計算機組成原理：計算機的發展歷史

本文目錄

本文完整的思惟導圖我總結到了幕布中：傳送門

1、計算機發展的四個階段

第一階段：電子管（1946 - 1957）

1. 電子管外形

第二次世界大戰中，英國爲了解密德國的密文，催生了電子管計算機的產生。

世界上第一臺電子管計算機是：埃尼阿克 ENIAC

2. 電子管計算機特色

• 集成度小，空間佔用大
• 功耗高，運行速度慢
• 操做複雜，更換程序須要接線

第二階段：晶體管（1957 - 1964）

貝爾實驗室的三個科學家發明了晶體管

1. 晶體管外形

全世界第一臺晶體管計算機：TX-0（來自 MIT 林肯實驗室）

同時期還有一臺出名的計算機：PDP-1

• 4K 內次，每秒 200000 指令
• 配置 512 x 512 顯示器

PDP-1 在當時來講算是性能最好的計算機了，而且配置有顯示器。

2. 晶體管計算機特色

• 集成度相對較高，空間佔用相對小
• 功耗相對較低，運行速度較快
• 操做相對簡單，交互更加方便

第三階段：集成電路（1946 - 1980）

德州儀器工程師發明了集成電路（IC）

1. 集成電路計算機外形

2. 集成電路計算機特色

• 計算機變得更小
• 功耗變得更低
• 計算速度變得更快

因爲這些特色，計算機具有進入千家萬戶的條件。

在這同樣階段，操做系統也開始慢慢誕生。

IBM 首先推出 7904 和 1401 兩個操做系統。可是這兩款操做系統主打功能不一樣，相互之間也沒法兼容。而且不少使用者不肯意投入兩組人力來兼容兩個操做系統。

爲了解決以上問題，IBM 推出兼容產品 System/360。它應該算是現代操做系統的雛形。

第四階段：超大規模集成電路（1980 - 至今）

CPU 就是超大規模集成電路的產品之一。

1. 超大規模集成電路計算機外形

2. 超大規模集成電路計算機特色

• 一個芯片集成了上百萬的晶體管
• 速度更快，體積更小，價格更低，更能被大衆接受
• 用途更豐富：文本處理、表格處理、高交互的遊戲與應用

3. 表明人物：喬布斯

將來計算機暢想

1. 生物計算機

以蛋白質分子做爲主要原材料

特色：

• 體積小，效率高
• 不易損壞，生物級別的自動修復
• 不受信號干擾，無熱損耗

2. 量子計算機

遵循量子力學的物理計算機。

目前的一些研究成果：

• 2013 年 5 月，谷歌和 NASA 發佈 D -Wave- Two
• 2017 年 5 月，中國科學院宣佈製造出光量子計算機
• 2019 年 1 月，IBM 展現了世界首款商業化量子計算機

國內互聯網公司對量子計算機的研究：

• 騰訊在 2017 年組建量子實驗室
• 阿里巴巴在 2017 年成立達摩院

2、微型計算機發展歷史

微型計算機的發展是從集成電路階段開始的。微型計算機的發展主要受限於 性能。

1. 單核 CPU 發展歷程：

• 1971 - 1973：500 KHz 頻率的微型計算機（字長 8 位）
• 1973 - 1978：高於 1 MHz 頻率的微型計算機（字長 8 位）
• 1978 - 1985：500 MHz 頻率的微型計算機（字長 16 位）
• 1985 - 2000：高於 1 GHz 頻率的微型計算機（字長 32 位）
• 2000 - 至今：高於 2 GHz 頻率的微型計算機（字長 64 位）

2. 摩爾定律

關於集成電路的性能，在 20 世紀有一個著名的 摩爾定律。

它是說：集成電路的性能，每 18 - 24 個月就提高一倍（由 IBM 提出）。

可是，摩爾定律到了 21 世紀失效了。由於隨着芯片的電路愈來愈複雜和密集，熱損耗愈來愈高，而咱們沒辦法解決這些問題，在性能上沒法持續取得突破。

3. 多核 CPU 的發展：

• 2005 年：Intel 奔騰系列雙核 CPU 、AMD 速龍系列
• 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

