計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史的四個(gè)階段
計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史的四個(gè)階段
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世界上第一臺(tái)電子數(shù)字式計(jì)算機(jī)于1946年2月15日在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制成功，它的名稱叫ENIAC(埃尼阿克)，是電子數(shù)值積分式計(jì)算機(jī)(The Electronic Numberical Intergrator and Computer)的縮寫(xiě)。它使用了17468個(gè)真空電子管，耗電174千瓦，占地170平方米，重達(dá)30噸，每秒鐘可進(jìn)行5000次加法運(yùn)算。雖然它還比不上今天最普通的一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，但在當(dāng)時(shí)它已是運(yùn)算速度的絕對(duì)冠軍，并且其運(yùn)算的精確度和準(zhǔn)確度也是史無(wú)前例的。以圓周率(π)的計(jì)算為例，中國(guó)的古代科學(xué)家祖沖之利用算籌，耗費(fèi)15年心血，才把圓周率計(jì)算到小數(shù)點(diǎn)后7位數(shù)。一千多年后，英國(guó)人香克斯以畢生精力計(jì)算圓周率，才計(jì)算到小數(shù)點(diǎn)后707位。而使用ENIAC進(jìn)行計(jì)算，僅用了40秒就達(dá)到了這個(gè)記錄，還發(fā)現(xiàn)香克斯的計(jì)算中，第528位是錯(cuò)誤的。
ENIAC奠定了電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義,它的問(wèn)世標(biāo)志著電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)。 ENIAC誕生后，數(shù)學(xué)家馮·諾依曼提出了重大的改進(jìn)理論，主要有兩點(diǎn)：其一是電子計(jì)算機(jī)應(yīng)該以二進(jìn)制為運(yùn)算基礎(chǔ)，其二是電子計(jì)算機(jī)應(yīng)采用"存儲(chǔ)程序"方式工作，并且進(jìn)一步明確指出了整個(gè)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由五個(gè)部分組成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入裝置和輸出裝置。馮·諾依曼的這些理論的提出，解決了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算自動(dòng)化的問(wèn)題和速度配合問(wèn)題，對(duì)后來(lái)計(jì)算機(jī)的發(fā)展起到了決定性的作用。直至今天，絕大部分的計(jì)算機(jī)還是采用馮·諾依曼方式工作。
ENIAC誕生后短短的幾十年間，計(jì)算機(jī)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。主要電子器件相繼使用了真空電子管，晶體管，中、小規(guī)模集成電路和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，引起計(jì)算機(jī)的幾次更新?lián)Q代。每一次更新?lián)Q代都使計(jì)算機(jī)的體積和耗電量大大減小，功能大大增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬。特別是體積小、價(jià)格低、功能強(qiáng)的微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使得計(jì)算機(jī)迅速普及，進(jìn)入了辦公室和家庭，在辦公室自動(dòng)化和多媒體應(yīng)用方面發(fā)揮了很大的作用。目前，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已擴(kuò)展到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域?？蓪⒂?jì)算機(jī)的發(fā)展過(guò)程分成以下幾個(gè)階段：
第一代(1946~1957年)是電子計(jì)算機(jī)，它的基本電子元件是電子管，內(nèi)存儲(chǔ)器采用水銀延遲線，外存儲(chǔ)器主要采用磁鼓、紙帶、卡片、磁帶等。由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的限制，運(yùn)算速度只是每秒幾千次~幾萬(wàn)次基本運(yùn)算，內(nèi)存容量?jī)H幾千個(gè)字。因此，第一代計(jì)算機(jī)體積大，耗電多，速度低，造價(jià)高，使用不便;主要局限于一些軍事和科研部門(mén)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。軟件上采用機(jī)器語(yǔ)言，后期采用匯編語(yǔ)言。
