计算的自动化4

可计算性与图灵

ENIAC——第一台数字电子计算机冯·诺依曼与计算机体系结构计算机体系结构的发展

电子管与第一代计算机晶体管与第二代计算机集成电路与第三代计算机

VLSI和第四代计算机计算机系统及其相关学科第4章计算的自动化—计算机硬件电子管与第一代计算机从1946年到1957年，是电子计算机发展的第一代，我们称之为电子管计算机时代。1949年5月，英国剑桥大学

数学实验室根据冯·诺伊曼

的思想，制成电子延迟存

贮自动计算机EDSAC（埃

迪萨克，ElectronicDelay

StorageAutomaticCalculator，

电子数据存储计算机），这

是第一台带有存储程序结构

的电子计算机。电子管与第一代计算机EDVAC则是第一代电子计算机的典型代表。电子管与第一代计算机1952年1月，IAS电子计算机（TheInstituteforAdvancedStudy，高级研究院）问世。总共只采用了2300个电子管，但运算速度却比拥有18000个电子管的ENIAC提高了10倍。电子管与第一代计算机IAS计算机5大模块结构，正是冯·诺依曼体系结构的圆满体现。因此IAS计算机成为冯·诺伊曼型电子计算机的鼻祖。电子管与第一代计算机ACMQ算术逻辑电路DR输入输出设备主存IBRPCIRAR控制电路…中央处理器地址控制信号数据处理单元指令和数据程序控制单元电子管与第一代计算机1953年4月7日，IBM正式对外发布自己的第一台电子管计算机IBM701，该计算机能够读写磁带，但是仍然用穿孔卡片作为主要的输入输出。从此IBM公司开始批量生产应用于科研的大型计算机，电子计算机也开始走上了工业生产阶段。电子管与第一代计算机1958年11月，IBM推出了IBM709大型计算机，这是IBM公司自IBM701以来性能最为优秀的电子管计算机，但同时它也是IBM最后一款电子管计算机。电子管与第一代计算机第一代计算机的特点：基本的逻辑元件是电子管（ElectronicCube），又称真空管（VacuumTube）。计算机有5个基本的组成部分：运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备。运算器和控制器采用电子管，存储器采用电子管和延迟线。包括输出、输出在内的一切操作都由CPU集中控制。计算机体积大、能耗高、速度慢、容量小、故障率较高、价格昂贵内存容量小。主要用于科学技术方面的计算和军事领域的计算。电子管与第一代计算机由于构成第一代计算机的基本器件——真空管体积大、能耗高、散热大、噪声大、寿命短、可靠性低，这样种制约了电子计算机的进一步发展。人们在努力改进电子管计算机的同时，也在积极寻求新的质量更优的电子元件替代电子管。晶体管与第二代计算机从1958到1964年，是第二代计算机的发展时期，这一时期的计算机使用晶体管作为基本的逻辑元件，因此第二代计算机又称晶体管计算机。正如氮气最初命名为“无用的空气”一样（氮气在平常的温度下，化学性质很不活泼，既不助燃，也不能帮助呼吸。这样，社勒最初把它命名为“无用的空气”。），半导体刚刚被人类发现时，就被认为是“闲材”，经过150多年的研究和发展过程，才变成了人类数字文明的物质基础。晶体管与第二代计算机在AT&T贝尔电话实验室（BellTelephoneLaboratories），肖克利（WilliamShockley，1910～1989）、布拉顿（WalterBrattain，1902～1987）与巴丁（JohnBardeen，1908～1991）合作研究具有半导体特性的晶体。晶体管与第二代计算机肖克利提出了研究框架，巴丁熟知固体物理学理论，布拉顿最擅长实验操作，三位科学家珠联璧合。1947年圣诞节前夕，布拉顿和巴丁已经用实验证明，只要两根金属丝在半导体上的接触点距离小于0.4毫米，就可能引起放大效果。晶体管与第二代计算机布拉顿在三角形金箔上划了一道细痕，恰好将顶角一分为二。他们以弯曲的别针做导线，使金箔压进了一块半导体晶体表面。电流表的指示清晰地显示出，他们已经得到了一个有放大作用的新电子器件，这种器件被他们命名为“晶体管”（Transistor），这就是世界上的第一只晶体管，现在我们称之为点触式晶体管。晶体管与第二代计算机1948年，美国专利局批准晶体管发明专利。他们三人也因此共同获得1956年的诺贝尔物理学奖，而肖克利则又被尊称为“晶体管之父”。不久他们又建立了结式晶体管(JunctionTransistor)的相关理论。晶体管与第二代计算机1954年，美国德州仪器公司(TexasInstrument，简称TI)的迪耳(GordonKiddTeal，1907～)发明了以硅为原材料的晶体管，克服了锗晶体管在高温下不稳定的问题。以后人们研究出了各式各样的晶体管。晶体管与第二代计算机1955年，AT&T贝尔实验室组装了世界上第一台晶体管计算机——TRADIC（TRAnsistor

