器来计算!’”

          巴贝奇的第一个目标是制作一台”差分机“,

          所谓“差分”的含义,是把函数表的复杂算式转化为差分运算,用简单的加法代替平方运算。那一年,刚满20岁的巴贝奇从法国人杰卡德发明的提花编织机上获得了灵感,差分机设计闪烁出了程序控制的灵光──它能够按照设计者的旨意,自动处理不同函数的计算过程。巴贝奇耗费了整整十年光阴,于1822年完成了第一台差分机,它可以处理3个不同的5位数,计算精度达到6位小数,当即就演算出好几种函数表。由于当时工业技术水平极低,第一台差分机从设计绘图到机械零件加工,都是巴贝奇亲自动手完成。当他看着自己的机器制作出准确无误的《数学用表》,高兴地对人讲:“哪怕我的机器出了故障,比如齿轮被卡住不能动,那也毫无关系。你看,每个轮子上都有数字标记,它不会欺骗任何人。”以后实际运用证明,这种机器非常适合于编制航海和天文方面的数学用表。

          成功后,巴贝奇连夜上书皇家学会,要求政府资助他建造第二台运算精度为20位的大型差分机。政府看到巴贝奇的研究有利可图,破天荒地与科学家签订了第一个合同。

    然而,第二台差分机在机械制造工厂里触上了“暗礁”。第二台差分机大约有25000个零件,主要零件的误差不得超过每英寸千分之一,即使用现在的加工设备和技术,要想造出这种高精度的机械也绝非易事。

          由于进度缓慢,到1842年的时候,政府宣布停止对巴贝奇的一切资助,连科学界的有人都用一种怪异的目光看他。

    然而在这个时候,巴贝奇收到了一封信,写信人不仅对他表示理解而且还希望与他共同工作。娟秀字体的签名表明了她不凡的身份——伯爵夫人。收到信函不久后,写信的女士来到了巴贝奇的实验室,巴贝奇感觉与这位女士似曾相识,却有想不起在哪里见过。直到这位女士说”您还记得我吗?十多年前,您还给我讲过差分机原理。”看到巴贝奇迷惑的眼神,她又笑着补充说:“您说我像野人见到了望远镜。”巴贝奇恍然大悟,想起已经十分遥远的往事。 原来这位女士是大名鼎鼎的英国诗人拜伦之独生女——阿达·奥古斯塔。

          在大型差分机进军受挫的1834年,巴贝奇提出了一个更新更大胆的设计——通用的数学计算机。巴贝奇称它为“分析机”,它能够自动解算100个变量的复杂算题,每个数字可以达25位,速度每秒1次。

          巴贝奇首先为分析机构思了一种齿轮式的“存贮库”,每一齿轮可贮存10个数,总共能够储存1000个50位数。分析机的第二个部件是所谓“运算室”,其基本原理与帕斯卡的转轮相似,但他改进了进位装置,使得50位数加50位数的运算可完成于一次转轮之中。此外,巴贝奇也构思了送入和取出数据的机构、以及在“存储库”和“运算室”之间运输数据的部件。他甚至还考虑到如何使这台机器处理依条件转移的动作。一个多世纪过去后,现代电脑的结构几乎就是巴贝奇分析机的翻版,只不过它的主要部件被换成了大规模集成电路而已。仅此一说,巴贝奇就当之无愧于计算机系统设计的“开山鼻祖”。

          阿达非常准确地评价道:“分析机'编织’的代数模式同杰卡德织布机编织的花叶完全一样”。于是,为分析机编制一批函数计算程序的重担,落她的肩头。阿达开天辟地第一回为计算机编出了程序,其中包括计算三角函数的程序、级数相乘程序、伯努利函数程序等等。阿达编制的这些程序,即使到了今天,电脑软件界的后辈仍然不敢轻易改动一条指令。人们公认她是世界上第一位软件工程师。众所周知,美国国防部据说是花了250亿美元和10年的光阴,把它所需要软件的全部功能混合在一种计算机语言中,希望它能成为军方数千种电脑的标准。1981年,这种语言被正式命名为ADA语言,使阿达的英名流传至今。当然这些都是后话了。

          在当时,两人为把分析机的图纸变成现实,耗尽了全部财产,搞得一贫如洗,在此期间,两人为筹措研究经费,两人还商量“下海创收”,比如制作国际象棋玩具、赛马游戏机等等。但这并没有带来什么改变,为此,阿达还两次把丈夫家中的祖传珍宝拿去当铺换钱,不过后来又被阿达的母亲赎了回来。在经历了贫困交加和无休止的脑力劳动,阿达的身体状况急剧恶化,1852年,年仅36岁的阿达怀着对分析机美好的梦想去世了。

          阿达去世后,巴贝奇又默默的独自坚持了20年,晚年的他已经不能准确发音 和有条理的表达自己的意思,但仍坚持工作。1871年巴贝奇去世。最终分析机没有被制造出来。巴贝奇和阿达设想的分析机超出了他们所处时代至少一个世纪。

          1890年,德国侨民霍列瑞斯博士在美国做人口普查(上一次人口普查人工花了7年),人口普查需要做大量工作,如年龄、性别等用调查表做采集的项目,还要计算每个社区有多少老人、小孩,男人、女人等。霍列瑞斯博士就想用机器自动统计这些数据。几年后

    他根据巴贝奇的发明和杰卡德的穿孔纸带设计了机器。结果花了6周就得出了准确的数据。

    杰卡德和霍列瑞斯分别用开创了程序设计和数据处理之先河。以历史的目光审视他们的发明,正是这种程序设计和数据处理,构成了电脑“软件”的雏形。

          1896年霍列瑞斯博士创办了IBM公司的前身。

     到了现在,制造出来的计算机都是机械的,机械计算机向电子计算机发展的过渡时期发生的主要事件。

          1906年,美国的德福雷斯特发明了电子管,为计算机的发展奠定了基础。

          1907年,德福雷斯特向美国专利局申报了真空三极管(电子管)的发明专利。真空三极管可分别处于“饱和”与“截止”状态。“饱和”即从阴极到屏极的电流完全导通,相当于开关开启;“截止”即从阴极到屏极没有电流流过,相当于开关关闭。其控制速度要比艾肯的继电器快成千上万倍。

     

     

         1924年,IBM——一个有划时代意义的公司成立了。

         1936年,美国青年霍德华·艾肯去哈佛共度物理学博士学位,由于博士论文设计设计空间电荷传导理论,需要计算非常复杂的非线性微分方程。艾肯想发明一种机器代替人工计算,幻想有一台计算机帮他解决数学难题。三年后,艾肯在图书馆里发现了巴贝奇和阿达的论文。 博士毕业后,艾肯进入了美国海军军械局做了一名小小的海军中尉。为了实现计算机的梦想,他想到了IBM。正好艾肯的一位老师正在IBM出资创办的“哥伦比亚大学统计局”里任职,艾肯从这位老师这里听说了IBM董事长沃森的大名。这位老师为艾肯写了一封推荐信。艾肯拿到推荐信后,准备好了一份可行性报告,就去找沃森。沃森听完了艾肯的话以后,直接给艾肯划了100W美元。有了钱,艾肯开始了“MARK I”(马克1号)的研发。马克1号借助电流进行运算,最关键的部件采用继电器组成,马克1号上安装了大约3000个继电器。继电器接通电路表示“1”,继电器断开则表示“0”。继电器能在大约1/100秒内接通或断开电路。为马克1号编制计算程序的也是一位女数学家格雷斯·霍波(G.Hopper)。有一天,她在调试程序时出现了故障,拆开继电器后,发现有只飞蛾被夹扁在触点中间,从而“卡”住了机器的运行。于是,霍波恢谐地把程序故障统称为“臭虫”(bug,现在表示电脑系统或程序中的一些缺陷或问题)

        1944年2月,马克1号计算机在哈佛大学正式运行。从外表看,它的外壳用钢和玻璃制成,长约15米,高约2.4米,自重达到31.5吨,他可以每分钟进行200次以上的运算。可以作23位数加23位数的加法,一次仅需要0.3秒;而进行同样位数的乘法,则需要6秒多的时间。

    马克1号被称为最后一台“史前”计算机——机械/电动方式。

           时间向前一年,也就是1943年,此时正是二战时期,美国为了实验新式火炮,需要计算火炮的弹道表。需要进行大量计算。一张弹道表需要计算近4000条弹道,每条弹道需要计算750此乘法和更多的加减法,工作量巨大。 你可以想象这样一个场景:一发炮弹大出去,100多人用一种手摇计算机算个不停,还经常出错,费力不讨好。当时任职宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫希利(John Mauchly)于 1942年提出了试制第一台电子计算机的初始设想——“高速电子管计算装置的使用”,期望用电子管代替继电器以提高机器的计算速度。

    美国军方得知这一设想后,拨款成立了一个以莫希利、埃克特(John Eckert)为首的研制小组。终于在1946年2月14日,世界上第二台电子计算机,世界上第一台通用计算机 (多个行业都可以使用)埃历阿克”(ENIAC,译成中文是“电子数字积分和计算机”)诞生于美国宾夕法尼亚大学。

         ENIAC长30.48米,宽6米,高2.4米,占地面积约170平方米,30个操作台,重达30英吨,耗电量150千瓦,造价48万美元。它包含了17,468根真空管(电子管)7,200根晶体二极管,1,500 个中转,70,000个电阻器,10,000个电容器,1500个继电器,6000多个开关。
    每秒能进行5000次加法运算(据测算,人最快的运算速度每秒仅 5次加法运算),每秒400次乘法运算,是使用继电器运转的机电式计算机的1000倍、手工计算的20万倍。。它还能进行平方和立方运算,计算正弦和余弦等三角函数的值及其它一些更复杂的运算。
    以我们的眼光来看,这当然很微不足道。但这在当时可是很了不起的成就!原来需要20多分钟时间才能计算出来的一条弹道,现在只要短短的30秒!