3、補充知識點

1. 什麼是 CPU 頻率？

CPU 頻率，即 CPU 的時鐘頻率，是指 CPU 運算時的工做的頻率，單位是 Hz。

CPU 頻率它決定計算機的運行速度，隨着計算機的發展，主頻由過去 MHZ 發展到了當前的 GHZ（1 GHZ = 10^3 MHZ = 10^6 KHZ= 10^9 HZ）。

那 CPU 頻率越高，計算機運算速度就越快囉？

一般來說，在 同系列微處理器，主頻越高就表明計算機的速度也越快，但對於不一樣類型的處理器，它就只能做爲一個參數來做參考。

另外 CPU 的運算速度還要看 CPU 的流水線的各方面的性能指標。

因爲主頻並不直接表明運算速度，因此在必定狀況下，極可能會出現主頻較高的 CPU 實際運算速度較低的現象。

所以主頻僅僅是 CPU 性能表現的一個方面，而不表明 CPU 的總體性能。

那什麼又是主頻呢？

說處處理器主頻，就要提到與之密切相關的兩個概念：倍頻 與 外頻，

外頻是 CPU 的基準頻率，單位也是 MHz。外頻是 CPU 與主板之間同步運行的速度，並且絕大部分電腦系統中外頻也是內存與主板之間的同步運行的速度，在這種方式下，能夠理解爲 CPU 的外頻直接與內存相連通，實現二者間的同步運行狀態；倍頻即主頻與外頻之比。

主頻、外頻、倍頻，其關係式：主頻 = 外頻 × 倍頻。

早期的 CPU 並無「倍頻」這個概念，那時主頻和系統總線的速度是同樣的。

隨着技術的發展，CPU 速度愈來愈快，內存、硬盤等配件逐漸跟不上 CPU 的速度了，而倍頻的出現解決了這個問題，它可以使內存等部件仍然工做在相對較低的系統總線頻率下，而 CPU 的主頻能夠經過倍頻來無限提高（理論上）。

咱們能夠把外頻看做是機器內的一條生產線，而倍頻則是生產線的條數，一臺機器生產速度的快慢（主頻）天然就是生產線的速度（外頻）乘以生產線的條數（倍頻）了。

廠商基本上都已經把倍頻鎖死，要超頻只有從外頻下手，經過倍頻與外頻的搭配來對主板的跳線或在 BIOS 中設置軟超頻，從而達到計算機整體性能的部分提高。

購買的時候要儘可能注意 CPU 的外頻。

2. 什麼是「字長」？

字長的定義

計算機採用二進制編碼方式表示數、字符、指令和其它控制信息。計算機在存儲、傳送或操做時，做爲一個單元的一組二進制碼稱爲字，一個字中的二進制位的位數稱爲字長。

一般稱處理字長爲 8 位數據的CPU叫 8 位 CPU，32 位 CPU 就是在同一時間內處理字長爲 32 位的二進制數據。

二進制的每個 0 或 1 是組成二進制的最小單位，稱爲位（bit）。經常使用的字長爲 8 位、16 位、32 位和 64 位。字長爲 8 位的編碼稱爲 字節，是計算機中的基本編碼單位。

字長與計算機的功能和用途有很大的關係，是計算機的一個重要技術指標。字長直接反映了一臺計算機的計算精度，爲適應不一樣的要求及協調運算精度和硬件造價間的關係，大多數計算機均支持變字長運算，即機內可實現半字長、全字長（或單字長）和雙倍字長運算。

在其餘指標相同時，字長越大計算機的處理數據的速度就越快。早期的微機字長通常是 8 位和 16 位，386 以及更高的處理器大可能是 32 位。市面上的計算機的處理器大部分已達到 64 位。

字長由微處理器對外數據通路的數據總線條數決定。

本文的參考資料：

• 慕課網之《編程必備基礎：計算機組成原理、操做系統、計算機網絡》
• CPU 頻率
• 字長