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1、计算机组成技术课程报告1计算机硬件发展历史综述摘要：本文通过回顾计算机硬件的发展，探讨计算机硬件发展的趋势，从而使人相信计算机硬件的发展前景将更加灿烂。关键词：计算机硬件；发展史。1.计算机硬件发展史1.1 计算机的起源大约在 19401942 年间，在研制导弹的过程中，急需要有一种能迅速计算的工具，以便对导弹的飞行进行控制。在它偏离人所预测的轨道时，把它拉回到轨道上来。这样就产生了能在 110 秒或 1100 秒的时间内计算出导弹运行轨迹同预定轨道的偏差的电子计算机。它的出现是当代世界上最大的发明之一。1.2 计算机硬件发展过程可分为四代计算机硬件的发展以用于构建计算机硬件的元器件的发展为主
2、要特征，而元器件的发展与电子技术的发展紧密相关，每当电子技术有突破性的进展，就会促进计算机硬件的一次重大变革。因此，计算机硬件发展史中的“代”通常以其所使用的主要器件，即电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路来划分。第一代计算机（19461958）以 1946 年 ENIAC 的研制成功为标志。这个时期的计算机都是建立在电子管基础上，体积大，运算速度慢。最初使用延迟线和静电存储器，容量很小，后来采用磁鼓，有了很大改进；输入设备是读卡机，可以读取穿孔卡片上的孔，输出设备是穿孔卡片机和行式打印机，速度很慢。在这个时代将要结束时，出现了磁带驱动器，它比读卡机快得多。图(1) 4
3、位的微处理器和微型电子计算机第二代计算机（19591964）以 1959 年美国菲尔克公司研制成功的第一台大型通用晶体管计算机为标志。这个时期的计算机用晶体管取代了电子管，晶体管具有体积小、重量轻、速度快、寿命长等一系列优点，使计算机的结构与性能都有很大的改进。图(2) 8 位的微处理器和微型电子计算机第三代计算机（19651970）以 IBM 公司研制成功的 360 系列计算机为标志。第三代计算机的特征是集成电路。这个时期的内存储器用半导体存储器淘汰了磁芯存储器，使存计算机组成技术课程报告2储容量和存取速度有了大幅度的提高；输入设备出现了键盘，使用户可以直接访问计算机；输出设备出现了显示器，
4、可以向用户提供立即响应。图(3) 16 位的微处理器和微型电子计算机第四代计算机（1971至今）以 Intel 公司研制的第一代微处理器 Intel 4004 为标志，这个时期的计算机最为显著的特征是使用了大规模集成电路和超大规模集成电路。图(4) 32 位的微处理器和微型电子计算机1.3 各时期计算机的比较：表(1) 各时期计算机的比较(1)计算机组成技术课程报告3表(2) 各时期计算机的比较(2)2.计算机硬件发展历史与现状计算机硬件体系结构的发展主要体现在两个方面的发展，一是研制新型的计算机体系结构，提高并行计算和处理能力，并特别体现在智能体系结构的理论和应用方面，其次以硬件或固件为发展
5、主线的大规模集成电路的研制和开发。而这里主要从处理器，存储器和外围设备三方面的发展历史与现状进行阐述。2.1 处理器的发展史及现状处理器的发展经历了多个阶段，人们通常将处理器的发展划分为两个较明显的时代：从 1970 年开始到 2005 年，在这 30 多年的时间里，桌面 CPU 无论性能如何变化，它们都是以单核的形式出现的，在这个阶段 CPU 的明显特征就是唯主频论。1971 年 Intel 公司推出了世界上第一台微处理器 4004，这是第一个用于计算机的 4 位微处理器。4004 含有 2300个晶体管，功能相当有限而且速度还很慢，但是它毕竟是划时代的产品。1978 年 Intel 公司再
6、次领导时代潮流，首次生产出 16 位微处理器。1982 年，Intel 推出了跨时代的新产品80286 芯片，虽然它然旧是 16 位结构，但是处理器的内部含有 13。4 万个晶体管；1985年 Intel 推出了 80386 芯片，它是 80X86 系列中的一种 32 位微处理器，而且在制造工艺方面也有很大的进步。1989 年，80486 芯片由 Intel 推出，这种工艺的革新之处就在于它突破了 100 万个晶体管的界限，集成了 120 万个晶体管，采用突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度。1994 年 6 月，Intel 和 HP 公司签署合作协议，为高端服务器和工作站市场共同开发
7、全新的、开放性的 64 位架构。1997 年 11 月，Intel 和 HP 公司宣布推出 64 位的 EPIC（显性并行指令计算）架构以及相应的产品计划。Inter 和 HP 在开发这种新型的 64 位芯片时，选择了一个与 RISC 微处理器大不相同的方向，发明了一种有利于加强指令并行执行的新处理器架构 - EPIC.EPIC .它实质上是一种吸收了两者长处的新架构。2000 年以 180 奈米铜导线搭绝缘硅（SOI）制程打造 Power4 处理器工程样本开机成功，随即成为业界对双多核心处理器发展的关注焦点。而领导双、多核心发展技术的 IBM2001年 5 月经过 7 年的艰苦努力，IPF