DIgitalComputer，晶体管数字计算机；或者TRansistorizedAirborneDIgitalComputer，晶体管化的真空数字计算机）。晶体管与第二代计算机TRADIC装有700只点触式晶体管，10000只锗二极管，没有使用一个电子管。它的功率不到100瓦，占用的空间也只有3立方英尺，使计算机的体积大大缩小。在两年的连续使用中，只发生了17次设备故障，与同时期的电子管计算机相比，故障率大大降低。晶体管与第二代计算机在程序设计方面，研制出了一些通用的算法和语言，其中影响最大的是FORTRAN语言(FORmula

TRANslator,公式翻译语言，简称FORTRAN)，1956年，由美国计算机科学家巴科斯设计，主要用于科学计算，它标志着高级语言的诞生。1959年5月，五角大楼委托格雷斯·霍普博士领导一个委员会，开始设计面向商业的通用语言（COmmonBusinessOrientedLanguage），即COBOL语言。晶体管与第二代计算机COBOL最重要的特征是语法与英文很接近，可以让不懂电脑的人也能看懂程序；编译器只需做少许修改，就能运行于任何类型的电脑。委员会一个成员害怕这种语言的命运不会太长久，特地为它制作了一个小小的墓碑。然而，COBOL语言却幸存下来。1963年，美国国家标准局将它进行了标准化。用COBOL写作的软件，要比其他语言多得多。晶体管与第二代计算机第二代计算机的代表性计算机是IBM公司生产的IBM7094机和CDC公司的CDC1604机。晶体管与第二代计算机第二代计算机的特点：使用晶体管作为基本逻辑部件，内存储器主要采用磁芯，外存储器采用磁盘；体积小、重量轻、耗电少、运算速度快（提高到每秒几十万次基本运算）、存储容量比较大（内存容量扩大到几十万字）、寿命长、成本大幅度下降，功能增强，可靠性提高；在军事、工业、农业、商业、科研等各行业逐步得到应用。集成电路与第三代计算机从1964年到1970年是计算机发展的第三代。第三代计算机用集成电路（IntegratedCircuit，IC）代替了分立元件，所以第三代计算机又称作集成电路计算机。集成电路与第三代计算机1954年，肖克利，离开贝尔实验室返回故乡（现在的硅谷）成立半导体实验室。1956年，诺依斯等八位年轻的科学家从美国东部陆续加盟肖克利的实验室。集成电路与第三代计算机1957年，在诺依斯带领下，八位天才一起“叛逃”，10月，仙童照相器材和设备公司，为天才“八叛逆”（TraitorousEight）投资了3500美元种子资金，组建起一家以诺依斯为首的仙童半导体公司（FairchildSemiconductor），着手制造一种双扩散基型晶体管，以便用硅来取代传统的锗材料，一整套制造晶体管的平面处理技术也日趋成熟，成功地制造出金属氧化物半导体（MOS）等器件。集成电路与第三代计算机TI公司的杰克·基尔比（JackS.Kilby，1923.11.8～2005.7.20）想到由半导体构成的晶体管，可以把它们组装在一块平板上而去掉之间的连线。根据这种想法，基尔比在笔记本上画出了设计草图。集成电路与第三代计算机1959年2月6日，基尔比向美国专利局申报专利，这种由半导体元件构成的微型固体组合件，从此被命名为“集成电路”(IntegratedCircuit，简称IC)。只包括一个晶体管，两个电阻和一个电阻—电容网络。基尔比并因此获得2000年度诺贝尔物理奖。集成电路与第三代计算机