          第一台电子计算机:

          阿塔纳索夫-贝瑞计算机(Atanasoff–Berry Computer,通常简称ABC计算机)在1937年设计,不可编程,仅仅设计用于求解线性方程组,并在1942年成功进行了测试。然而,这台计算机用纸卡片读写器实现的中间结果存储机制是不可靠的。而且,在发明者约翰·文森特·阿塔纳索夫因为二战任务而离开爱荷华州立大学之后,这台计算机的工作就没有继续进行下去[2]。ABC计算机开创了现代计算机的重要元素,包括二进制算术和电子开关[3]。但是因为缺乏通用性、可变性与存储程序的机制,将其与现代计算机区分开来。这台计算机在1990年被认定为IEEE里程碑之一。

    阿塔纳索夫和克利福德·贝瑞的计算机工作直到1960年才被发现和广为人知,并且陷入了谁才是第一台计算机的冲突中。那时候,ENIAC普遍被认为是第一台现代意义上的计算机,但是在1973年,美国联邦地方法院注销了ENIAC的专利,并得出结论:ENIAC的发明者从阿塔纳索夫那里继承了电子数字计算机的主要构件思想。因此,ABC被认定为世界上第一台计算机。

          埃历阿克虽然威力强大,但是它毕竟还很不完善,比如存在着耗电多、费用高的缺点。它的耗电量超过174千瓦,据说那些年,只要埃历阿克一开动,整个费城城市的所有灯光顿时黯然失色。那些个电子管发光又发热,平均每隔7分钟要损坏一只。虽然当初只花了军械部40万元的研制费用,可谁能料到,维护它的费用后来竟超过200万之巨!埃历阿克最致命的缺点是程序与计算两分离。指挥埃历阿克2万只电子管工作的程序指令,被存放在机器的外部电路里。需要计算某个题目前,埃克特必须分派几十员精兵强将,把数百条线路用手接通,像一群电话接线员那样手忙脚乱地忙活好几天,才能进行几分钟运算。 

          这时,冯·诺依曼用高超的理论和技术方法,一举攻克了巨大的难关。 
      在埃历阿克尚未投入运行前,冯·诺依曼就已开始着手起草一份新的设计报告,要对这台电子计算机进行脱胎换骨的改造。他把新机器的方案命名为“离散变量自动电子计算机”,英文缩写译音是“埃德瓦克”(EDVAC)。1945年6月,冯·诺依曼与戈德斯坦、勃克斯等人,为埃德瓦克方案联名发表了一篇长达101页纸洋洋万言的报告,即计算机史上著名的“101页报告”。这份报告奠定了现代电脑体系结构坚实的根基,直到今天,仍然被认为是现代电脑科学发展里程碑式的文献。报告明确规定出计算机的五大部件(输入系统、输出系统、存储器、运算器、控制器),并用二进制替代十进制运算,大大方便了机器的电路设计。埃德瓦克方案的革命意义在于“存储程序”──程序也被当作数据存进了机器内部,以便电脑能自动依次执行指令,再也不必去接通什么线路。 
      人们后来把根据这一方案思想设计的机器统称为“诺依曼机”。自冯·诺依曼设计的埃德瓦克始,直到今天我们用“奔腾”芯片制作的多媒体计算机为止,电脑一代又一代的“传人”,大大小小千千万万台计算机,都没能够跳出诺依曼机的掌心。在这个意义上,冯·诺依曼是当之无愧的“电脑之父”。

          第一代电子管计算机(1946~1958):
          特点: 操作指令是为特定任务而编制的,每种机器有各自不同的机器语言,功能受到限制,速度也慢。另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据。

          第二代晶体管计算机 (1956-1963):
          特点: 晶体管代替了体积庞大电子管,使用磁芯存储器。体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。还有现代计算机的一些部件:打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。在这一时期出现了更高级的COBOL和FORTRAN等编程语言,使计算机编程更容易。新的职业(程序员、分析员和计算机系统专家)和整个软件产业由此诞生。

         第三代集成电路计算机 (1964-1971):
         以中小规模集成电路,来构成计算机的主要功能部件。主存储器采用半导体存储器。运算速度可达每秒几十万次至几百万次基本运算。在软件方面,操作系统日趋完善。

         第四代大规模集成电路计算机 (1971-至今):
         从1970年以后采用大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)为主要电子器件制成的计算机,重要分支是以大规模、超大规模集成电路为基础发展起来的微处理器和微型计算机。

    发展阶段

    逻辑元件

    主存储器

    运算速度(每秒)

    软件

    应用

    第一代(1946-1958)

    电子管

    电子射线管

    几千次到几万次

    机器语言、汇编语言

    军事研究、科学计算

    第二代(1958-1964)

    晶体管

    磁芯

    几十万次

    监控程序、高级语言

    数据处理、事务处理

    第三代(1964-1971)

    中小规模集成电路

    半导体

    几十万次到几百万次

    操作系统、编辑系统、应用程序

    有较大发展开始广泛应用

    第四代(1971-至今)

    大规模超大规模集成电路

    集成度更高的半导体

    上千万次到上亿次

    操作系统完善、数据库系统、

    高级语言发展、应用程序发展

    渗入社会各级领域

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  • 计算机发展

    千次阅读 2018-05-31 09:15:01
    计算机发展史早期 1854年-1890年 1890年-20世纪早期 20世纪中期 20世纪晚期-现在 计算机发展史 现代电子计算机技术的飞速发展,离不开人类科技知识的积累,离不开许许多多热衷于此并呕心沥血的科学家门的探索,...

    计算机发展史早期 1854年-1890年 1890年-20世纪早期 20世纪中期 20世纪晚期-现在

    计算机发展史 现代电子计算机技术的飞速发展,离不开人类科技知识的积累,离不开许许多多热衷于此并呕心沥血的科学家门的探索,正是这一代代的积累才构筑了今天的“信息大厦”。下面这个按时间顺序展现的计算机发展简史,虽然不是很详细的描述这一辉煌历程,但我们同样可以从中感受到科技发展的艰辛及科学技术的巨大推动力。

    一、机械计算机时代的拓荒者

    在西欧,由中世纪进入文艺复兴时期的社会大变革,大大促进了自然科学技术的发展,人们长期被神权压抑的创造力得到空前释放。其中制造一台能帮助人进行计算的机器,就是最耀眼的思想火花之一。从那时起,一个又一个科学家为把这一思想火花变成引导人类进入自由王国的火炬而不懈努力。但限于当时的科技总体水平,大都失败了,这就是拓荒者的共同命运:往往见不到丰硕的果实。后人在享用这甜美的时候,应该能从中品出一些汗水与泪水的滋味……

    1614: 苏格兰人John Napier (1550-1617)发表了一篇论文,其中提到他发明了一种可以计算四则运算和方根运算的精巧装置。

    1623: Wilhelm Schickard (1592-1635)制作了一个能进行六位以内数加减法,并能通过铃声输出答案的"计算钟"。通过转动齿轮来进行操作。

    1625: William Oughtred (1575-1660) 发明计算尺

    1642: 法国数学家Pascal 在WILLIAM Oughtred计算尺的基础上将计算尺加以改进,能进行八位计算。并且还卖出了许多,成为一种时髦的商品。在此插入〈PASCAL像〉

    1668: 英国人Samuel Morl和 (1625-1695)制作了一个非十进制的加法装置,适宜计算钱币。

    1671: 德国数学家Gottfried Leibniz设计了一架可以进行乘法,最终答案可以最大达到16位。

    1775: 英国Charles制作成功了一台与 Leibniz's 的计算机类似的机器。但更先进一些。

    1776: 德国人Mathieus Hahn成功的制作了一台乘法器。

    1801: Joseph-Maire Jacuard 开发了一台能用穿孔卡片控制的自动织布机。

    1820: 法国人Charles Xavier Thomas de Colmar (1785-1870),制作成功第一台成品计算机,非常的可靠,可以放在桌面上,在后来的90多年间一直在市场上出售。

    1822: 英国人Charles Babbage (1792-1871)设计了差分机和分析机,其中设计的理论非常的超前,类似于百年后的电子计算机,特别是利用卡片输入程序和数据的设计被后人所采用。

    1832: Babbage 和Joseph Clement 制成了一个差分机的成品,开始可以进行6位数的运算。后来发展到20位、30位,尺寸将近一个房子那么大。结果以穿孔的形式输出。但限于当时的制造技术,他们的设计难以制成。

    1834: 斯德哥尔摩的George Scheutz用木头做了一台差分机。

    1834: Babbage 设想制造一台通用的分析机,在只读存储器(穿孔卡片)中存储程序和数据,Babbage在以后的时间继续他的研究工作,并于1840年将操作数提高到了40位,并基本实现了控制中心(CPU)和存储程序的设想,而且程序可以根据条件进行跳转,能在几秒内作出一般的加法,几分钟内作出乘除法。

    1842: Babbage的差分机项目因为研制费用昂贵,被政府取消。但他自己仍花费大量的时间和精力于他的分析机研究。

    1843: Scheutz 和他的儿子Edvard Scheutz 制造了一台差分机,瑞典政府同意继续支持他们的研究工作。

    1847: Babbage 花两年时间设计了一台较简易的、31位的差分机,但没有人感兴趣并支持他造出这台机器。但后来伦敦科学博物馆用现代技术复制出这台机器后发现,它确实能准确的工作。

    1848: 英国数学家George Boole创立二进制代数学。提前差不多一个世纪为现代二进制计算机铺平了道路。

    1853: 令Babbage感到高兴的是,Scheutzes制造成功了真正意义上的比例差分机,能进行15位数的运算。象Babbage所设想的那样输出结果。后来伦敦的Brian Donkin又造出了更可靠的第二台。

    1858: 第一台制表机被Albany的Dudley天文台买走。第二台被英国政府买走。但天文台并没有将其充分利用,后来被送进了博物馆。而第二台却被幸运的使用了很长时间。

