4-計(jì)算的自動化4

1、可計(jì)算性與圖靈 ENIAC——第一臺數(shù)字電子計(jì)算機(jī) 馮·諾依曼與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 電子管與第一代計(jì)算機(jī) 晶體管與第二代計(jì)算機(jī) 集成電路與第三代計(jì)算機(jī) VLSI和第四代計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其相關(guān)學(xué)科,第4章 計(jì)算的自動化—計(jì)算機(jī)硬件,電子管與第一代計(jì)算機(jī),從1946年到1957年，是電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的第一代，我們稱之為電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代。194

2、9年5月，英國劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)馮·諾伊曼的思想，制成電子延遲存貯自動計(jì)算機(jī)EDSAC（埃迪薩克，Electronic Delay Storage Automatic Calculator，電子數(shù)據(jù)存儲計(jì)算機(jī)），這是第一臺帶有存儲程序結(jié)構(gòu)的電子計(jì)算機(jī)。,電子管與第一代計(jì)算機(jī),EDVAC則是第一代電子計(jì)算機(jī)的典型代表。,電子管與第一代計(jì)算機(jī),1952年1月，IAS電子計(jì)算機(jī)（The Institute for

3、 Advanced Study，高級研究院）問世。總共只采用了2300個(gè)電子管，但運(yùn)算速度卻比擁有18000個(gè)電子管的ENIAC提高了10倍。,電子管與第一代計(jì)算機(jī),IAS計(jì)算機(jī)5大模塊結(jié)構(gòu)，正是馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的圓滿體現(xiàn)。因此IAS計(jì)算機(jī)成為馮·諾伊曼型電子計(jì)算機(jī)的鼻祖。,電子管與第一代計(jì)算機(jī),電子管與第一代計(jì)算機(jī),1953年4月7日，IBM正式對外發(fā)布自己的第一臺電子管計(jì)算機(jī)IBM701，該計(jì)算機(jī)能夠讀寫磁帶，

4、但是仍然用穿孔卡片作為主要的輸入輸出。從此IBM公司開始批量生產(chǎn)應(yīng)用于科研的大型計(jì)算機(jī)，電子計(jì)算機(jī)也開始走上了工業(yè)生產(chǎn)階段。,電子管與第一代計(jì)算機(jī),1958年11月，IBM推出了IBM709大型計(jì)算機(jī)，這是IBM公司自IBM701以來性能最為優(yōu)秀的電子管計(jì)算機(jī)，但同時(shí)它也是IBM最后一款電子管計(jì)算機(jī)。,電子管與第一代計(jì)算機(jī),第一代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)：基本的邏輯元件是電子管（Electronic Cube），又稱真空管（ Vacuum Tub

5、e ）。計(jì)算機(jī)有5個(gè)基本的組成部分：運(yùn)算器，控制器，存儲器，輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。運(yùn)算器和控制器采用電子管，存儲器采用電子管和延遲線。包括輸出、輸出在內(nèi)的一切操作都由CPU集中控制。計(jì)算機(jī)體積大、能耗高、速度慢、容量小、故障率較高、價(jià)格昂貴內(nèi)存容量小。主要用于科學(xué)技術(shù)方面的計(jì)算和軍事領(lǐng)域的計(jì)算。,電子管與第一代計(jì)算機(jī),由于構(gòu)成第一代計(jì)算機(jī)的基本器件——真空管體積大、能耗高、散熱大、噪聲大、壽命短、可靠性低，這樣種制約了電子計(jì)算機(jī)的進(jìn)

6、一步發(fā)展。人們在努力改進(jìn)電子管計(jì)算機(jī)的同時(shí)，也在積極尋求新的質(zhì)量更優(yōu)的電子元件替代電子管。,晶體管與第二代計(jì)算機(jī),從1958到1964年，是第二代計(jì)算機(jī)的發(fā)展時(shí)期，這一時(shí)期的計(jì)算機(jī)使用晶體管作為基本的邏輯元件，因此第二代計(jì)算機(jī)又稱晶體管計(jì)算機(jī)。正如氮?dú)庾畛趺麨椤盁o用的空氣”一樣（氮?dú)庠谄匠５臏囟认?，化學(xué)性質(zhì)很不活潑，既不助燃，也不能幫助呼吸。這樣，社勒最初把它命名為“無用的空氣”。），半導(dǎo)體剛剛被人類發(fā)現(xiàn)時(shí)，就被認(rèn)為是“閑材”，經(jīng)過