8、系列的第一代产品 Itanium 终于正式上市。高端的竞争将由原来的各厂商的 64 位 RISC 芯片之间的竞争，逐步变为开放性的 IA64 芯片与少数厂商专利的 RISC 芯片之间的竞争。2003 年 8 月 IEEE Hots Chips 揭露 Power5集结双实体CPU 核心，每颗 CPU 具备单核心同步超执行绪，一颗硅芯片可以开启四颗逻辑处理器的分身；再加上 Power5 处理器又包入四个处理器硅芯片，一颗 MCM 封装的 Power5 处理器，就可以开启 4416 个逻辑处理器。2004 年底，AMD 和 Inel 公司先后推出了 64 位个人用处理器。从 2006 年开始，处理器
9、领域已进入一个全新的多核时代，双核处理器的出现标志着以主频论英雄的年代正式结束，无论是业界巨擎 Intel 还是 AMD 都已经明确表示，今后计算机组成技术课程报告4CPU 将会是双核乃至多核的世界。2.2 存储器（针对内存）的发展史及现状内存的发展最早的内存是以磁芯的形式排列在线路上,每个磁芯与晶体管理组成的一个双稳态电路作为一比特的存储器,每一比特都要有玉米粒大小, 可以想象, 一间的机房只能装下不超过百 k 字节左右的容量。后来才出线现了焊接在主板上集成内存芯片,以内存芯片的形式为计算机的运算提供直接支持。那时的内存芯片容量都特别小, 最常见的莫过于 2 5 6 K 1bit、1M 4
10、b i t ,虽然如此,但这相对于那时的运算任务来说却已经绰绰有余了。 内存的诞生内存芯片的状态一直沿用到 286 初期 ,鉴于它存在着无法拆卸更换的弊病,这对于计算机的发展造成了现实的阻碍。有鉴于此,内存条便应运而生了。将内存芯片焊接到事先设计好的印刷线路板上,而电脑主板上也改用内存插槽。这样就把内存难以安装和更换的问题彻底解决了。如图 3 - 1 。在 80286 刚推出的时候, 内存条采用了SIMM(Single In-line Memory Modules, 单边接触内存模组)接口,容量为 30pin、256kb,必须是由 8 片数据位和 1 片校验位组成 1 个 b a n k ,
11、正因如此, 我们见到的 30pin SIMM 一般是四条一起使用。自 1982 年 PC 进入民用市场一直到现在,搭配 80286 处理器的 30pinSIMM 内存是内存领域的开山鼻祖。随后,在 19881990 年当中,PC 技术迎来另一个发展高峰,也就是 386 和 486 时代,此时 C P U 已经向 1 6 b i t 发展, 所以 3 0 p i nSIMM 内存再也无法满足需求,其较低的内存带宽已经成为急待解决的瓶颈, 所以此时 7 2 p i n S I M M 内存出现了 , 7 2 p i nSIMM 支持 3 2 b i t 快速页模式内存, 内存带宽得以大幅度提升。7
12、2pin SIMM 内存单条容量一般为 512KB2MB,而且仅要求两条同时使用,由于其与 30pin SIMM 内存无法兼容,因此这个时候 PC 业界毅然将 30pin SIMM 内存淘汰出局了。E D ODRAM 同 F P M D R A M ( F a s t P a g e M o d eRAM 快速页面模式存储器 )极其相似,它取消了扩展数据输出内存与传输内存两个存储周期之间的时间间隔, 在把数据发送给 C P U 的同时去访问下一个页面, 故而速度要比普通 DRAM 快 15-30%。工作电压为一般为 5 V ,带宽 32bit,速度在 40ns 以上,其主要应用在当时的 486
13、 及早期的 Pentium 电脑上。自 I n t e l C e l e r o n 系列以及 AMD K6 处理器以及相关的主板芯片组推出后 , E D OD R A M 内存性能再也无法满足需要了, 内存技术必须彻底得到个革新才能满足新一代 CPU 架构的需求,此时内存开始进入比较经典的 S D R A M 时代。随着 CPU 性能不断提高,我们对内存性能的要求也逐步升级。于是，内存接连进入了 DDR 时代、DDR2 时代、DDR3 时代。2.3 外围设备的发展史及现状外围设备包括输入设备，输出设备和辅助存储器。从计算机硬件角度看，主机部分主导地位一直保持到 70 年代中期。后来作为计算
14、机的“手足” ， “感官”和“数据仓库”的外围设备的重要性日益增长，新型高性能品种不断涌现，加上数据库技术的成熟要求越来越大的辅助存储器，从而使得外围设备在硬件成本中的比重越来越大。特别是由于输入设备和输出设备的发展，人同计算机的界面越来越友好。起初人们只能用枯燥的数字，文字同计算机打交道；80 年代图形用户接口（GUI）技术的成熟将人们带进了“图文并茂”的多媒体时代。人们不再感到计算机只是一部冰冷的机器了。而输入设备和输出设备则朝高性能，多样化，智能化和多媒体方向发展。速度仍然是对输入设备和输出设备的最根本和迫切性的要求。一方面需要指出的是，外围设备中已越来越多地嵌入微处理器和软件进行控制以达到智能化和高性能的目标，另一方面也常常将原属外围设备或外围设备控制器的部分功能直接设计进 CPU，以降低成本和改善性能。现在发展最快就是嵌入式领域，这同样会带来存储类硬件向大容量，低功耗的方向发展，同时在嵌入式领域各种专用的处理部件性能也会得到极大的提高，摩尔定理将会继续起作用，可用的晶体管资源将会不断增加，计算机组成技术课程报告5它将为硬件的发展和性能的提高提供物质基础。参考文献1陈锦润.计算机硬件发展研究 J.时代人物，2008,06.2姜言波.内存储器系统概况介绍 J.人力资源管理,2010,(4).3计算机组成技术课件.