    1871: Babbage 制造了分析机的部分部件和印表机。

    1878: 纽约的西班牙人Ramon Verea,制造成功桌面计算器。比前面提到的都要快。但他对将其推向市场不感兴趣,只是想表明,西班牙人可以比美国人做的更好。

    1879: 一个调查委员会开始研究分析机是否可行,最后他们的结论是:分析机根本不可能工作。此时Babbage 已经去世了。调查之后,人们将他的分析机彻底遗忘了。但Howard Aiken 例外。

    1885: 这时期更多的计算机涌现出来。如美国、俄国、瑞典等。他们开始用有槽的圆柱代替易出故障的齿轮。

    1886: 芝加哥的Dorr E. Felt (1862-1930), 制造成了他的计算机。这是第一台用按键操作的计算器,而且速度非常快,按键抬起,结果也就出来了。

    1889: Felt推出桌面印表计算器。

    1890: 1890美国人口普查。1880年的普查人工用了7年的时间进行统计。这意味着1890年的统计将会超过10年。美国人口普查部门希望能得到一台机器帮助提高普查的效率。Herman Hollerith,建立制表机公司的那个人,后来他的公司发展成了IBM公司。借鉴了Babbage的发明,用穿孔卡片存储数据,并设计了机器。结果仅仅用了6个周就得出了准确的数据(62622250人)。Herman Hollerith大发其财。

    1892: 圣多美和普林西比的William S. Burroughs (1857-1898),制作成功了一台比Felt的功能更强的机器,真正开创了办公自动化工业。

    1896: Herman Hollerith创办了IBM公司的前身。

    1906: Henry Babbage, Charles Babbage 的儿子,在R. W. Munro的支持下,完成了父亲设计的分析机,但也仅能证明它能工作,而没有将其作为产品推出。

    二、电子计算机最初的日子里

    在这之前的计算机,都是基于机械运行方式,尽管有个别产品开始引入一些电学内容,却都是从属与机械的,还没有进入计算机的灵活:逻辑运算领域。而在这之后,随着电子技术的飞速发展,计算机就开始了由机械向电子时代的过渡,电子越来越成为计算机的主体,机械越来越成为从属,二者的地位发生了变化,计算机也开始了质的转变。下面就是这一过渡时期的主要事件:

    1906: 美国的Lee De Forest发明了电子管。在这之前造出数字电子计算机是不可能的。这为电子计算机的发展奠定了基础。

    1910 1920 1924年2月:IBM,一个具有划时代意义的公司成立。

    1930 1935: IBM推出IBM 601机。 这是一台能在一秒钟算出乘法的穿孔卡片计算机。这台机器无论在自然科学还是在商业意义上都具有重要的地位。大约造了1500台。

    1937: 英国剑桥大学的Alan M. Turing (1912-1954)出版了他的论文 ,并提出了被后人称之为"图灵机"的数学模型。

    1937: BELL试验室的George Stibitz展示了用继电器表示二进制的装置。尽管仅仅是个展示品,但却是第一台二进制电子计算机。

    1938: Claude E. Shannon 发表了用继电器进行逻辑表示的论文。

    1938: 柏林的Konrad Zuse 和他的助手们完成了一个机械可编程二进制形式的计算机,其理论基础是Boolean代数。后来命名为Z1。它的功能比较强大,用类似电影胶片的东西作为存储介质。可以运算七位指数和16位小数。可以用一个键盘输入数字,用灯泡显示结果。

    1939 1月1日: 加利福尼亚的David Hewlet和William Packard 在他们的车库里造出了Hewlett-Packard计算机。名字是两人用投硬币的方式决定的。包括两人名字的一部分。

    1939年11月: 美国John V. Atanasoff和他的学生Clifford Berry 完成了一台16位的加法器,这是第一台真空管计算机。

    1939: 二次世界大战的开始,军事需要大大促进了计算机技术的发展。

    1939: Zuse和Schreyer 开始在他们的Z1计算机的基础上发展Z2计算机。并用继电器改进它的存储和计算单元。但这个项目因为Zuse服兵役被中断了一年。

    1939/1940: Schreyer利用真空管完成了一个10位的加法器,并使用了氖灯做存储装置。

    1940 1940年1月: Bell实验室的Samuel Williams和Stibitz制造成功了一个能进行复杂运算的计算机。大量使用了继电器,并借鉴了一些电话技术, 采用了先进的编码技术。

    1941夏季: Atanasoff和学生Berry完成了能解线性代数方程的计算机,取名叫"ABC"(Atanasoff-Berry Computer),用电容作存储器,用穿孔卡片作辅助存储器,那些孔实际上是"烧"上的。 时钟频率是60HZ,完成一次加法运算用时一秒。

    1941年12月: 德国Zuse制作完成了Z3计算机的研制。这是第一台可编程的电子计算机。可处理7位指数、14位小数。使用了大量的真空管。每秒种能作3到4次加法运算。一次乘法需要3到5秒。

    1943年到1959年时期的计算机通常被称作第一代计算机。使用真空管,所有的程序都是用机器码编写,使用穿孔卡片。典型的机器就是: UNIVAC。

    1943年1月: Mark I,自动顺序控制计算机在美国研制成功。整个机器有51英尺长,重5吨,75万个零部件,使用了3304个继电器,60个开关作为机械只读存储器。程序存储在纸带上,数据可以来自纸带或卡片阅读器。被用来为美国海军计算弹道火力表。

    1943年4月: Max Newman、Wynn-Williams和他们的研究小组研制成功"Heath Robinson",这是一台密码破译机,严格说不是一台计算机。但是其使用了一些逻辑部件和真空管,其光学装置每秒钟能读入2000个字符。同样具有划时代的意义。

    1943年9月 : Williams和Stibitz完成了"Relay Interpolator",后来命名为"Model II Relay Calculator"。这是一台可编程计算机。同样使用纸带输入程序和数据。其运行更可靠,每个数用7个继电器表示,可进行浮点运算。

    1943年12月: 最早的可编程计算机在英国推出,包括2400个真空管,目的是为了破译德国的密码,每秒能翻译大约5000个字符 ,但使用完后不久就遭到了毁坏。据说是因为在翻译俄语的时候出现了错误。

    1946: ENIAC (Electronic Numerical Integrator 和 Computer): 第一台真正意义上的数字电子计算机。开始研制于1943年,完成于1946年。负责人是John W. Mauchly和J. Presper Eckert。重30吨,18000个电子管,功率25千瓦。主要用于计算弹道和氢弹的研制。

    三、晶体管计算机的发展真空管时代的计算机尽管已经步入了现代计算机的范畴,但其体积之大、能耗之高、故障之多、价格之贵大大制约了它的普及应用。直到晶体管被发明出来,电子计算机才找到了腾飞的起点,一发而不可收……

    1947: Bell实验室的William B. Shockley、 John Bardeen和Walter H. Brattain.发明了晶体管,开辟了电子时代新纪元。

    1949: EDSAC:剑桥大学的Wilkes和他的小组建成了一台存储程序的计算机。输入输出设备仍是纸带。

    1949: EDVAC (electronic discrete variable computer):第一台使用磁带的计算机。这是一个突破,可以多次在其上存储程序。这台机器是John von Neumann提议建造的。

    1949: "未来的计算机不会超过1.5吨。"这是当时科学杂志的大胆预测。

    1950 1950: 软磁盘由东京帝国大学的Yoshiro Nakamats发明。其销售权由IBM公司获得。开创存储时代新纪元。

    1950: 英国数学家和计算机先驱Alan Turing说:计算机将会具有人的智慧,如果一个人和一台机器对话,对于提出和回答的问题,这个人不能区别到底对话的是机器还是人,那么这台机器就具有了人的智能。在此插入〈阿兰图灵像〉

    1951: Grace Murray Hopper完成了高级语言编译器。

    1951: Whirlwind:美国空军的第一个计算机控制实时防御系统研制完成。

    1951: UNIVAC-1:第一台商用计算机系统。设计者:J. Presper Eckert 和John Mauchly。被美国人口普查部门用于人口普查,标志着计算机的应用进入了一个新的、商业应用的时代。

    1952: EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer):由Von Neumann领导设计并完成。 取名:电子离散变量计算机。

    1953: 此时世界上大约有100台计算机在运转。

    1953: 磁芯存储器被开发出来。

    1954: IBM的John Backus和他的研究小组开始开发 FORTRAN (FORmula TRANslation),

    1957年完成。是一种适合科学研究使用的计算机高级语言。

    1956: 第一次有关人工智能的会议在Dartmouth 学院召开。

    1957: IBM开发成功第一台点阵打印机。

    1957: FORTRAN 高级语言开发成功。

    四、集成电路,现代计算机插上腾飞的翅膀

    尽管晶体管的采用大大缩小了计算机的体积、降低了其价格,减少了故障。但离人们的要求仍差很远,而且各行业对计算机也产生了较大的需求,生产更能更强、更轻便、更便宜的机器成了当务之急,而集成电路的发明正如“及时雨”,当春乃发生。其高度的集成性,不仅仅使体积得以减小,更使速度加快,故障减少。人们开始制造革命性的微处理器。计算机技术经过多年的积累,终于驶上了用硅铺就的高速公路。

    1958年9月12日: 在Robert Noyce(INTEL公司的创始人)的领导下,发明了集成电路。不久又推出了微处理器。但因为在发明微处理器时借鉴了日本公司的技术,所以日本对其专利不承认,因为日本没有得到应有的利益。过了30年,日本才承认,这样日本公司可以从中得到一部分利润了。但到2001年,这个专利也就失效了。

    1959: 1959年到1964年间设计的计算机一般被称为第二代计算机。大量采用了晶体管和印刷电路。计算机体积不断缩小,功能不断增强,可以运行FORTRAN和COBOL ,接收英文字符命令。出现大量应用软件。

    1959: Grace Murray Hopper开始开发COBOL (COmmon Business-Orientated Language)语言,完成于1961年。