7、150多年的研究和發(fā)展過程，才變成了人類數(shù)字文明的物質(zhì)基礎(chǔ)。,晶體管與第二代計(jì)算機(jī),在AT&T貝爾電話實(shí)驗(yàn)室（Bell Telephone Laboratories），肖克利（William Shockley，1910～1989）、布拉頓（Walter Brattain，1902～1987）與巴?。↗ohn Bardeen，1908～1991）合作研究具有半導(dǎo)體特性的晶體。,晶體管與第二代計(jì)算機(jī),肖克利提出了研究框架，巴丁熟知固

8、體物理學(xué)理論，布拉頓最擅長實(shí)驗(yàn)操作，三位科學(xué)家珠聯(lián)璧合。1947年圣誕節(jié)前夕，布拉頓和巴丁已經(jīng)用實(shí)驗(yàn)證明，只要兩根金屬絲在半導(dǎo)體上的接觸點(diǎn)距離小于0.4毫米，就可能引起放大效果。,晶體管與第二代計(jì)算機(jī),布拉頓在三角形金箔上劃了一道細(xì)痕，恰好將頂角一分為二。他們以彎曲的別針做導(dǎo)線，使金箔壓進(jìn)了一塊半導(dǎo)體晶體表面。電流表的指示清晰地顯示出，他們已經(jīng)得到了一個(gè)有放大作用的新電子器件，這種器件被他們命名為“晶體管”（Transistor），這

9、就是世界上的第一只晶體管，現(xiàn)在我們稱之為點(diǎn)觸式晶體管。,晶體管與第二代計(jì)算機(jī),1948年，美國專利局批準(zhǔn)晶體管發(fā)明專利。他們?nèi)艘惨虼斯餐@得1956年的諾貝爾物理學(xué)獎，而肖克利則又被尊稱為“晶體管之父”。不久他們又建立了結(jié)式晶體管(Junction Transistor)的相關(guān)理論。,晶體管與第二代計(jì)算機(jī),1954年，美國德州儀器公司(Texas Instrument，簡稱TI)的迪耳(Gordon Kidd Teal，1907～)發(fā)

10、明了以硅為原材料的晶體管，克服了鍺晶體管在高溫下不穩(wěn)定的問題。以后人們研究出了各式各樣的晶體管。,晶體管與第二代計(jì)算機(jī),1955年，AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室組裝了世界上第一臺晶體管計(jì)算機(jī)——TRADIC（TRAnsistor DIgital Computer，晶體管數(shù)字計(jì)算機(jī)；或者TRansistorized Airborne DIgital Computer，晶體管化的真空數(shù)字計(jì)算機(jī)）。,晶體管與第二代計(jì)算機(jī),TRADIC裝有700

11、只點(diǎn)觸式晶體管，10000只鍺二極管，沒有使用一個(gè)電子管。它的功率不到100瓦，占用的空間也只有3立方英尺，使計(jì)算機(jī)的體積大大縮小。在兩年的連續(xù)使用中，只發(fā)生了17次設(shè)備故障，與同時(shí)期的電子管計(jì)算機(jī)相比，故障率大大降低。,晶體管與第二代計(jì)算機(jī),在程序設(shè)計(jì)方面，研制出了一些通用的算法和語言，其中影響最大的是FORTRAN語言(FORmula TRANslator,公式翻譯語言，簡稱FORTRAN)，1956年，由美國計(jì)算機(jī)科學(xué)家巴科斯設(shè)計(jì)

12、，主要用于科學(xué)計(jì)算，它標(biāo)志著高級語言的誕生。1959年5月，五角大樓委托格雷斯·霍普博士領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)委員會，開始設(shè)計(jì)面向商業(yè)的通用語言（COmmon Business Oriented Language），即COBOL語言。,晶體管與第二代計(jì)算機(jī),COBOL最重要的特征是語法與英文很接近，可以讓不懂電腦的人也能看懂程序；編譯器只需做少許修改，就能運(yùn)行于任何類型的電腦。委員會一個(gè)成員害怕這種語言的命運(yùn)不會太長久，特地為它制作了一個(gè)

13、小小的墓碑。然而，COBOL語言卻幸存下來。1963年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局將它進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。用COBOL寫作的軟件，要比其他語言多得多。,晶體管與第二代計(jì)算機(jī),第二代計(jì)算機(jī)的代表性計(jì)算機(jī)是IBM公司生產(chǎn)的IBM7094機(jī)和CDC公司的CDC1604機(jī)。,晶體管與第二代計(jì)算機(jī),第二代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)：使用晶體管作為基本邏輯部件，內(nèi)存儲器主要采用磁芯，外存儲器采用磁盤；體積小、重量輕、耗電少、運(yùn)算速度快（提高到每秒幾十萬次基本運(yùn)算）、存儲容量比