1959年7月30日，仙童公司的诺依斯采用先进的半导体平面处理技术研制出集成电路，也申请到一项发明专利。集成电路与第三代计算机两家公司为争夺集成电路的发明权打起了官司。其实，在集成电路的制造技术上，诺依斯与基尔比的方法并不相同。1966年，基尔比和诺依斯同时被富兰克林学会授予巴兰丁奖章，基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”，而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”

的人。1969年，法院最后的判决下达，也从法律上实际承认了集成电路是一项同时的发明。集成电路与第三代计算机1964年，仙童公司“八叛逆”之一的摩尔博士，以三页纸的短小篇幅，发表了一个奇特的理论：“Thenumberoftransistorsperintegratedcircuitwoulddoubleevery18month.”即：集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每18个月翻一番的速度稳定增长，并在今后数十年内保持着这种势头，该预言被人誉为“摩尔定律”(Moore'sLaw)。集成电路与第三代计算机摩尔的这个预言，因集成电路芯片后来的发展曲线得以证实，并在较长时期保持着有效性。集成电路与第三代计算机第三代计算机的基本电子元件是每个基片上集成几个到十几个电子元件（逻辑门）的小规模集成电路和每片上几十个元件的中规模集成电路。在存储器方面，第三代计算机已开始采用性能优良的半导体存储器取代磁芯存储器，存储器的容量和可靠性都有了较大的提高。集成电路与第三代计算机同时，计算机软件技术的进一步发展，尤其是操作系统的逐步成熟是第三代计算机的显著特点。一些小型计算机在程序设计技术方面形成了三个独立的系统：操作系统、编译系统和应用程序，总称为软件。多处理机、虚拟存储器系统以及面向用户的应用软件的发展，大大丰富了计算机软件资源。为了充分利用已有的软件，解决软件兼容问题，出现了系列化的计算机。最有影响的是IBM360系列计算机。集成电路与第三代计算机1964年4月7日，美国IBM公司同时在14个国家，全美63个城市宣告，世界上第一个采用集成电路的通用计算机系列IBM360系统研制成功，该系列有大，中，小，型计算机等6个型号和44种新式的配套设备，它兼顾了科学计算和事务处理两方面的应用，各种机器全都相互兼容，适用于各方面的用户，具有全方位的特点，正如罗盘有360度刻度一样，所以取名为360。它的研制开发经费高达50亿美元，是研制第一颗原子弹的曼哈顿计划的2.5倍。集成电路与第三代计算机集成电路与第三代计算机而IBM360的主持人布鲁克斯（FrederickPhillipsBrooks，1931～）也获得1999年图灵奖。IBM360成为第三代计算机的里程碑。