    1960 1960: ALGOL:第一个结构化程序设计语言推出。

    1961: IBM的Kennth Iverson推出APL编程语言。

    1963: PDP-8:DEC公司推出第一台小型计算机。

    1964: 1964年到1972年的计算机一般被称为第三代计算机。大量使用集成电路,典型的机型是IBM360系列。

    1964: IBM发布PL/1编程语言。

    1964: 发布IBM 360首套系列兼容机。

    1964: DEC发布PDB-8 小型计算机。

    1965: 摩尔定律发表,处理器的性能每年提高一倍。后来其内容又发生了改变。

    1965: Lofti Zadeh创立模糊逻辑,用来处理近似值问题。

    1965: Thomas E. Kurtz和John Kemeny完成BASIC(Beginners All Purpose Symbolic Instruction Code)语言的开发。特别适合计算机教育和初学者使用,得到了广泛的推广。

    1965: Douglas Englebart 提出鼠标器的设想,但没有进一步的研究。直到1983年被苹果电脑公司大量采用。

    1965: 第一台超级计算机CD6600开发成功。

    1967: Niklaus Wirth开始开发PASCAL语言,1971年完成。

    1968: Robert Noyce和他的几个朋友创办了INTEL公司。

    1968: Seymour Paper和他的研究小组在MIT开发了LOGO语言。

    1969: ARPANET计划开始启动,这是现代INTERNET的雏形。

    1969 年4月7日: 第一个网络协议标准RFC推出。

    1969: EIA (Electronic Industries Associa

    1970 1970: 第一块RAM芯片由INTEL推出,容量1K。

    1970: Ken Thomson和Dennis Ritchie开始开发UNIX操作系统。

    1970: Forth编程语言开发完成。

    1970: Internet的雏形ARPAnet (Advanced Research Projects Agency network) 基本完成。开始向非军用部门开放,许多大学和商业部门开始接入。

    1971年11月15日: Marcian E. Hoff在INTEL公司开发成功第一块微处理器4004,含2300个晶体管,是个4位系统,时钟频108KHz ,每秒执行6万条指令。

    在后来的日子里,处理器发展主要指标一览。处理器 主频 每秒百万条指令 4004 108 KHz 0.06 8080 2MHz 0.5 68000 8MHz 0.7 8086 8MHz 0.8 68000 16 MHz 1.3 68020 16 MHz 2.6 80286 12MHz 2.7 68030 16MHz 3.9 386 SX 20 MHz 6 68030 25 MHz 6.3 68030 40MHz 10 386 DX 33MHz 10 486 DX 25MHz 20 486 DX2-50 50MHz 35 486 DX4/100 100MHz 60 Pentium 66MHz 100 Pentium 133MHz 240 Pentium 233MHz MMX 435 Pentium Pro 200 MHz 440 Pentium II 233MHz 560 Pentium II 333MHz 770

    1971: PASCAL语言开发完成。

    1972: 1972年以后的计算机习惯上被称为第四代计算机。基于大规模集成电路,及后来的超大规模集成电路。计算机功能更强,体积更小。人们开始怀疑计算机能否继续缩小,特别是发热量问题能否解决?人们开始探讨第五代计算机的开发。

    1972: C语言的开发完成。其主要设计者是UNIX系统的开发者之一 Dennis Ritche。这是一个非常强大的语言,开发系统软件,特别受人喜爱。

    1972: Hewlett-Packard发明了第一个手持计算器。

    1972年4月1日: INTEL推出8008微处理器。

    1972: ARPANET开始走向世界,INTERNET革命拉开序幕。

    1973: 街机游戏Pong发布,得到广泛的欢迎。发明者Nolan Bushnell ,后来Atari 的创立者。

    1974: 第一个具有并行计算机体系结构的CLIP-4推出。

    五、计算机技术渐入辉煌在这之前,计算机技术主要集中在大型机和小型机领域发展,但随着超大规模集成电路和微处理器技术的进步,计算机进入寻常百姓家的技术障碍已层层突破。特别是从INTEL发布其面向个人机的微处理器8080之后,这一浪潮便汹涌澎湃起来,同时也涌现了一大批信息时代的弄潮儿,如乔布斯、比尔.盖茨等,至今他们对计算机产业的发展还起着举足轻重的作用。在此时段,互联网技术、多媒体技术也得到了空前的发展,计算机真正开始改变人们的生活。

    1974 4月1日: INTEL发布其8位的微处理器芯片8080。

    1974年12月: MITS发布Altair 8800,第一台商用个人计算机,价值397美元,内存有256个字节。

    1975: Bill Gates和Paul Allen完成了第一个在MITS 的Altair计算机上运行的BASIC程序。

    1975: IBM公司介绍了他的激光打印机技术。1988年向市场推出其彩色激光打印机。

    1975: Bill Gates和Paul Allen创办MicorSoft公司。现在成为最大、最成功的软件公司。三年后就收入50万美元,增加到15个人。1992年达28亿美元,1万名雇员。其最大的突破性发展是在1981年为IBM 的PC机开发操作系统,从此后便开始了对计算机业的巨大影响。 1975: IBM 5100发布。

    1976: Stephen Wozinak和Stephen Jobs创办苹果计算机公司。并推出其Apple I 计算机。

    1976: Zilog推出Z80处理器。8位微处理器。 CP/M就是面向其开发的操作系统。许多著名的软件如:Wordstar 和dBase II基于此款处理器。

    1976: 6502, 8 位微处理器发布,专为Apple II计算机使用。

    1976: Cray 1,第一台商用超级计算机。集成了20万个晶体管,每秒进行1.5亿次浮点运算。

    1977年5月: Apple II 型计算机发布。在此插入〈Apple II图〉

    1978: Commodore Pet发布:有 8K RAM,盒式磁带机,9英寸显示器。

    1978年6月8日: INTEL发布其16位微处理器8086。但因其非常昂贵,又推出8位的8088满足市场对低价处理器的需要,并被IBM的第一代PC机所采用。其可用的时钟频率为4.77、8、10MHz。大约有300条指令,集成了29000更晶体管。

    1979: 街机游戏"太空入侵者"发布,引起轰动。很快便使得类似的游戏机大规模流行起来,其收入超过了美国电影业。 1979: Jean Ichbiah 开发完成Ada计算机语言。

    1979年6月1日: INTEL发布了8位的8088微处理器,纯粹为了迎合低价电脑的需要。

    1979: Commodore PET 发布了采用1MHz的6502处理器,单色显示器、8K内存的计算机,并且可以根据需要购买更多的内存扩充。

    1979: 发明了低密盘。

    1979: Motorola公司发布68000微处理器。主要供应Apple公司的Macintosh ,后继产品68020用在Macintosh II机型上。

    1979: IBM公司眼看着个人计算机市场被苹果等电脑公司占有,决定也开发自己的个人计算机,为了尽快的推出自己的产品,他们大量的工作是与第三方合作,其中微软公司就承担了其操作系统的开发工作。很快他们便在1981年8月12日推出了IBM-PC。但同时也为微软后来的崛起,施足了肥料。

    1980 1980:“只要有1兆内存就足够DOS尽情表演了”。微软公司开发DOS初期时说。今天来听这句话有何感想呢?

    1980年10月: MS-DOS/PC-DOS开发工作开始了。但微软并没有自己独立的操作系统,他们买来别人的操作系统并加以改进。但IBM测试时竟发现有300个BUG。于是他们又继续改进,最初的DOS1.0有4000行汇编程序。

    1981: Xerox开始致力于图形用户界面、图标、菜单和定位设备(如鼠标)的研制。结果研究成果为苹果所借鉴。而苹果电脑公司后来又指控微软剽窃了他们的设计,开发了WINDOWS系列软件。

    1981: INTEL发布的80186/80188芯片,很少被人使用,因为其寄存器等与其他不兼容。但其采用了直接存储器访问技术和时间片分时技术。.

    1981年8月12日: IBM发布其个人计算机,售价2880美元。该机有64K内存、单色显示器 、可选的盒式磁带驱动器、两个160KB单面软盘驱动器。这台机器取得了比预想的还要大的成功。

    1981年8月12日: MDA (Mono Display Adapter, text only) 能够显示文本的单色显示器随IBM-PC机发布。

    1981年8月12日: MS-DOS 1.0,PC-DOS1.0发布。Microsoft是受IBM委托开发DOS操作系统,他们从Tim Paterson那里购买了一个叫86-DOS 的程序并加以改进。从IBM卖出去的叫PC-DOS。从Microsoft卖出去的叫MS-DOS。Micorsoft与IBM的合作一直到1991年的DOS5.0为止。最初的DOS1.0非常的简陋,每张盘上只一个根目录,不支持子目录。直到1983年3月的2.0版才有所改观。MS-DOS在1995年以前一直是与IBM-PC兼容的操作系统,WINDOWS95推出并迅速占领市场之后,其最后一个版本命名为DOS7.0。现在微软的操作系统已经在世界大多数计算机上运行了。

    1982: 基于TCP/IP协议的INTERNET初具规模。

    1982: 基于6502微处理器的计算机大受欢迎,特别是在学校大量普及。

    1982 年1月: Commodore 64计算机发布,价格:595美元。

    1982 年2月: 80286发布。时钟频率提高到20MHz,并增加了保护模式,可访问16M内存。支持1GB以上的虚拟内存。每秒执行270万条指令,集成了134000个晶体管。

    1982: Compaq公司发布了其IBM-PC兼容机。

    1982: MIDI(Musical Instrument Digital Interface)标准制定。允许计算机连接标准的类似键盘数字乐器。

    1982: Sony和Phillips公布了压缩音频的红皮书。很快得到欧美的认同。

    1982年3月: MS-DOS 1.25PC-DOS 1.1 1982 年4月: Sinclair ZX Spectrum发布:基于Z80芯片,时钟频率3.5MHz。能显示8种颜色。