第二代(1958~1970年)是晶體管計(jì)算機(jī)。1948年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，10年后晶體管取代了計(jì)算機(jī)中的電子管，誕生了晶體管計(jì)算機(jī)。晶體管計(jì)算機(jī)的基本電子元件是晶體管，內(nèi)存儲(chǔ)器大量使用磁性材料制成的磁芯存儲(chǔ)器。與第一代電子管計(jì)算機(jī)相比，晶體管計(jì)算機(jī)體積小，耗電少，成本低，邏輯功能強(qiáng)，使用方便，可靠性高。軟件上廣泛采用高級(jí)語(yǔ)言，并出現(xiàn)了早期的操作系統(tǒng)。
第三代(1963~1970年)是集成電路計(jì)算機(jī)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，1958年夏，美國(guó)德克薩斯公司制成了第一個(gè)半導(dǎo)體集成電路。集成電路是在幾平方毫米的基片，集中了幾十個(gè)或上百個(gè)電子元件組成的邏輯電路。第三代集成電路計(jì)算機(jī)的基本電子元件是小規(guī)模集成電路和中規(guī)模集成電路，磁芯存儲(chǔ)器進(jìn)一步發(fā)展，并開(kāi)始采用性能更好的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，運(yùn)算速度提高到每秒幾十萬(wàn)次基本運(yùn)算。由于采用了集成電路，第三代計(jì)算機(jī)各方面性能都有了極大提高：體積縮小，價(jià)格降低，功能增強(qiáng)，可靠性大大提高。軟件上廣泛使用操作系統(tǒng)，產(chǎn)生了分時(shí)、實(shí)時(shí)等操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。
第四代(1971年~日前)是大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。隨著集成了上千甚至上萬(wàn)個(gè)電子元件的大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，電子計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)入了第四代。第四代計(jì)算機(jī)的基本元件是大規(guī)模集成電路，甚至超大規(guī)模集成電路，集成度很高的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器替代了磁芯存儲(chǔ)器，運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾百萬(wàn)次，甚至上億次基本運(yùn)算。在軟件方法上產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的思想。另外，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。微處理器和微型計(jì)算機(jī)也在這一階段誕生并獲得飛速發(fā)展。
微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展
微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展主要表現(xiàn)在其核心部件——微處理器的發(fā)展上，每當(dāng)一款新型的微處理器出現(xiàn)時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)微機(jī)系統(tǒng)的其它部件的相應(yīng)發(fā)展，如微機(jī)體系結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，存儲(chǔ)器存取容量的不斷增大、存取速度的不斷提高，外圍設(shè)備性能的不斷改進(jìn)以及新設(shè)備的不斷出現(xiàn)等。
根據(jù)微處理器的字長(zhǎng)和功能，可將微型計(jì)算機(jī)的功能劃分為以下幾個(gè)階段：
第一階段( 1971 ～ 1973 年)是 4 位和 8 位低檔微處理器時(shí)代。通常稱為第一代，其典型產(chǎn)品是 Intel4004 和 Intel8008 微處理器和分別由它們組成的 MCS-4 和 MCS-8 微機(jī)?；咎攸c(diǎn)是采用 PMOS 工藝，集成度低( ￡ 4000 個(gè)晶體管 / 片)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)都比較簡(jiǎn)單，主要采用機(jī)器語(yǔ)言或簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言，指令數(shù)目較少( 20 多條指令)，基本指令周期為 20 ～ 50 μ s ，用于家電和簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合。