IBM360系统标志着计算机体系结构(ComputerArchitecture)研究的开端。集成电路与第三代计算机第三代计算机具有如下特征：机型分大、中、小型等6个型号，通用化、系列化、标准化。存储器使用半导体存储器（体积更小，更可靠），机种开始多样化，系统化，外部设备不断增加，操作系统进一步发展和完善，提高了计算机的运行效率，也更加方便于使用。计算机的体积和耗电量进一步减小，可靠性更高，运算速度进一步加快，达到每秒几十万到几百万次基本运算。小规模和中规模集成电路的大量使用，总体性能比第二代电子计算机提高了一个数量级。VLSI和第四代计算机从1970年以后一直到现在是第四代计算机的发展时期。第四代计算机采用大规模集成电路（Large-ScaleIntegration，简称LSI）和超大规模集成电路（VeryLargeScaleIntegratedcircuit，简称VLSI）为主要电子器件制成，其主存储器采用集成度很高的半导体存储器，运算速度可达每秒几百万次甚至上亿次基本运算。金属氧化物半导体电路（MetalOxideSilicon，简称MOS）也在这一时期出现。在软件方面，出现了数据库系统、分布式操作系统等，应用软件的开发已逐步成为一个庞大的现代产业。VLSI和第四代计算机集成电路规模的划分，目前在国际上尚无严格、确切的定义，人们一般将单块芯片上包含元件数在100以内或10个逻辑门以下的集成电路称为小规模集成电路；而将元件数在100～1000之间或逻辑门数在10～100之间的称为中规模集成电路；元器件数在1000～100000之间或者逻辑门数在100～5000之间的称大规模集成电路；门数超过5000个，或元件数高于10万个的称超大规模集成电路。VLSI和第四代计算机大规模集成电路是每片上集成几百到几千个逻辑门的集成电路。它的出现，不仅大大提高了硅片上电子元件的集成度，而且可以把电子计算机的运算器和控制器等核心部件制作在一块集成电路块上，这就使计算机朝巨型化和微型化发展成为可能。1977年，超大规模集成电路工艺研制成功，一片硅片上可集成一万个以上的晶体管，同时16KB和64KB半导体存储器也已出现。第四代计算机以大规模集成电路和超大规模集成电路作为逻辑元件和存储器，使计算机向着巨型化和微型化两个方向发展。VLSI和第四代计算机（1）巨型化方向发展1974年美国伊利诺斯州

立大学研制成功了阵列

巨型机ILLIAC－IV计算

机，这是第一台全面使

用大规模集成电路作为

逻辑元件和存储器的计

算机，它标志着计算机

的发展已到了第四代。ILLIAC-IV在1972年设计完成时，其可操作性极差，直到1976年才得到全面的应用。VLSI和第四代计算机（2）微型化方向发展微处理器（Microprocessor）一般包括三个部件：运算器（ALU）、控制器和寄存器组。运算器进行算术逻辑运算，由加法器和一些辅助逻辑电路组成；控制器是时序控制，产生节拍定时信号指令译码和操作控制；寄存器组存放临时数据、运算的中间结果、运算特征、操作数地址。VLSI和第四代计算机1971年，美国英特尔（Intel）公司的工程师特德·霍夫（TedHoff，1937.10.28～）把2250个晶体管集成到一块米粒大小的硅片上，制出了世界上第一块大规模集成电路。VLSI和第四代计算机同年，Intel公司又发布了第一代微处理器Intel4004，其性能已大体相当于50年代的电子管计算机，是微处理器的开端，也是大规模集成电路发展的一大成果。Intel4004用大规模集成电路把运算器和控制器做在一块芯片上，虽然字长只有4位、且功能很弱，但它是第四代计算机在微型机方面的先锋。VLSI和第四代计算机1972～1973年，8位微处理器相继问世，最先出现的是Intel8008。尽管它的性能还不完善，仅展示了无限的生命力，驱使众多厂家激烈竞争，微处理器得到了蓬勃的发展。VLSI和第四代计算机1978年以后，16位微处理器相继出现，微型计算机达到一个新的高峰，典型的代表有Intel8086、ZILOG公司的Z-8000和MOTOROLA公司的MC68000。VLSI和第四代计算机Intel公司不断推进着微处理器的革新。紧随8086之后，又研制成功了80286、80386、80486、奔腾（PENTIUM）、奔腾二代（PENTIUMⅡ）、奔腾三代（PENIUMⅢ)和奔腾四代（PENIUMⅣ)。PC机