    1982年5月: IBM推出双面320K的软盘驱动器。

    1983 年1月: IBM PC在欧洲展示。

    1983: Borland公司成立。

    1983春季: IBM XT机发布,增加了10兆的硬盘,128K RAM,一个软驱、单色显示器、一台打印机、可以增加一个8087数字协处理器。价格5000美元。

    1983年3月: MS-DOS 2.0、PC-DOS 2.0增加了类似UNIX分层目录的管理形式。

    1983年10月: MS-DOS 2.25,包括支持其他字符设置,开辟东方市场。

    1984: DNS (Domain Name Server) 域名服务器发布,互连网上有1000多台主机运行。

    1984: Hewlett-Packard发布了优异的激光打印机,HP也在喷墨打印机上保持领先技术。

    1984年1月: Apple 的Macintosh发布。基于Motorola 68000微处理器。可以寻址16M。

    1984 年8月: MS-DOS 3.0、PC-DOS 3.0、IBM AT发布,采用ISA标准,支持大硬盘和1.2M高密软驱。

    1984年9月: Apple 发布了有512Kb 内存的Macintosh,但其他方面没有什么提高。

    1984 底: Compaq开始开发IDE接口,可以以更快的速度传输数据,并被许多同行采纳,后来更进一步的EIDE推出,可以支持到528MB的驱动器。数据传输也更快。

    1985: Philips和Sony合作推出CD-ROM驱动器。

    1985: EGA标准推出。

    1985年3月: MS-DOS 3.1、PC-DOS 3.1。这是第一个提供部分网络功能支持DOS版本。

    1985年10月17日: 80386 DX推出。时钟频率到达33MHz,可寻址1GB内存。比286更多的指令。每秒6百万条指令,集成275000个晶体管。

    1985年11月: Microsoft Windows发布。但在其3.0版本之全面没有得到广泛的应用。需要DOS的支持,类似苹果机的操作界面,以致被苹果控告。诉讼到1997年8月才终止。

    1985 年12月: MS-DOS 3.2、PC-DOS 3.2。这是第一个支持3.5英寸磁盘的系统。但也只是支持到720KB。到3.3版本时方可支持1.44兆。

    1986 年1月: Apple 发布较高性能的Macintosh。有四兆内存,和SCSI适配器。

    1986 年9月: Amstrad Announced发布便宜且功能强大的计算机Amstrad PC 1512。具有CGA图形适配器、512KB内存、8086处理器20兆硬盘驱动器。采用了鼠标器和图形用户界面,面向家庭设计。

    1987: Connection Machine超级计算机发布。采用并行处理,每秒钟2亿次运算。

    1987: Microsoft Windows 2.0发布,比第一版要成功,但并没有多大提高。.

    1987: 英国数学家Michael F. Barnsley找到图形压缩的方法。

    1987: Macintosh II发布,基于Motorola 68020处理器。时钟16MHz,每秒260万条指令。有一个SCSI适配器和一个彩色适配器。 1987年4月2日: IBM推出PS/2系统。最初基于8086处理器和老的XT总线。后来过渡到80386,开始使用3.5英寸1.44MB软盘驱动器。引进了微通道技术,这一系列机型取得了巨大成功。出货量达到200万台。

    1987: IBM发布VGA技术。 1987: IBM发布自己设计的微处理器8514/A。

    1987年4月: MS-DOS 3.3、PC-DOS 3.3。随IBM PS/2一起发布,支持1.44MB驱动器和硬盘分区。可为硬盘分出多个逻辑驱动器。 1987年4月: Microsoft和IBM发布S/2Warp操作系统。但并未取得多大成功。

    1987年8月: AD-LIB声卡发布。一个加拿大公司的产品。

    1987年10月: Compaq DOS (CPQ-DOS) v3.31发布。支持的硬盘分区大于32Mb。

    1988: 光计算机投入开发,用光子代替电子,可以提高计算机的处理速度。

    1988: XMS标准建立。

    1988: EISA标准建立。

    1988 6月6日: 80386 SX为了迎合低价电脑的需求而发布。

    1988年7月到8月: PC-DOS 4.0、MS-DOS 4.0。支持EMS内存。但因为存在BUG,后来又陆续推出4.01a。

    1988年9月: IBM PS/20 286发布,基于80286处理器,没有使用其微通道总线。但其他机器继续使用这一总线。

    1988年10月: Macintosh Iix发布。基于Motorola 68030处理器。仍使用16 MHz主频、每秒390万条指令,支持128M RAM。

    1988年11月: MS-DOS 4.01、PC-DOS 4.01发布。

    1989: Tim Berners-Lee 创立World Wide Web雏形,他工作于欧洲物理粒子研究所。通过超文本链接,新手也可以轻松上网浏览。这大大促进了INTERNET的发展。

    1989: Phillips和Sony发布CD-I标准。

    1989年1月: Macintosh SE/30 发布。基于新型68030处理器。

    1989年3月: E-IDE标准确立,可以支持超过528MB的硬盘容量。可达到 33.3 MB/s 的传输速度。并被许多CD-ROM所采用。

    1989年4月10日: 80486 DX发布,集成120万个晶体管。 其后继型号时钟频率达到100MHz。

    1989年11月: Sound Blaster Card(声卡)发布。

    1990 1990: SVGA标准确立。

    1990年3月 : Macintosh Iifx发布,基于68030CPU,主频40MHz,使用了更快的SCSI接口。

    1990年5月22日: 微软发布Windows 3.0。兼容MS-DOS模式。

    1990年10月: Macintosh Classic发布,有支持到256色的显示适配器。

    1990年11月: 第一代MPC (多媒体个人电脑标准)发布。处理器至少80286/12MHz,后来增加到80386SX/16 MHz ,及一个光驱,至少150 KB/sec的传输率。

    1991: 发布ISA标准。

    1991年5月: Sound Blaster Pro发布。

    1991年6月: MS-DOS 5.0、PC-DOS 5.0。为了促进OS/2的发展,Bill Gates说:DOS5.0是DOS终结者,今后将不再花精力于此。该版本突破了640KB的基本内存限制。这个版本也标志着微软与IBM在DOS上的合作的终结。

    1992: Windows NT发布,可寻址2G RAM。

    1992年4月: Windows 3.1发布。

    1992年6月: Sound Blaster 16 ASP发布。

    1993: INTERNET开始商业化运行。

    1993: 经典游戏Doom发布。

    1993: Novell并购Digital Research, DR-DOS成为Novell DOS。

    1993年3月22: Pentium发布。集成了300多万个晶体管。初期工作在60-66MHz。每秒钟执行1亿条指令。

    1993年5月: MPC标准2发布。CD-ROM传输率要求300KB/sec。在320*240的窗口中每秒播放15帧图像。

    1993年12月: MS-DOS6.0发布,包括一个硬盘压缩程DoubleSpace,,但一家小公司声称,微软剽窃了其部分技术。于是在后来的DOS6.2中,微软将其改名为:DriveSpace。后来WIN95中的DOS成为DOS7.0,WIN95OSR2中称为DOS7.10.

    1994年3月7日: Intel 发布90-100 MHz Pentium处理器。

    1994年9月: PC-DOS 6.3发布。 1994年10月10日: Intel 发布75 MHz Pentium处理器。

    1994: Doom II 发布。开辟了PC机游戏广阔市场。

    1994: Netscape 1.0 浏览器发布。

    1994: Comm&Conquer(命令与征服)发布。

    1995年3月27日: Intel发布120 Mhz的Pentium处理器。

    19956月1日: Intel发布133 Mhz的Pentium处理器。

    1995年8月23日: Windows '95 发布。大大不同于其以前的版本。完全脱离MS-DOS,但照顾用户习惯还保留了DOS形式。纯32位的多任务操作系统。该版本取得了巨大的成功。

    1995年11月1日: Pentium Pro发布。主频可达200 MHz ,每秒钟完成4.4亿条指令,集成了550万个晶体管。

    1995年12月: Netscape发布其.JavaScript。

    1996: Quake、Civilization 2、Command& Conquer - Red Alert等一系列的著名游戏发布。

    1996年1月: Netscape Navigator 2.0发布,第一个支持JavaScript的浏览器。

    1996年1月4日: Intel发布150-166MHz的Pentium处理器,集成了330万个晶体管。

    1996: Windows '95 OSR2发布,修复了部分BUG,扩充了部分功能。

    1997: Gr和 Theft Auto、Quake 2、Blade Runner等著名游戏发布,3D图形加速卡大行其道。

    1997年1月8日: Intel发布Pentium MMX。对游戏和多媒体功能进行了增强。

    1997年4月: IBM的深蓝(Deep Blue)计算机,战胜人类国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫。

    1997年5月7日: Intel发布Pentium II,增加了更多的指令和更多CACHE。

    1997年6月2日: Intel 发布233 MHz Pentium MMX.

    1997年16日: Apple遇到严重的财务危机,微软伸出援助之手,注资1.5亿美元。条件是Apple撤消其控诉:微软模仿其视窗界面的起诉,并指出Apple也是模仿了XEROX的设计。

    1998年2月 : Intel发布333 MHz Pentium II处理器。采用0.25微米技术,提高速度,减少发热量。

    1998年6月25日: Microsoft发布Windows '98,一些人企图肢解微软,微软回击说这会伤害美国的国家利益。

    1999年1月25日: Linux Kernel 2.2.0发布。 人们对其寄予厚望。

    1999年2月22日: AMD公司发布K6-III 400MHz。有测试说其性能超过Intel P-III 。集成2300万个晶体管、socket 7结构。

    在往下就是今天了,与整个人类的发展历程相比、与传统科学技术相比,计算机的历史才刚刚开始书写,我们正置身其中,感受其日新月异的变化,被计算机大潮裹挟着丝毫不得停歇。希望在这潮头有更多的中国弄潮儿。 

    1666年,在英国Samuel Morland发明了一部可以计算加数及减数的机械计数机。

    1673年, Gottfried Leibniz 制造了一部踏式(stepped)圆柱形转轮的计数机,叫“Stepped Reckoner”,这部计算器可以把重复的数字相乘,并自动地加入加数器里。

    1694年,德国数学家,Gottfried Leibniz ,把巴斯卡的Pascalene 改良,制造了一部可以计算乘数的机器,它仍然是用齿轮及刻度盘操作。

    1773年, Philipp-Matthaus 制造及卖出了少量精确至12位的计算机器。

    1775年,The third Earl of Stanhope 发明了一部与Leibniz相似的乘法计算器。

    1786年,J.H.Mueller 设计了一部差分机,可惜没有拨款去制造。

    1801年, Joseph-Marie Jacquard 的织布机是用连接按序的打孔卡控制编织的样式。

    1854年,George Boole 出版 "An Investigation of the Laws of Thought”,是讲述符号及逻辑理由,它后来成为计算机设计的基本概念。 