第二階段( 1974 ～ 1977 年)是 8 位中高檔微處理器時(shí)代。通常稱為第二代，其典型產(chǎn)品是 Intel8080/8085 、 Motorola 公司的 MC6800 、 Zilog 公司的 Z80 等，以及各種 8 位單片機(jī)，如 Intel 公司的 8048 、 Motorola 公司的 MC6801 、 Zilog 公司的 Z8 等。它們的特點(diǎn)是采用 NMOS 工藝，集成度提高約 4 倍，運(yùn)算速度提高約 10~15 倍(基本指令執(zhí)行時(shí)間 1 ～ 2 μ s )，指令系統(tǒng)比較完善，具有典型的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和中斷、 DMA 等控制功能。軟件方面除了匯編語(yǔ)言外，還有 BASIC 、 FORTRAN 等高級(jí)語(yǔ)言和相應(yīng)的解釋程序和編譯程序，在后期還出現(xiàn)了操作系統(tǒng)，如 CM/P 就是當(dāng)時(shí)流行的操作系統(tǒng)。
第三階段( 1978 ～ 1984 年)是 16 微處理器時(shí)代。通常稱為第三代，其典型產(chǎn)品是 Intel 公司的 8086/8088 、 80286 ， Motorola 公司的 M68000 ， Zilog 公司的 Z8000 等微處理器。其特點(diǎn)是采用 HMOS 工藝，集成度( 20000~70000 晶體管 / 片)和運(yùn)算速度(基本指令執(zhí)行時(shí)間是 0.5 μ s )都比第二代提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。指令系統(tǒng)更加豐富、完善，采用多級(jí)中斷、多種尋址方式、段式存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)、硬件乘除部件，并配置了軟件系統(tǒng)。
這一時(shí)期的著名微機(jī)產(chǎn)品有 IBM 公司的個(gè)人計(jì)算機(jī) PC ( Personal Computer )。 1981 年推出的 IBM PC 機(jī)采用 8088 CPU 。緊接著 1982 年又推出了擴(kuò)展型的個(gè)人計(jì)算機(jī) IBM PC/XT ，它對(duì)內(nèi)存進(jìn)行了擴(kuò)充，并增加了一個(gè)硬磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。 1984 年 IBM 推出了以 80286 處理器為核心組成的 16 位增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī) IBM PC/AT 。由于 IBM 公司在發(fā)展 PC 機(jī)時(shí)采用了技術(shù)開(kāi)放的策略，使 PC 機(jī)風(fēng)靡世界。
第四階段( 1985 ～ 1992 年)是 32 位微處理器時(shí)代，又稱為第四代。其典型產(chǎn)品是 Intel 公司的 80386/80486 ， Motorola 公司的 M68030/68040 等。其特點(diǎn)是采用 HMOS 或 CMOS 工藝，集成度高達(dá) 100 萬(wàn)晶體管 / 片，具有 32 位地址線和 32 位數(shù)據(jù)總線。每秒鐘可完成 600 萬(wàn)條指令( MIPS ， Million Instructions Per Second )。微機(jī)的功能已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)超級(jí)小型計(jì)算機(jī)，完全可以勝任多任務(wù)、多用戶的作業(yè)。同期，其他一些微處理器生產(chǎn)廠商(如 AMD 、 TEXAS 等)也推出了 80386/80486 系列的芯片。
第五階段( 1993 年以后)是奔騰( Pentium )系列微處理器時(shí)代，通常稱為第五代。典型產(chǎn)品是 Intel 公司的奔騰系列芯片及與之兼容的 AMD 的 K6 系列微處理器芯片。內(nèi)部采用了超標(biāo)量指令流水線結(jié)構(gòu)，并具有相互獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)高速緩存。隨著 MMX ( Multi Media eXtended )微處理器的出現(xiàn)，使微機(jī)的發(fā)展在網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化和智能化等方面跨上了更高的臺(tái)階。 2000 年 3 月， AMD 與 Intel 分別推出了時(shí)鐘頻率達(dá) 1GHz 的 Athlon 和 Pentium III 。 2000 年 11 月， Intel 又推出了 Pentium Ⅳ微處理器，集成度高達(dá)每片 4200 萬(wàn)個(gè)晶體管，主頻 1.5GHz ， 400MHz 的前端總線，使用全新 SSE 2 指令集。 2002 年 11 月， Intel 推出的 Pentium Ⅳ微處理器的時(shí)鐘頻率達(dá)到 3.06GHz ，而且微處理器還在不斷地發(fā)展，性能也在不斷提升。
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