计算机硬件发展史综述.doc

。计算机硬件发展史综述吴珑1140410218摘要：从1946年第一台计算机诞生至今，计算机已经风风雨雨走过了近70年，这70年间，计算机慢慢向着运算速度快、精度高、存储和记忆能力强、具有逻辑判断能力和高自动化程度发展，计算机硬件的迅猛发展使得这一切成为了可能，该文旨在通过计算机的起源引出计算机硬件发展研究,通过回顾计算机硬件的发展，探讨计算机硬件的发展趋势，为把握计算机未来发展的脉搏提供了依据和参考。关键词: 计算机；硬件；发展；处理器；存储设备1.计算机硬件发展史1.1 计算机的起源大约在19401942年间，在研制导弹的过程中，急需要有一种能迅速计算的工具，以便对导弹的飞行进行控制。在它偏离人所预测的轨道时，把它拉回到轨道上来。这样就产生了能在110秒或1100秒的时间内计算出导弹运行轨迹同预定轨道的偏差的电子计算机。它的出现是当代世界上最大的发明之一。1.2 计算机硬件发展过程可分为四代计算机硬件的发展以用于构建计算机硬件的元器件的发展为主要特征，而元器件的发展与电子技术的发展紧密相关，每当电子技术有突破性的进展，就会促进计算机硬件的一次重大变革。因此，计算机硬件发展史中的“代”通常以其所使用的主要器件，即电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路来划分。第一代计算机（19461958）以1946年ENIAC的研制成功为标志。这个时期的计算机都是建立在电子管基础上，体积大，运算速度慢。最初使用延迟线和静电存储器，容量很小，后来采用磁鼓有了很大改进；输入设备是读卡机，可以读取穿孔卡片上的孔，输出设备是穿孔卡片机和行式打印机，速度很慢。在这个时代将要结束时，出现了磁带驱动器，它比读卡机快得多。第二代计算机（19591964）以1959年美国菲尔克公司研制成功的第一台大型通用晶体管计算机为标志。这个时期的计算机用晶体管取代了电子管，晶体管具有体积小、重量轻、速度快、寿命长等一系列优点，使计算机的结构与性能都有很大的改进。第三代计算机（19651970）以IBM公司研制成功的360系列计算机为标志。第三代计算机的特征是集成电路。这个时期的内存储器用半导体存储器淘汰了磁芯存储器，使存储容量和存取速度有了大幅度的提高；输入设备出现了键盘，使用户可以直接访问计算机；输出设备出现了显示器，可以向用户提供立即响应。第四代计算机（1971至今）以Intel公司研制的第一代微处理器Intel 4004为标志，这个时期的计算机最为显著的特征是使用了大规模集成电路和超大规模集成电路。2计算机硬件的发展历史2.1硬件简介硬件系统通常指机器的物理系统，是看得到、摸得着的物理器件。现在我们所使用的计算机硬件系统的结构基本是沿用了由著名数学家冯诺依曼提出的模型，它由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大功能部件组成，如图2.1所示。当我们打开计算机的机箱时，可以看到主机板，它是主机中的基础部件，在它上面密集地安装着CPU、内存储器，输入输出接口等。一台计算机的硬件的核心是CPU，它一般是将运算器、控制器配以寄存器组集成在一块芯片上。图1.计算机硬件组成2.2计算机硬件的发展2.2.1计算机硬件发展综述现代计算机的硬件发展经历了电子计算机、晶体管计算机、集成电路时代以及大规模和超大规模集成电路时代这四个重要阶段。每个阶段的基本性能和特点如表2.2.1所示。计算机的发展遵从著名的摩尔定律，即当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，经过时间的检验，这个定律是正确的，而且据估计至少在10年内计算机的发展还会是这样的一个规律。代别第一代1946-1958第二代1959-1964第三代1965-1970第四代1971至今电子器件电子管晶体管集成电路大规模和超大规模集成电路存储器水银延迟线磁鼓、磁芯磁盘、磁带磁鼓、磁芯半导体存储器磁盘、磁带半导体存储器磁盘、光盘运算速度5000-几万几十万-百万百万-几百万几百万-几亿处理方式机器语言汇编语言汇编语言算法语言操作系统实时处理分时处理网络操作系统应用领域科学计算数据处理实时控制各种行业代表ENIACIBM 7090IBM 360IBM PC表2.计算机硬件发展历程运算器:运算器是计算机对数据进行加工处理的部件，包括算（加、减、乘、除等）和逻辑运算(与、或、非、异或、比较等）。