    1858年,一条电报线第一次跨越大西洋,并且提供了几日的服务。

    1861年,一条跨越大陆的电报线把大西洋和太平洋沿岸连接起来。

    1876年,Alexander Graham Bell 发明了电话并取得专利权。

    1876至1878年,Baron Kelvin 制造了一部泛音分析机及潮汐预测机。

    1882年,William S. Burroughs 辞去在银行文员的工作,并专注于加数器的发明。

    1889年,Herman Hollerith 的电动制表机在比赛中有出色的表现,并被用于 1890 中的人口调查。Herman Hollerith 采用了Jacquard 织布机的概念用来计算,他用咭贮存资料,然后注入机器内编译结果。这机器使本来需要十年时间才能得到的人口调查结果,在短短六星期内做到。

    1893年,第一部四功能计算器被发明。

    1895年,Guglielmo Marconi 传送广播讯号。

    1896年,Hollerith 成立制表机器公司(Tabulating Machine Company)。

    1901年,打孔键出现,之后的半个世纪只有很少的改变。

    1904年,John A.Fleming 取得真空二极管的专利权,为无线电通讯建立基础。

    1906年,Lee de Foredt 加了一个第三活门在Felming 的二极管, 创制了三电极真空管。

    1907年,唱片音乐在纽约组成第一间正式的电台。

    1908年,英国科学家 Campbell Swinton 述了电子扫描方法及预示用阴极射线管制造电视。

    1911年,Hollerith 的表机公司与其它两间公司合并,组成 Computer Tabulating Recording Company (C-T-R),制表及录制公司。但在1924年,改名为International Business Machine Corporation (IBM)。

    1911年,荷兰物理学家 Kamerlingh Onnes 在 Leiden Unversity 发现超导电。

    1931年,Vannever Bush 发明了一部可以解决差分程序的计数机,这机器可以解决一些令数学家,科学家头痛的复杂差分程序。

    1935年,IBM (International Business Machine Corporation) 引入 "IBM 601”,它是一部有算术部件及可在1秒钟内计算乘数的穿孔咭机器。 它对科学及商业的计算起很大的作用。总共制造了1500 部。

    1937年,Alan Turing 想出了一个 "通用机器(Universal Machine)” 的概念,可以执行任何的算法,形成了一个"可计算(computability)”的基本概念。Turing 的概念比其它同类型的发明为好,因为他用了符号处理(symbol processing) 的概念。

    1939年11月,John Vincent Atannsoff 与 John Berry 制造了一部16位加数器。它是第一部用真空管计算的机器。

    1939年,Zuse 与 Schreyer 开鈶制造了"V2”﹝后来叫Z2﹞,这机器沿用 Z1的机械贮存器,加上一个用断电器逻辑(Relay Logic)的新算术部件。但当 Zuse完成草稿后,这计划被中断一年。

    1939-40年,Schreyer 完成了用真空管的10位加数器,以及用氖气灯(霓虹灯)的存贮器。

    1940年1月,在 Bell Labs, Samuel Williams 及Stibitz 完成了一部可以计算复杂数字的机器, 叫“复杂数字计数机(Complex Number Calculator)”,后来改称为“断电器计数机型号I (Model I Relay Calculator)” 。它用电话开关部份做逻辑部件:145个断电器,10个横杠开关。数字用“Plus 3BCD”代表。在同年9月,电传打字 etype 安装在一个数学会议里,由New Hampshire 连接去纽约。

    1940年, Zuse 终于完成Z2,它比运作得更好,但不是太可靠。

    1941年夏季,Atanasoff及Berry完成了一部专为解决联立线性方程系统(system of simultaneous linear equations) 的计算器,后来叫做"ABC (Atanasoff-Berry Computer)”,它有60个50位的存贮器,以电容器(capacitories)的形式安装在2个旋转的鼓上,时钟速度是60Hz。

    1941年2月,Zuse 完成"V3”(后来叫Z3),是第一部操作中可编写程序的计数机。它亦是用浮点操作,有7个位的指数,14位的尾数,以及一个正负号。存贮器可以贮存64个字,所以需要1400个断电器。它有多于1200个的算术及控制部件,而程序编写,输入,输出的与 Z1 相同。 1943年1月 Howard H. Aiken完成"ASCC Mark I”(自动按序控制计算器 Mark I ,Automatic Sequence -- Controlled Calculator Mark I),亦称“Haward Mark I”。这部机器有51尺长,重5顿,由 750,000部份合并而成。它有72个累加器,每一个有自己的算术部件,及23位数的寄存器。

    1943年12月, Tommy Flowers与他的队伍,完成第一部“Colossus”,它有2400个真空管用作逻辑部件,5 个纸带圈读取器(reader),每个可以每秒工作5000字符。

    1943年,由 John Brainered领导,ENIAC开始研究。而 John Mauchly 及J. Presper Eckert负责这计划的执行。  

    1946v第一台电子数字积分计算器(ENIAC)在美国建造完成。

    1947年,美国计算器协会(ACM)成立。

    1947年,英国完成了第一个存储真空管O 1948贝尔电话公司研制成半导体。

    1949年,英国建造完成"延迟存储电子自动计算器"(EDSAC)

    1950年,"自动化"一词第一次用于汽车工业。

    1951年,美国麻省理工学院制成磁心

    1952年,第一台"储存程序计算器"诞生。

    1952年,第一台大型计算机系统IBM701宣布建造完成。

    1952年,第一台符号语言翻译机发明成功。

    1954年,第一台半导体计算机由贝尔电话公司研制成功。

    1954年,第一台通用数据处理机IBM650诞生。

    1955年,第一台利用磁心的大型计算机IBM705建造完成。

    1956年,IBM公司推出科学704计算机。

    1957年,程序设计语言FORTRAN问世。

    1959年,第一台小型科学计算器IBM620研制成功。

    1960年,数据处理系统IBM1401研制成功。

    1961年,程序设计语言COBOL问世。

    1961年,第一台分系统计算机由麻省理工学院设计完成。

    1963年,BASIC语言问世。

    1964年,第三代计算机IBM360系列制成。

    1965年,美国数字设备公司推出第一台小型机PDP-8。

    1969年,IBM公司研制成功90列卡片机和系统--3计算机系统。

    1970年,IBM系统1370计算机系列制成。

    1971年,伊利诺大学设计完成伊利阿克IV巨型计算机。

    1971年,第一台微处理机4004由英特尔公司研制成功。

    1972年,微处理机基片开始大量生产销售。

    1973年,第一片软磁盘由IBM公司研制成功。

    1975年,ATARI--8800微电脑问世。

    1977年,柯莫道尔公司宣称全组合微电脑PET--2001研制成功。

    1977年,TRS--80微电脑诞生。

    1977年,苹果--II型微电脑

    1978年,磁泡存储器第二次用于商用计算机。

    1979年,夏普公司宣布制成第一台手提式微电脑。

    1982年,微电脑开始普及,大量进入学校和家庭。

    1984年,日本计算机产业着手研制"第五代计算机"---具有人工智能的计算机。

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  • 计算机体系结构.计算机发展历史

    千次阅读 2019-05-25 16:50:04
    计算机发展历史 两大定律与两种结构 既是要回顾计算机的发展,那必然绕不开著名的摩尔定律。当然摩尔定律想必已是闻名天下,但除此之外在体系结构领域内,还有一个定律叫Dennard Scaling,相对而言不是那么有名。 ...

    计算机体系结构.计算机发展历史

    两大定律与两种结构

    既是要回顾计算机的发展,那必然绕不开著名的摩尔定律。当然摩尔定律想必已是闻名天下,但除此之外在体系结构领域内,还有一个定律叫Dennard Scaling,相对而言不是那么有名。

    此外还有一个绝对绕不开的,那就是著名的冯诺伊曼结构。比较巧合的是,体系结构领域内也有一个与之对应、却不太出名的,叫哈佛结构。

    摩尔定律

    相同面积的集成电路里,晶体管数目每18-24个月会增加一倍【1】

    值得注意的是,摩尔定律只是一个经验定律,只具有统计学上的意义,而不是一个绝对的法则。目前摩尔定律已经失效了,即晶体管数量的增长已经放缓了。若把18-24个月翻一倍换算成每年的增长速度,则是大约每年翻1.4倍到1.5倍,则增长速度的变化大致如下。

    • 1977年到1997年,平均每年翻1.46倍
    • 1997年到2017年,平均每年翻1.34倍
      • 而在2012年到2017年,每年仅翻1.1倍,摩尔定律已不复存在

    在这里插入图片描述

    在摩尔定律的作用下,计算机体系结构的发展经历了三个阶段【2】

    • 第1阶段:晶体管不够用
      • 彼时芯片集成度还很低,有限的晶体管数量限制了系统结构的设计
    • 第2阶段:更多、更快、更省电
      • ”更多“即越来越多的晶体管,使得系统结构设计可以大展身手
      • ”更快“是晶体管尺寸不断减小,开关速度不断加快,芯片频率也越来越高
      • ”更省电“是随着工艺的进步,工作电压越来越低,负载电容也在降低,
    • 第3阶段:复杂、不快、不省电
      • ”复杂“是纳米级工艺给物理设计带来的巨大难度,如连线之间的相互干扰、工艺带来的片内漂移问题等等。此外过多的晶体管数目也加大了设计、验证测试的难度。
      • ”不快“指的是频率很难再提高了
      • ”不省电”则有三方面原因:漏电功耗不断增加乃至不可忽视、晶体管阈值电压很难再降低、连线功耗占主导而不是晶体管功耗

