计算机组成原理:计算机的发展历史

2021/02/22 16:55:45

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一、计算机发展的四个阶段

第一阶段:电子管(1946 - 1957)

1. 电子管外形

第二次世界大战中,英国为了解密德国的密文,催生了电子管计算机的产生。

世界上第一台电子管计算机是:埃尼阿克 ENIAC

2. 电子管计算机特点

  • 集成度小,空间占用大
  • 功耗高,运行速度慢
  • 操作复杂,更换程序需要接线

第二阶段:晶体管(1957 - 1964)

贝尔实验室的三个科学家发明了晶体管

1. 晶体管外形

全世界第一台晶体管计算机:TX-0(来自 MIT 林肯实验室)

同时期还有一台出名的计算机:PDP-1

  • 4K 内次,每秒 200000 指令
  • 配置 512 x 512 显示器

PDP-1 在当时来说算是性能最好的计算机了,并且配置有显示器。

2. 晶体管计算机特点

  • 集成度相对较高,空间占用相对小
  • 功耗相对较低,运行速度较快
  • 操作相对简单,交互更加方便

第三阶段:集成电路(1946 - 1980)

德州仪器工程师发明了集成电路(IC)

1. 集成电路计算机外形

2. 集成电路计算机特点

  • 计算机变得更小
  • 功耗变得更低
  • 计算速度变得更快

由于这些特点,计算机具备进入千家万户的条件。

在这一样阶段,操作系统也开始慢慢诞生。

IBM 首先推出 7904 和 1401 两个操作系统。但是这两款操作系统主打功能不同,相互之间也无法兼容。并且很多使用者不愿意投入两组人力来兼容两个操作系统。

为了解决以上问题,IBM 推出兼容产品 System/360。它应该算是现代操作系统的雏形。

第四阶段:超大规模集成电路(1980 - 至今)

CPU 就是超大规模集成电路的产品之一。

1. 超大规模集成电路计算机外形

2. 超大规模集成电路计算机特点

  • 一个芯片集成了上百万的晶体管
  • 速度更快,体积更小,价格更低,更能被大众接受
  • 用途更丰富:文本处理、表格处理、高交互的游戏与应用

3. 代表人物:乔布斯

未来计算机畅想

1. 生物计算机

以蛋白质分子作为主要原材料

特点:

  • 体积小,效率高
  • 不易损坏,生物级别的自动修复
  • 不受信号干扰,无热损耗

2. 量子计算机

遵循量子力学的物理计算机。

目前的一些研究成果

  • 2013 年 5 月,谷歌和 NASA 发布 D -Wave- Two
  • 2017 年 5 月,中国科学院宣布制造出光量子计算机
  • 2019 年 1 月,IBM 展示了世界首款商业化量子计算机

国内互联网公司对量子计算机的研究

  • 腾讯在 2017 年组建量子实验室
  • 阿里巴巴在 2017 年成立达摩院

二、微型计算机发展历史

微型计算机的发展是从集成电路阶段开始的。微型计算机的发展主要受限于 性能

1. 单核 CPU 发展历程:

  • 1971 - 1973:500 KHz 频率的微型计算机(字长 8 位)
  • 1973 - 1978:高于 1 MHz 频率的微型计算机(字长 8 位)
  • 1978 - 1985:500 MHz 频率的微型计算机(字长 16 位)
  • 1985 - 2000:高于 1 GHz 频率的微型计算机(字长 32 位)
  • 2000 - 至今:高于 2 GHz 频率的微型计算机(字长 64 位)

2. 摩尔定律

关于集成电路的性能,在 20 世纪有一个著名的 摩尔定律

它是说:集成电路的性能,每 18 - 24 个月就提升一倍(由 IBM 提出)。

但是,摩尔定律到了 21 世纪失效了。因为随着芯片的电路越来越复杂和密集,热损耗越来越高,而我们没办法解决这些问题,在性能上无法持续取得突破。

3. 多核 CPU 的发展:

  • 2005 年:Intel 奔腾系列双核 CPU 、AMD 速龙系列
  • 2006 年:Intel 酷睿四核 CPU
  • Intel 酷睿系列十六核 CPU
  • Intel 酷睿系列五十六核 CPU

三、补充知识点

1. 什么是 CPU 频率?