14、較大（內(nèi)存容量擴(kuò)大到幾十萬字）、壽命長、成本大幅度下降，功能增強(qiáng)，可靠性提高；在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研等各行業(yè)逐步得到應(yīng)用。,集成電路與第三代計(jì)算機(jī),從1964年到1970年是計(jì)算機(jī)發(fā)展的第三代。第三代計(jì)算機(jī)用集成電路（Integrated Circuit，IC）代替了分立元件，所以第三代計(jì)算機(jī)又稱作集成電路計(jì)算機(jī)。,集成電路與第三代計(jì)算機(jī),1954年，肖克利，離開貝爾實(shí)驗(yàn)室返回故鄉(xiāng)（現(xiàn)在的硅谷）成立半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室。1956年，

15、諾依斯等八位年輕的科學(xué)家從美國東部陸續(xù)加盟肖克利的實(shí)驗(yàn)室。,集成電路與第三代計(jì)算機(jī),1957年，在諾依斯帶領(lǐng)下，八位天才一起“叛逃”，10月，仙童照相器材和設(shè)備公司，為天才“八叛逆”（Traitorous Eight）投資了3500美元種子資金，組建起一家以諾依斯為首的仙童半導(dǎo)體公司（Fairchild Semiconductor），著手制造一種雙擴(kuò)散基型晶體管，以便用硅來取代傳統(tǒng)的鍺材料，一整套制造晶體管的平面處理技術(shù)也日趨成熟，成功

16、地制造出金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）等器件。,集成電路與第三代計(jì)算機(jī),TI公司的杰克·基爾比（Jack S. Kilby，1923.11.8～2005.7.20）想到由半導(dǎo)體構(gòu)成的晶體管，可以把它們組裝在一塊平板上而去掉之間的連線。根據(jù)這種想法，基爾比在筆記本上畫出了設(shè)計(jì)草圖。,集成電路與第三代計(jì)算機(jī),1959年2月6日，基爾比向美國專利局申報(bào)專利，這種由半導(dǎo)體元件構(gòu)成的微型固體組合件，從此被命名為“集成電路”(Integra

17、ted Circuit，簡稱IC)。只包括一個(gè)晶體管，兩個(gè)電阻和一個(gè)電阻—電容網(wǎng)絡(luò)?；鶢柋炔⒁虼双@得2000年度諾貝爾物理獎。,集成電路與第三代計(jì)算機(jī),1959年7月30日，仙童公司的諾依斯采用先進(jìn)的半導(dǎo)體平面處理技術(shù)研制出集成電路，也申請到一項(xiàng)發(fā)明專利。,集成電路與第三代計(jì)算機(jī),兩家公司為爭奪集成電路的發(fā)明權(quán)打起了官司。其實(shí)，在集成電路的制造技術(shù)上，諾依斯與基爾比的方法并不相同。1966年，基爾比和諾依斯同時(shí)被富蘭克林學(xué)會授予巴蘭丁

18、獎?wù)?，基爾比被譽(yù)為“ 第一塊集成電路的發(fā)明家” ，而諾依斯被譽(yù)為“ 提出了適合于工業(yè)生產(chǎn)的集成電路理論” 的人。1969年，法院最后的判決下達(dá)，也從法律上實(shí)際承認(rèn)了集成電路是一項(xiàng)同時(shí)的發(fā)明。,集成電路與第三代計(jì)算機(jī),1964年，仙童公司“八叛逆”之一的摩爾博士，以三頁紙的短小篇幅，發(fā)表了一個(gè)奇特的理論： “The number of transistors per integrated circuit would double ever

19、y 18 month.”即：集成電路上能被集成的晶體管數(shù)目，將會以每18個(gè)月翻一番的速度穩(wěn)定增長，并在今后數(shù)十年內(nèi)保持著這種勢頭，該預(yù)言被人譽(yù)為“摩爾定律” (Moore's Law) 。,集成電路與第三代計(jì)算機(jī),摩爾的這個(gè)預(yù)言，因集成電路芯片后來的發(fā)展曲線得以證實(shí)，并在較長時(shí)期保持著有效性。,集成電路與第三代計(jì)算機(jī),第三代計(jì)算機(jī)的基本電子元件是每個(gè)基片上集成幾個(gè)到十幾個(gè)電子元件（邏輯門）的小規(guī)模集成電路和每片上幾十個(gè)元件的中