    在第2阶段中正是摩尔定律最为有效的阶段,此时系统结构的设计主要集中在ILP(Instruction Level Parallelism)即指令集并行上,进而出现了若干经典的设计:流水线结构、乱序执行结构、缓存层次结构等等。此时还有一个很头疼的问题就是存储墙(Memory Wall):虽然处理器速度越来越快,但内存速度的提升远远赶不上处理器速度。当内存远远慢于处理器时,就面临一个尴尬的问题:尽管处理器运行得很快,但是由于数据和指令来自于相对更慢的内存,因此处理器再快也没意义,不得不等待访存。缓存层次结构就是解决这个问题的有效方法。

    而第3阶段中摩尔定律逐渐失效,原因在于面临的问题越来越多越来越复杂,晶体管数量增长无法保持以前的高速。此时单核性能已经难以提升,进而转向多核结构。难以忽视漏电问题使得设计时需要着重考虑功耗,而不仅仅是考虑性能的提升。功耗问题的出现还有另一方面的原因,那就是散热技术的发展速度远远跟不上处理器的发展速度。

    Dennard Scaling

    如今功耗问题已不可忽视,而Dennard Scaling正是一个关于功耗的定律。

    随着晶体管尺寸越来越小,功耗密度保持不变,即单位面积的功耗保持不变。【3】

    原因在于,晶体管尺寸的降低,同时也带来了电压和电流的降低。不严格的来说,晶体管面积与边长是平方关系,使得单位面积内的晶体管数目增加也是平方增加,而电压和电流的则随着边长减小而同时降低,使得单个晶体管的功耗也呈现平方级的下降,总的来说单位面积的功耗保持不变。

    这个定律是如此的美好:我们不需要考虑功耗问题,只要堆越来越多的晶体管,就可以直接获得性能上的提升。但这么美好的定律其实也很短暂,原因在于Dennard Scaling只考虑了动态功耗,而在纳米级工艺之前,由于绝缘层足够厚,因此漏电功耗可以忽略不计。而随着纳米级工艺的到来,晶体管内的绝缘层越来越薄,使得漏电流越来越大,漏电功耗几乎是直线上升。

    此外从功耗公式上可以来观察一番:

    • 动态功耗(单个晶体管) = 1/2 * 负载电容 * 电压的平方 * 频率
    • 静态功耗 = 漏电电流 * 电压

    在只需考虑动态功耗的年代,随着晶体管边长的缩小,电压随着长度缩小而降低,因此单个晶体管的动态功耗呈现平方级降低,而单位面积的晶体管数目平方级增长,因此功耗密度保持不变。而公式中电压的平方,给人们带来了巨大的吸引力,即不断降低电压即可获得更大的主频提升空间。此外还可以通过工艺的改进来降低负载电容,从而进一步为主频提升留出空间。而主频的提高直接带来的就是性能的提升,这一阶段可谓是摩尔定律和Dennard Scaling共同造就的黄金时期。

    在这里插入图片描述

    而随着工艺的进步,漏电电流持续增大,而电压则无法继续降低——晶体管内的P管和N管有一个开关的阈值电压,因此很难降得很低。在此趋势下,静态功耗持续增加,很快就到了让人无法忽视的境地。而受限于工艺的发展,负载电容也难以下降。另一方面,散热技术的缓慢发展则意味着功耗有一个上限。种种因素下,主频的提升空间变得越来越小。这一阶段Dennard Scaling的失效,使得功耗问题越来越严重,进而使得主频的提升越来越缓慢。

    冯诺伊曼结构

    冯诺伊曼结构,最初提出是在1945年由著名数学和物理学家冯诺伊曼所起草的《First Draft of a Report on the EDVAC》中【5】,因此被称为冯诺伊曼结构。然而这个结构并非由冯诺伊曼所提出,而是另有他人(J. Presper Eckert 和 John Mauchly),只是当时冯诺伊曼赫赫有名,故而借其名来发表。无论如何,总之流传下来的就是冯诺伊曼结构了。

    在这里插入图片描述

    冯诺伊曼结构分为五大部分:

    • 运算单元:包含算术逻辑单元和寄存器
    • 控制单元:包含指令寄存器和程序计数器
    • 存储单元:存储数据和指令
    • 输入设备、输出设备

    冯诺伊曼结构的最大的特点是“存储程序”(stored-program),即把程序当作数据一样,存储在存储器中。这种结构优于此前的程序控制计算机(program-controlled computers),比如著名的ENIAC,其将程序和数据分离,编程的工作则是通过各种插头开关来完成,十分复杂。而将程序视为数据,无疑是一种先进的思想。同时代的阿兰·图灵则忙于通用图灵机模型,在图灵机的概念下,程序和数据一样,都是数据而已。实际上两处的工作是互相不知道的,即理论上有图灵提出了图灵机,在此模型下程序和数据本质上一致;而工程上也有人提出了相同的想法,即存储程序结构。

    除此之外,冯诺伊曼结构是将CPU和内存分离:CPU负责运算,内存负责存储数据。而随着计算机发展,这逐渐导致了“存储墙”(Memory Wall)问题的出现。这一问题最初被称为”冯诺伊曼瓶颈“(Von Neumann bottleneck),指的是CPU和内存之间通过共享总线传输数据,而这种传输每次只能传输很小一部分的数据,相比于存储器巨大的容量而言显得微不足道。当数据的传输带宽无法满足处理器的运行速度时,处理器就不得不等待数据的传送。而随着处理器变得越来越快,存储器容量越来越大,这个问题也就越来越凸显。目前这个问题仍然存在,解决方法有缓存层次结构,进而有分支预测、数据预取等等各种技术,目的都是为了给处理器提供数据,减少处理器的停顿时间,让处理器能充分的工作。

    哈佛结构

    哈佛结构也是一种存储程序结构,其起源于计算机“IBM Automatic Sequence Controlled Calculator”,更广为熟知的名字是“Harvard Mark I”,其被用于在二战期间进行运算。

    在这里插入图片描述

    哈佛结构的特点在于,其在硬件上将程序和数据分开存储,即有专门存储程序的存储器和专门存储数据的存储器。目前的计算机虽然都采用统一的内存,存储数据和程序(即指令),而在处理器内部,通常又分为指令缓存(Instruction Cache)和数据缓存(Data Cache)。缓存结构是为了解决存储墙问题,而指令和数据分离则可以进一步解决这个问题。在传统的冯诺伊曼结构中,指令和数据存储在一起,则处理器在某一时刻只能读取指令或者操作数据,而将指令和数据分离,则同一时刻处理器即可以读起指令,同时可以操作数据,指令和数据本身并无冲突,因此也可以同时操作。

    现代计算机中,处理器芯片之外仍然遵循冯诺伊曼结构。冯诺伊曼结构并不区分程序和数据,因此较为简单,成本低,对外围设备的扩展性也好,缺点是存在通信瓶颈。而在处理器芯片内部,观察其微结构,则通常是将指令和数据分开存储,即遵循哈佛结构。哈佛结构虽然较为复杂,但具有更高的执行效率,可以同时操作指令和数据,并能够分别对其访存行为进行观察从而预测。

    历史上的计算机

    100BC,Antikythera Mechanism

    安提凯希拉装置【7】,于1901年在希腊古船的残骸中发现,复杂的齿轮结构可以精确的计算月亮和行星的运动,被认为是第一台计算器。严格意义上感觉其并不能称之为计算机,不过加上引号称其为天文“计算机”也不算过。

    1822,差分机,Difference Engine

    最早的一台差分机,是由Charles Babbage在1819年开始建造,并在1822年完成【8】。这台差分机使用的是小数系统,并通过摇动手柄来驱动。差分机的意义在于,可以把复杂的运算转换成差分运算,从而使用简单的加法就可以完成,使得机器计算的前景更为广阔。

    1837,分析机,Analytical Engine

    分析机最早在1837年提出,作为差分机的后继。分析机已经具备了如今计算机的雏形,包括存储单元、运算单元、控制单元,支持分支和循环,被认为是第一台通用的数字计算机【9】。然而分析机并没有真正被制造出来,由于Babbage与工程师的意见不合,并且也没有足够的资金。

    被认为是第一个程序员的Ada Lovelace,其写的第一个计算机程序就是基于分析机,而Lovelace和Babbage也是很好的朋友和合作伙伴【10】。

    1939,Atanasoff–Berry computer

    Atanasoff–Berry computer,简称ABC,是第一台自动化的电子数字计算机(the first automatic electronic digital computer)【11】。可惜ABC并不符合图灵机模型,而且不能进行编程。ABC的主要贡献包括电子运算、二进制算数、并行处理、存储和运算分离。

    1941,Z3

    Z3是一台德国的电子计算机,由Konrad Zuse设计,在此之前有Z1和Z2,而Z3是世界上第一台可以编程的完全自动化的数字计算机(the world’s first working programmable, fully automatic digital computer)【12】。Z3由2600个继电器所建成,字宽为22比特,运行频率为4到5Hz,支持浮点运算,程序存储在打孔的底片(punched film)上,初始值需要手动输入。

    Z3没有条件分支,但是仍然可以构造出循环,而在1998年则有证明表示Z3是图灵完备的,即理论上Z3可以完成所有的计算任务,然而由于缺少分支,因此Z3需要把所有的可能都计算一遍,才能真正完成计算任务。而由于Z3的存在,Konrad Zuse也常常被认为是计算机的发明者。

    1943,Colossus Computer

    Colossus是在1943年到1945年期间,由英国开发的一系列计算机【13】。Colossus使用热敏电阻(thermionic valves)来进行布尔和计数运算,因此Colossus被视为世界上第一个可编程的电子数字计算机(the world’s first programmable, electronic, digital computer),尽管Colossus的编程是通过开关和插头来完成,而不是存储程序。而Colossus是被专门设计来处理一些密码分析任务,而不是一台通用计算机,因此也不是图灵完备的。而且直到二战之后,通用计算机的概念才逐渐变得重要起来,二战期间的计算机大多都是针对专门的计算任务。