CPU 频率,即 CPU 的时钟频率,是指 CPU 运算时的工作的频率,单位是 Hz。

CPU 频率它决定计算机的运行速度,随着计算机的发展,主频由过去 MHZ 发展到了当前的 GHZ(1 GHZ = 10^3 MHZ = 10^6 KHZ= 10^9 HZ)。

那 CPU 频率越高,计算机运算速度就越快啰?

通常来讲,在 同系列微处理器,主频越高就代表计算机的速度也越快,但对于不同类型的处理器,它就只能作为一个参数来作参考。

另外 CPU 的运算速度还要看 CPU 的流水线的各方面的性能指标。

由于主频并不直接代表运算速度,所以在一定情况下,很可能会出现主频较高的 CPU 实际运算速度较低的现象。

因此主频仅仅是 CPU 性能表现的一个方面,而不代表 CPU 的整体性能。

那什么又是主频呢?

说到处理器主频,就要提到与之密切相关的两个概念:倍频外频

外频是 CPU 的基准频率,单位也是 MHz。外频是 CPU 与主板之间同步运行的速度,而且绝大部分电脑系统中外频也是内存与主板之间的同步运行的速度,在这种方式下,可以理解为 CPU 的外频直接与内存相连通,实现两者间的同步运行状态;倍频即主频与外频之比。

主频、外频、倍频,其关系式:主频 = 外频 × 倍频。

早期的 CPU 并没有“倍频”这个概念,那时主频和系统总线的速度是一样的。

随着技术的发展,CPU 速度越来越快,内存、硬盘等配件逐渐跟不上 CPU 的速度了,而倍频的出现解决了这个问题,它可使内存等部件仍然工作在相对较低的系统总线频率下,而 CPU 的主频可以通过倍频来无限提升(理论上)。

我们可以把外频看作是机器内的一条生产线,而倍频则是生产线的条数,一台机器生产速度的快慢(主频)自然就是生产线的速度(外频)乘以生产线的条数(倍频)了。

厂商基本上都已经把倍频锁死,要超频只有从外频下手,通过倍频与外频的搭配来对主板的跳线或在 BIOS 中设置软超频,从而达到计算机总体性能的部分提升。

购买的时候要尽量注意 CPU 的外频。

2. 什么是“字长”?

字长的定义

计算机采用二进制编码方式表示数、字符、指令和其它控制信息。计算机在存储、传送或操作时,作为一个单元的一组二进制码称为字,一个字中的二进制位的位数称为字长

通常称处理字长为 8 位数据的CPU叫 8 位 CPU,32 位 CPU 就是在同一时间内处理字长为 32 位的二进制数据。

二进制的每一个 0 或 1 是组成二进制的最小单位,称为位(bit)。常用的字长为 8 位、16 位、32 位和 64 位。字长为 8 位的编码称为 字节,是计算机中的基本编码单位。

字长与计算机的功能和用途有很大的关系,是计算机的一个重要技术指标。字长直接反映了一台计算机的计算精度,为适应不同的要求及协调运算精度和硬件造价间的关系,大多数计算机均支持变字长运算,即机内可实现半字长、全字长(或单字长)和双倍字长运算。

在其他指标相同时,字长越大计算机的处理数据的速度就越快。早期的微机字长一般是 8 位和 16 位,386 以及更高的处理器大多是 32 位。市面上的计算机的处理器大部分已达到 64 位。

字长由微处理器对外数据通路的数据总线条数决定。

本文的参考资料:

  • 慕课网之《编程必备基础:计算机组成原理、操作系统、计算机网络》
  • CPU 频率
  • 字长