20、規(guī)模集成電路。在存儲器方面，第三代計(jì)算機(jī)已開始采用性能優(yōu)良的半導(dǎo)體存儲器取代磁芯存儲器，存儲器的容量和可靠性都有了較大的提高。,集成電路與第三代計(jì)算機(jī),同時(shí)，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，尤其是操作系統(tǒng)的逐步成熟是第三代計(jì)算機(jī)的顯著特點(diǎn)。一些小型計(jì)算機(jī)在程序設(shè)計(jì)技術(shù)方面形成了三個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)：操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)和應(yīng)用程序，總稱為軟件。多處理機(jī)、虛擬存儲器系統(tǒng)以及面向用戶的應(yīng)用軟件的發(fā)展，大大豐富了計(jì)算機(jī)軟件資源。為了充分利用已有的軟件，

21、解決軟件兼容問題，出現(xiàn)了系列化的計(jì)算機(jī)。最有影響的是IBM360系列計(jì)算機(jī)。,集成電路與第三代計(jì)算機(jī),1964年4月7日，美國IBM公司同時(shí)在14個(gè)國家，全美63個(gè)城市宣告，世界上第一個(gè)采用集成電路的通用計(jì)算機(jī)系列IBM 360系統(tǒng)研制成功，該系列有大，中，小，型計(jì)算機(jī)等6個(gè)型號和44種新式的配套設(shè)備，它兼顧了科學(xué)計(jì)算和事務(wù)處理兩方面的應(yīng)用，各種機(jī)器全都相互兼容，適用于各方面的用戶，具有全方位的特點(diǎn)，正如羅盤有360度刻度一樣，所以取名

22、為360。它的研制開發(fā)經(jīng)費(fèi)高達(dá)50億美元，是研制第一顆原子彈的曼哈頓計(jì)劃的2.5倍。,集成電路與第三代計(jì)算機(jī),集成電路與第三代計(jì)算機(jī),而IBM360的主持人布魯克斯（Frederick Phillips Brooks，1931～）也獲得1999年圖靈獎。IBM 360成為第三代計(jì)算機(jī)的里程碑。 IBM360系統(tǒng)標(biāo)志著計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(Computer Architecture)研究的開端。,集成電路與第三代計(jì)算機(jī),第三代計(jì)算機(jī)具有如下特

23、征：機(jī)型分大、中、小型等6個(gè)型號，通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。存儲器使用半導(dǎo)體存儲器（體積更小，更可靠），機(jī)種開始多樣化，系統(tǒng)化，外部設(shè)備不斷增加，操作系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展和完善，提高了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率，也更加方便于使用。計(jì)算機(jī)的體積和耗電量進(jìn)一步減小，可靠性更高，運(yùn)算速度進(jìn)一步加快，達(dá)到每秒幾十萬到幾百萬次基本運(yùn)算。小規(guī)模和中規(guī)模集成電路的大量使用，總體性能比第二代電子計(jì)算機(jī)提高了一個(gè)數(shù)量級。,VLSI和第四代計(jì)算機(jī),從1970年以后一

24、直到現(xiàn)在是第四代計(jì)算機(jī)的發(fā)展時(shí)期。第四代計(jì)算機(jī)采用大規(guī)模集成電路（Large-Scale Integration，簡稱LSI）和超大規(guī)模集成電路（Very Large Scale Integrated circuit，簡稱VLSI）為主要電子器件制成，其主存儲器采用集成度很高的半導(dǎo)體存儲器，運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾百萬次甚至上億次基本運(yùn)算。金屬氧化物半導(dǎo)體電路（Metal Oxide Silicon，簡稱MOS）也在這一時(shí)期出現(xiàn)。在軟件方面，

25、出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)等，應(yīng)用軟件的開發(fā)已逐步成為一個(gè)龐大的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)。,VLSI和第四代計(jì)算機(jī),集成電路規(guī)模的劃分，目前在國際上尚無嚴(yán)格、確切的定義，人們一般將單塊芯片上包含元件數(shù)在100以內(nèi)或10個(gè)邏輯門以下的集成電路稱為小規(guī)模集成電路；而將元件數(shù)在100～1000之間或邏輯門數(shù)在10～100之間的稱為中規(guī)模集成電路；元器件數(shù)在1000～100000之間或者邏輯門數(shù)在100～5000之間的稱大規(guī)模集成電路；門數(shù)超過5000個(gè)