控制器:控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码；根据指令的要求，按时间的先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地工作，一步一步地完成各种操作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。存储器 :存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。输入设备:输入设备是给计算机输入信息的设备。它是重要的人机接口，负责将输入的信息转换成计算机能识别的二进制代码，送入存储器保存。计算机中常用的输入设备是键盘和鼠标。输出设备:输入输出接口是外部设备与中央处理器之间的缓冲装置，负责电气性能的匹配和信息格式的转换。计算机常用的输出设备为显示器和打印机。2.2.2计算机硬件发展现状与发展趋势计算机硬件体系结构的发展主要体现在两个方面的发展，一是研制新型的计算机体系结构，提高并行计算和处理能力，并特别体现在智能体系结构的理论和应用方面，其次以硬件或固件为发展主线的大规模集成电路的研制和开发。而这里主要从处理器，存储器和外围设备三方面的发展现状和发展趋势进行探讨。2.3硬盘和CPU的发展简介2.3.1硬盘的发展1956年，IBM公司开发的IBM 350 RAMAC是现代硬盘的鼻祖，它有两个冰箱那么大，储存容量只有5MB。1973年IBM 3340问世，存储容量达到30MB，到这时，硬盘的基本架构被确立。80年代末，IBM公司推出MR技术令磁头灵敏度大大提升，使得储存密度提高了数十倍，该技术为硬盘容量的巨大提升奠定了基础。1991年，IBM应用该技术开发出了首款3.5英寸的1GB硬盘。1970年到1991年，硬盘盘片的储存密度以每年25%的速度增长，但自从有了MR技术，从1991年开始增长到70%。后来，IBM公司又研究出GMR技术，使得存储密度的增长速度达到100%，甚是更高。 2005年日本日立和美国希捷公司宣布采用磁盘垂直写入技术，原理是将平行于盘片的磁场方向改变为垂直，可以更充分地利用储存空间。日立公司在2010年推出5000G硬盘，等同半个人脑的存储量，可以想象其存储能力之强。2.3.2 CPU的发展CPU的发展非常迅速，PC机从8088发展到现在的Pentium 4时代，经过了不到二十年的时间。最初的8088集成的晶体管数不到三万，而Pentium的集成度超过了2500万个晶体管；至于CPU的运行速度，8088是0.75MIPS，到高能奔腾时已超过了1000MIPS。1971年10月，美国Inter公司首先推出了实现4位并行运算的单片芯片，把构成运算器和控制器的所有原件都集成在一片大规模集成电路芯片上，这便是第一片微处理器，命名为Inter 4004。次年，8位处理器被研制成功。1978年，Inter公司推出Inter 8086，这是首款16位微处理器，也是第三代微处理器的起点。如今，微处理器的位数已经达到64位，处理速度及其它性能已经与过去不可同日而语了。3计算机硬件的发展前景现代计算机的发展正朝着巨型化、微型化的方向发展，计算机的传输和应用正朝着网络化、智能化的方向发展。简单来说，巨型化是指高速运算、大存储量和功能强化；微型化是指体积微型化；网络化是指利用通信技术和计算机技术的结合，实现数据和信息资源的共享；智能化是要求计算机能模拟人的感觉和思维能力。现在的计算机相对来说已经十分先进，但诸如原子反应堆事故和核聚变反应的模拟实验、飞行器的风洞实验、天气预报、地震预测等要求极高的计算速度和精度，都远远超出电子计算机的能力极限。而且我们都知道集成电路的发展已接近尾声，摩尔定律不能一直适用，这是由三极管等电子元器件的物理特性决定的，要想获得性能和功能上的突破，必须有新的技术。目前前景广泛看好的技术有几种，有时也被认为是第五代计算机，如表3.1所示。生物计算机采用生物工程技术产生的蛋白质分子制成生物芯片，其运算过程是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程量子计算机遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息，是用量子系统构成的计算机，可以用来模拟量子现象光计算机与传统硅芯片计算机不同，光计算机用光束代替电子进行计算和存储；它以不同波长的光代表不同的数据，以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片表3.第五代计算机参考文献1 李斌. 计算机硬件的发展及相关问题研究J.计算机光盘软件与应用, 2013(14): 302-304.2莫正坤，高建生.计算机组成原理.华中科技大学出版，2004.9.3 陈锦润