    1944,The Harvard Mark I

    即IBM Automatic Sequence Controlled Calculator,简称ASCC,被哈佛大学称为Mark I,是一台通用的电子数学计算机【14】。其在二战期间用于军事用途。最初的想法是IBM的Howard Aiken在1937年11月提出,之后在1939年被IBM批准并资助。最终在1944年2月由IBM建造成功并移交到哈佛开始为美国海军进行运算,但直到1944年8月7日才被正式移交给哈佛大学。

    然而ASCC并不支持分支操作,程序是写在纸带上,循环也只是简单的将纸带绕成圈。此外ASCC的基础运算单元仍需要被机械化的驱动,由一个长达15米的驱动轴连接着一个功率达3.7千瓦的电动马达,这个电动马达作为主要动力来源和系统时钟。

    1946,ENIAC和EDVAC

    Electronic Numerical Integrator and Computer,即ENIAC,被认为是第一台通用电子计算机(the first electronic general-purpose computer),由J. Presper Eckert和John Mauchly设计,于1946年2月15日正式交付给宾夕法尼亚大学【15】。

    ENIAC被认为是第一台计算机,因其同时满足了这几个条件:

    • 电子的(electronic):ENIAC包含接近20000个电子真空管,7200个晶二极管,1500个继电器,70000个电阻器,10000个电容器,以及超过5000000个人工焊接的关节部件。ENIAC重达30吨,占地167平方米(1800平方英尺),所需的电源功率为150千瓦。
    • 数字的(digital):ENIAC是一个模块化的计算机,其中有20个模块是累加器,不仅可以执行加法和减法操作,而且还能存储十进制数,这些数字通过若干通用的总线进行传输。
    • 自动的(automatical):ENIAC为了实现高速运算,其嵌板(panels)上可以完成发送和传输数据、计算、存储结果并触发下一个操作,这一系列操作完全自动完成,不需要其他的操作步骤。ENIAC的灵活性也源于其分支的能力,可以根据先前的计算结果来触发不同的操作。
    • 可编程的(programmable):ENIAC可以被编程来进行复杂的运算,包括循环、分支、子程序。然而ENIAC并非存储程序,而是通过插线板来进行编程,通常需要耗费数周时间才能完成一个程序。
    • 通用的(general-purpose):源于其强大的编程能力,ENIAC可以完成各种计算任务,是图灵完备的。

    ENIAC最大的缺陷,在于仍然需要通过开关和插线板进行编程,不仅非常慢而且过于复杂。此时Eckert和Mauchly二人已经逐渐形成了存储程序的概念,并由冯诺伊曼在其报告中首次提出,也就是著名的冯诺伊曼架构。1948年对ENIAC的改造使得其成为一台存储程序计算机,然而其运行速度却只有之前的六分之一,但却将编程的时间从数周降低到数小时。而这之后才诞生了EDVAC——这是一台一出生就是存储程序结构的计算机。

    1948,The Manchester Baby

    也称为Small-Scale Experimental Machine,简称SSEM,是世界上第一台电子的存储程序计算机(the world’s first electronic stored-program computer)【16】。SSEM有着32比特的字宽,并且有一个可以存储32个字的存储器。SSEM的目的是为了验证第一个真正意义上的RAM,因此其被设计为最简单的存储程序计算机,运算单元只有减法和正负转换。

    在SSEM展现出了设计上的可扩展性时,一个以此为基础来建立更加实用的计算机的项目就成立了,随后诞生了Manchester Mark I,而后又以此为原型诞生了Ferranti Mark I,而这正是世界上第一个商业化的通用计算机(the world’s first commercially available general-purpose computer)。

    1949,EDVAC

    Electronic Discrete Variable Automatic Calculator,即EDVAC,作为ENIAC的后继,其在1949年移交给弹道研究所(The Ballistic Research Laboratory,简称BRL),而BRL在1942年成为美国军方研究所的一部分【17】。

    EDVAC相对于ENIAC,主要有两点改变,一是EDVAC使用二进制而不是十进制,二是EDVAC是存储程序结构。而在移交给弹道研究所后,修复了一系列问题,并最终在1951年才开始进行运算。

    1949,EDSAC

    Electronic delay storage automatic calculator,即EDSAC,是一台早期的英国计算机,由Maurice Wilkes和他的团队在剑桥大学完成【18】。Maurice受到冯诺伊曼的报告《First Draft of a Report on the EDVAC》的启发,进而设计出了这台存储程序计算机。EDSAC的建在始于1947年,最终在1949年运行了第一个程序。基于EDSAC,David Wheeler发明了子程序的概念,从而获得了世界上第一个计算机科学博士学位。

    1949,BINAC

    BINary Automatic Computer,即BINAC,是EMCC公司的首台商用计算机。EMCC即Eckert-Mauchly Computer Corporation,由Eckert和Mauchly二人所创立,目的是开发商业计算机【19】。BINAC是美国的第一台存储程序计算机(the first stored-program computer in the United States),此外其独特的地方是有两个独立的CPU来相互检查。然而BINAC的应用范围却非常有限,功能上不是很完备,并且卖得也很贵。

    随后EMCC推出了UNIVersal Automatic Computer,即UNIVAC,是其第二代商用计算机【20】。UNIVAC因为被用来预测美国总统选举而广为人知。

    1952,IBM 701

    The IBM 701 Electronic Data Processing Machine,简称IBM 701,是IBM的首台商业科学计算机,在1952年4月29日首次发布【21】。其后继者为IBM 704,与其同一代的还有面向商务的IBM 702和面向低成本的通用计算机IBM 650。IBM 650则是世界上首个量产的计算机(the world’s first mass-produced computer),生产了将近2000台计算机,最后一台在1962年生产。

    1964,IBM System/360

    IBM System/360是一系列主机,由IBM宣布于1964年4月7日。IBM 360是第一个计算机族被设计来覆盖几乎所有的应用(the first family of computers designed to cover the complete range of applications),无论是小程序还是大程序,无论是商用还是科学计算【22】。

    IBM 360的贡献之一是提出了许多影响深远的标准,比如有:

    • 以8比特为一个字节、按字节寻址的内存、以32比特为一个字
    • IBM的外围总线标准、IBN的浮点结构、IBM所用的EBCDIC字符集

    而IBM最突出的贡献是兼容性,可以说IBM System/360开创了计算机兼容性时代,有史以来第一次允许在不同机器上运行相同的程序。尽管计算机在过去25年中的发展速度令人吃惊,但 System/360 包含的基本技术概念仍是通用计算机行业骨干的组成部分。IBM 推出的 System/360 真正标志着现代计算时代的来临。【23】

    现代计算机

    再来稍微说一下现代计算机。

    北桥和南桥

    现代计算机中,有着三个很重要的芯片,分别是CPU、北桥芯片和南桥芯片。

    CPU毫无疑问是整个计算机中最核心的部件,但只有CPU显然是不够的,至少从冯诺伊曼结构上看,我们还需要有输入输出设备、存储数据和程序的内存,CPU则是集成了控制单元和运算单元。不严格的来说,北桥承担起了与内存沟通的任务,而南桥则承担起了与输入输出设备沟通的任务。详细来说的话,北桥与CPU互连,负责连接高速设备,如内存、显卡甚至缓存等等,并且与南桥互连。南桥则负责连接低速设备,如鼠标、键盘、串口、硬盘、USB接口等等。

    而随着CPU运行得越来越快,其对内存的要求也越来越高,终于CPU开始集成了内存控制器,可以直接与内存沟通而不需要经过北桥了。后来北桥的任务逐渐被CPU接管,也就不存在北桥芯片了。但显然CPU不可能集成所有的接口控制器,至多支持最为通用的PCIe接口(以连接显卡等高速设备)。CPU的面积可谓是寸土寸金,花太多在各种接口上显然不值得,因此南桥芯片仍然值得存在,用于支持USB接口、硬盘接口以及更多的PCIe接口等等。

    参考资料

    [1] WiKiPedia.Moore’s Law[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/Moore’s_law

    [2] 胡伟武.计算机体系结构(第2版)[M].清华大学出版社:北京,2017:11-13.

    [3] WiKiPedia.Dennard Scaling[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/Dennard_scaling

    [4] G.E.Moore…No exponential is forever: but “Forever” can be delayed![J].2003 IEEE ISSCC, 2003. Digest of Technical Papers. ISSCC.,2003,1(1):20-23.

    [5] WiKiPedia.Von Neumann architecture[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/Von_Neumann_architecture

    [6] WiKiPedia.Harvard architecture[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/Harvard_architecture

    [7] Bilibili.公元前的天文钟:安提凯希拉装置[EB/OL].[2019-05-01].https://www.bilibili.com/video/av13458262/

    [8] WiKiPedia.Difference Engine[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/Difference_engine#Method_of_differences

    [9] WiKiPedia.Analytical Engine[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/Analytical_Engine

    [10] Steve Taranovich.Ada Lovelace: 19世纪的数学奇女子——计算机之母[EB/OL].[2019-05-01].https://www.ednchina.com/news/Ada-Lovelace.html

    [11] WiKiPedia.Atanasoff–Berry computer[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/Atanasoff–Berry_computer

    [12] WiKiPedia.Z3(computer)[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/Z3_(computer)

    [13] WiKiPedia.Colossus computer[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/Colossus_computer

    [14] WiKiPedia.Harvard Mark I[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/Harvard_Mark_I

    [15] WiKiPedia.ENIAC[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/ENIAC

    [16] WiKiPedia.Manchester Baby[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/Manchester_Baby

    [17] WiKiPedia.EDVAC[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/EDVAC

    [18] WiKiPedia.EDSAC[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/EDSAC#System_software

    [19] WiKiPedia.BINAC[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/BINAC

    [20] WiKiPedia.UNIVAC[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/UNIVAC

    [21] WiKiPedia.IBM 701[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/IBM_701

    [22] WiKiPedia.IBM System/360[EB/OL].[2019-05-01].https://en.wikipedia.org/wiki/IBM_System/360

    [23] IBM.System 360 从计算机到计算机系统[EB/OL].[2019-05-01].http://www-31.ibm.com/ibm/cn/ibm100/icons/system360/index.shtml

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