26、，或元件數(shù)高于10萬個(gè)的稱超大規(guī)模集成電路。,VLSI和第四代計(jì)算機(jī),大規(guī)模集成電路是每片上集成幾百到幾千個(gè)邏輯門的集成電路。它的出現(xiàn)，不僅大大提高了硅片上電子元件的集成度，而且可以把電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器和控制器等核心部件制作在一塊集成電路塊上，這就使計(jì)算機(jī)朝巨型化和微型化發(fā)展成為可能。1977年，超大規(guī)模集成電路工藝研制成功，一片硅片上可集成一萬個(gè)以上的晶體管，同時(shí)16KB和64KB半導(dǎo)體存儲器也已出現(xiàn)。第四代計(jì)算機(jī)以大規(guī)模集成電路和超

27、大規(guī)模集成電路作為邏輯元件和存儲器，使計(jì)算機(jī)向著巨型化和微型化兩個(gè)方向發(fā)展。,VLSI和第四代計(jì)算機(jī),（1）巨型化方向發(fā)展1974年美國伊利諾斯州立大學(xué)研制成功了陣列巨型機(jī)ILLIAC－IV計(jì)算機(jī)，這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(jì)算機(jī)，它標(biāo)志著計(jì)算機(jī)的發(fā)展已到了第四代。ILLIAC-IV在1972年設(shè)計(jì)完成時(shí)，其可操作性極差，直到1976年才得到全面的應(yīng)用。,VLSI和第四代計(jì)算機(jī),（2）微型化

28、方向發(fā)展微處理器（Microprocessor）一般包括三個(gè)部件：運(yùn)算器（ALU）、控制器和寄存器組。運(yùn)算器進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算，由加法器和一些輔助邏輯電路組成；控制器是時(shí)序控制，產(chǎn)生節(jié)拍定時(shí)信號指令譯碼和操作控制；寄存器組存放臨時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)算的中間結(jié)果、運(yùn)算特征、操作數(shù)地址。,VLSI和第四代計(jì)算機(jī),1971年，美國英特爾（Intel）公司的工程師特德·霍夫（Ted Hoff，1937.10.28～）把2250個(gè)晶體管集成到一塊

29、米粒大小的硅片上，制出了世界上第一塊大規(guī)模集成電路。,VLSI和第四代計(jì)算機(jī),同年，Intel公司又發(fā)布了第一代微處理器Intel 4004，其性能已大體相當(dāng)于50年代的電子管計(jì)算機(jī)，是微處理器的開端，也是大規(guī)模集成電路發(fā)展的一大成果。Intel4004用大規(guī)模集成電路把運(yùn)算器和控制器做在一塊芯片上，雖然字長只有4位、且功能很弱，但它是第四代計(jì)算機(jī)在微型機(jī)方面的先鋒。,VLSI和第四代計(jì)算機(jī),1972～1973年，8位微處理器相繼問世

30、，最先出現(xiàn)的是Intel8008。盡管它的性能還不完善，僅展示了無限的生命力，驅(qū)使眾多廠家激烈競爭，微處理器得到了蓬勃的發(fā)展。,VLSI和第四代計(jì)算機(jī),1978年以后，16位微處理器相繼出現(xiàn)，微型計(jì)算機(jī)達(dá)到一個(gè)新的高峰，典型的代表有Intel8086、ZILOG公司的Z-8000和MOTOROLA公司的MC68000。,VLSI和第四代計(jì)算機(jī),Intel公司不斷推進(jìn)著微處理器的革新。緊隨8086之后，又研制成功了80286、80386、

31、80486、奔騰（PENTIUM）、奔騰二代（PENTIUMⅡ）、奔騰三代（PENIUMⅢ)和奔騰四代（PENIUMⅣ)。PC機(jī)不斷更新?lián)Q代，日益風(fēng)靡世界。,VLSI和第四代計(jì)算機(jī),VLSI和第四代計(jì)算機(jī),2006年Intel宣布了酷睿雙核處理器。這是第一款面向便攜式電腦設(shè)計(jì)的雙核處理器，擁有極佳的性能，至少比P4快多了。這也是第一款真雙核X86處理器，共享緩存設(shè)計(jì)，之前的PentiumD雙核更像是一個(gè)外殼內(nèi)封裝兩個(gè)處理器?？犷Ｌ幚砥魇?/p>