4-計算的自動化4

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

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

3、 Advanced Study，高級研究院）問世。總共只采用了2300個電子管，但運算速度卻比擁有18000個電子管的ENIAC提高了10倍。,電子管與第一代計算機,IAS計算機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計算機成為馮·諾伊曼型電子計算機的鼻祖。,電子管與第一代計算機,電子管與第一代計算機,1953年4月7日，IBM正式對外發(fā)布自己的第一臺電子管計算機IBM701，該計算機能夠讀寫磁帶，

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)用于科研的大型計算機，電子計算機也開始走上了工業(yè)生產(chǎn)階段。,電子管與第一代計算機,1958年11月，IBM推出了IBM709大型計算機，這是IBM公司自IBM701以來性能最為優(yōu)秀的電子管計算機，但同時它也是IBM最后一款電子管計算機。,電子管與第一代計算機,第一代計算機的特點：基本的邏輯元件是電子管（Electronic Cube），又稱真空管（ Vacuum Tub

5、e ）。計算機有5個基本的組成部分：運算器，控制器，存儲器，輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。運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。計算機體積大、能耗高、速度慢、容量小、故障率較高、價格昂貴內(nèi)存容量小。主要用于科學(xué)技術(shù)方面的計算和軍事領(lǐng)域的計算。,電子管與第一代計算機,由于構(gòu)成第一代計算機的基本器件——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算機的進(jìn)

6、一步發(fā)展。人們在努力改進(jìn)電子管計算機的同時，也在積極尋求新的質(zhì)量更優(yōu)的電子元件替代電子管。,晶體管與第二代計算機,從1958到1964年，是第二代計算機的發(fā)展時期，這一時期的計算機使用晶體管作為基本的邏輯元件，因此第二代計算機又稱晶體管計算機。正如氮氣最初命名為“無用的空氣”一樣（氮氣在平常的溫度下，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，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)。,晶體管與第二代計算機,在AT&T貝爾電話實驗室（Bell Telephone Laboratories），肖克利（William Shockley，1910～1989）、布拉頓（Walter Brattain，1902～1987）與巴丁（John Bardeen，1908～1991）合作研究具有半導(dǎo)體特性的晶體。,晶體管與第二代計算機,肖克利提出了研究框架，巴丁熟知固

8、體物理學(xué)理論，布拉頓最擅長實驗操作，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)用實驗證明，只要兩根金屬絲在半導(dǎo)體上的接觸點距離小于0.4毫米，就可能引起放大效果。,晶體管與第二代計算機,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)在我們稱之為點觸式晶體管。,晶體管與第二代計算機,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。,晶體管與第二代計算機,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。,晶體管與第二代計算機,1955年，AT&T貝爾實驗室組裝了世界上第一臺晶體管計算機——TRADIC（TRAnsistor DIgital Computer，晶體管數(shù)字計算機；或者TRansistorized Airborne DIgital Computer，晶體管化的真空數(shù)字計算機）。,晶體管與第二代計算機,TRADIC裝有700

11、只點觸式晶體管，10000只鍺二極管，沒有使用一個電子管。它的功率不到100瓦，占用的空間也只有3立方英尺，使計算機的體積大大縮小。在兩年的連續(xù)使用中，只發(fā)生了17次設(shè)備故障，與同時期的電子管計算機相比，故障率大大降低。,晶體管與第二代計算機,在程序設(shè)計方面，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，由美國計算機科學(xué)家巴科斯設(shè)計

12、，主要用于科學(xué)計算，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)一個委員會，開始設(shè)計面向商業(yè)的通用語言（COmmon Business Oriented Language），即COBOL語言。,晶體管與第二代計算機,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，就能運行于任何類型的電腦。委員會一個成員害怕這種語言的命運不會太長久，特地為它制作了一個

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。,晶體管與第二代計算機,第二代計算機的代表性計算機是IBM公司生產(chǎn)的IBM7094機和CDC公司的CDC1604機。,晶體管與第二代計算機,第二代計算機的特點：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、運算速度快（提高到每秒幾十萬次基本運算）、存儲容量比

14、較大（內(nèi)存容量擴大到幾十萬字）、壽命長、成本大幅度下降，功能增強，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算機,從1964年到1970年是計算機發(fā)展的第三代。第三代計算機用集成電路（Integrated Circuit，IC）代替了分立元件，所以第三代計算機又稱作集成電路計算機。,集成電路與第三代計算機,1954年，肖克利，離開貝爾實驗室返回故鄉(xiāng)（現(xiàn)在的硅谷）成立半導(dǎo)體實驗室。1956年，

15、諾依斯等八位年輕的科學(xué)家從美國東部陸續(xù)加盟肖克利的實驗室。,集成電路與第三代計算機,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算機,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)計草圖。,集成電路與第三代計算機,1959年2月6日，基爾比向美國專利局申報專利，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)。只包括一個晶體管，兩個電阻和一個電阻—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算機,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，也申請到一項發(fā)明專利。,集成電路與第三代計算機,兩家公司為爭奪集成電路的發(fā)明權(quán)打起了官司。其實，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被富蘭克林學(xué)會授予巴蘭丁

18、獎?wù)?，基爾比被譽為“ 第一塊集成電路的發(fā)明家” ，而諾依斯被譽為“ 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)，也從法律上實際承認(rèn)了集成電路是一項同時的發(fā)明。,集成電路與第三代計算機,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)言被人譽為“摩爾定律” (Moore's Law) 。,集成電路與第三代計算機,摩爾的這個預(yù)言，因集成電路芯片后來的發(fā)展曲線得以證實，并在較長時期保持著有效性。,集成電路與第三代計算機,第三代計算機的基本電子元件是每個基片上集成幾個到十幾個電子元件（邏輯門）的小規(guī)模集成電路和每片上幾十個元件的中

20、規(guī)模集成電路。在存儲器方面，第三代計算機已開始采用性能優(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算機,同時，計算機軟件技術(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算機的顯著特點。一些小型計算機在程序設(shè)計技術(shù)方面形成了三個獨立的系統(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、虛擬存儲器系統(tǒng)以及面向用戶的應(yīng)用軟件的發(fā)展，大大豐富了計算機軟件資源。為了充分利用已有的軟件，

21、解決軟件兼容問題，出現(xiàn)了系列化的計算機。最有影響的是IBM360系列計算機。,集成電路與第三代計算機,1964年4月7日，美國IBM公司同時在14個國家，全美63個城市宣告，世界上第一個采用集成電路的通用計算機系列IBM 360系統(tǒng)研制成功，該系列有大，中，小，型計算機等6個型號和44種新式的配套設(shè)備，它兼顧了科學(xué)計算和事務(wù)處理兩方面的應(yīng)用，各種機器全都相互兼容，適用于各方面的用戶，具有全方位的特點，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)費高達(dá)50億美元，是研制第一顆原子彈的曼哈頓計劃的2.5倍。,集成電路與第三代計算機,集成電路與第三代計算機,而IBM360的主持人布魯克斯（Frederick Phillips Brooks，1931～）也獲得1999年圖靈獎。IBM 360成為第三代計算機的里程碑。 IBM360系統(tǒng)標(biāo)志著計算機體系結(jié)構(gòu)(Computer Architecture)研究的開端。,集成電路與第三代計算機,第三代計算機具有如下特

23、征：機型分大、中、小型等6個型號，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，提高了計算機的運行效率，也更加方便于使用。計算機的體積和耗電量進(jìn)一步減小，可靠性更高，運算速度進(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算機提高了一個數(shù)量級。,VLSI和第四代計算機,從1970年以后一

24、直到現(xiàn)在是第四代計算機的發(fā)展時期。第四代計算機采用大規(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，運算速度可達(dá)每秒幾百萬次甚至上億次基本運算。金屬氧化物半導(dǎo)體電路（Metal Oxide Silicon，簡稱MOS）也在這一時期出現(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)已逐步成為一個龐大的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)。,VLSI和第四代計算機,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

26、，或元件數(shù)高于10萬個的稱超大規(guī)模集成電路。,VLSI和第四代計算機,大規(guī)模集成電路是每片上集成幾百到幾千個邏輯門的集成電路。它的出現(xiàn)，不僅大大提高了硅片上電子元件的集成度，而且可以把電子計算機的運算器和控制器等核心部件制作在一塊集成電路塊上，這就使計算機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以上的晶體管，同時16KB和64KB半導(dǎo)體存儲器也已出現(xiàn)。第四代計算機以大規(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，使計算機向著巨型化和微型化兩個方向發(fā)展。,VLSI和第四代計算機,（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ILLIAC－IV計算機，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算機，它標(biāo)志著計算機的發(fā)展已到了第四代。ILLIAC-IV在1972年設(shè)計完成時，其可操作性極差，直到1976年才得到全面的應(yīng)用。,VLSI和第四代計算機,（2）微型化

28、方向發(fā)展微處理器（Microprocessor）一般包括三個部件：運算器（ALU）、控制器和寄存器組。運算器進(jìn)行算術(shù)邏輯運算，由加法器和一些輔助邏輯電路組成；控制器是時序控制，產(chǎn)生節(jié)拍定時信號指令譯碼和操作控制；寄存器組存放臨時數(shù)據(jù)、運算的中間結(jié)果、運算特征、操作數(shù)地址。,VLSI和第四代計算機,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和第四代計算機,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年代的電子管計算機，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，但它是第四代計算機在微型機方面的先鋒。,VLSI和第四代計算機,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和第四代計算機,1978年以后，16位微處理器相繼出現(xiàn)，微型計算機達(dá)到一個新的高峰，典型的代表有Intel8086、ZILOG公司的Z-8000和MOTOROLA公司的MC68000。,VLSI和第四代計算機,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機不斷更新?lián)Q代，日益風(fēng)靡世界。,VLSI和第四代計算機,VLSI和第四代計算機,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，之前的PentiumD雙核更像是一個外殼內(nèi)封裝兩個處理器。酷睿處理器是