第一章 計算機硬件系統(tǒng)概述

要想成為一名計算機硬件工程師，不了解計算機的歷史顯然不行。在本書的第一章中，我們將帶你走進計算機硬件世界，去回顧計算機發(fā)展歷程中的精彩瞬間。

第一節(jié) 計算機的發(fā)展歷史

現(xiàn)代電子計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，離不開人類科技知識的積累，離不開許許多多熱衷于此并嘔心瀝血的科學(xué)家的探索，正是這一代代的積累才構(gòu)筑了今天的“信息大廈”。從下面這個按時間順序展現(xiàn)的計算機發(fā)展簡史中，我們可以感受到科技發(fā)展的艱辛及科學(xué)技術(shù)的巨大推動力。

一、機械計算機的誕生

在西歐，由中世紀進入文藝復(fù)興時期的社會大變革，極大地促進了自然科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們長期被神權(quán)壓抑的創(chuàng)造力得到了空前的釋放 。而在這些思想創(chuàng)意的火花中，制造一臺能幫助人進行計算的機器則是最耀眼、最奪目的一朵。從那時起，一個又一個科學(xué)家為了實現(xiàn)這一偉大的夢想而不懈努力著。但限于當時的科技水平，多數(shù)試驗性的創(chuàng)造都以失敗而告終，這也就昭示了拓荒者的共同命運: 往往在倒下去之前見不到自己努力的成果。而后人在享用這些甜美成果的時候，往往能夠從中品味出

汗水與淚水交織的滋味……

1614 年:蘇格蘭人John Napier(1550 ～1617 年)發(fā)表了一篇論文 ，其中提到他發(fā)明了一種可以進行四則運算和方根運算的精巧裝置。

1623 年:Wilhelm Schickard(1592 ～1635 年)制作了一個能進行6 位數(shù)以內(nèi)加減法運算，并能通過鈴聲輸出答案的“計算鐘”。該裝置通過轉(zhuǎn)動齒輪來進行操作。

1625 年:William Oughtred(1575 ～1660 年)發(fā)明計算尺。

1668 年:英國人Samuel Morl(1625 ～1695 年)制作了一個非十進制的加法裝置，適宜計算錢幣。

1671 年:德國數(shù)學(xué)家Gottfried Leibniz 設(shè)計了一架可以進行乘法運算，最終答案長度可達16位的計算工具。

1822 年:英國人Charles Babbage(1792 ～1871 年)設(shè)計了差分機和分析機 ，其設(shè)計理論非常超前，類似于百年后的電子計算機，特別是利用卡片輸入程序和數(shù)據(jù)的設(shè)計被后人所采用。

1834 年:Babbage 設(shè)想制造一臺通用分析機，在只讀存儲器(穿孔卡片)中存儲程序和數(shù)據(jù) 。Babbage在以后的時間里繼續(xù)他的研究工作，并于1840 年將操作位數(shù)提高到了40 位，并基本實現(xiàn)了控制中心(CPU)和存儲程序的設(shè)想，而且程序可以根據(jù)條件進行跳轉(zhuǎn)，能在幾秒內(nèi)做出一般的加法，幾分鐘內(nèi)做出乘、除法。

1848 年:英國數(shù)學(xué)家George Boole 創(chuàng)立二進制代數(shù)學(xué)，提前近一個世紀為現(xiàn)代二進制計算機的發(fā)展鋪平了道路。

1890 年:美國人口普查部門希望能得到一臺機器幫助提高普查效率。Herman Hollerith (后來他的公司發(fā)展成了IBM 公司)借鑒Babbage 的發(fā)明，用穿孔卡片存儲數(shù)據(jù)，并設(shè)計了機器。結(jié)果僅用6 周就得出了準確的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)(如果用人工方法，大概要花10 年時間)。

1896 年:Herman Hollerith 創(chuàng)辦了IBM 公司的前身。

二、電子計算機問世

在以機械方式運行的計算器誕生百年之后，隨著電子技術(shù)的突飛猛進，計算機開始了真正意義上的由機械向電子時代的過渡，電子器件逐漸演變成為計算機的主體，而機械部件則漸漸處于從屬位置。二者地位發(fā)生轉(zhuǎn)化的時候，計算機也正式開始了由量到質(zhì)的轉(zhuǎn)變，由此導(dǎo)致電子計算機正式問世。下面就是這一過渡時期的主要事件:

1906 年:美國人Lee De Forest 發(fā)明電子管，為電子計算機的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1924 年2 月:IBM 公司成立，從此一個具有劃時代意義的公司誕生。

1935 年:IBM 推出IBM 601 機。這是一臺能在一秒鐘內(nèi)算出乘法的穿孔卡片計算機 。這臺機器無論在自然科學(xué)還是在商業(yè)應(yīng)用上都具有重要的地位，大約制造了1500 臺。

1937 年:英國劍橋大學(xué)的Alan M.Turing(1912 ～1954 年)出版了他的論文 ，并提出了被后人稱之為“圖靈機”的數(shù)學(xué)模型。

1937 年:Bell 試驗室的George Stibitz 展示了用繼電器表示二進制的裝置。盡管僅僅是個展示品，但卻是第一臺二進制電子計算機。

1940 年1 月:Bell 實驗室的Samuel Williams 和Stibitz 制造成功了一個能進行復(fù)雜運算的計算機。該機器大量使用了繼電器，并借鑒了一些電話技術(shù)，采用了先進的編碼技術(shù)。

1941 年夏季:Atanasoff 和學(xué)生Berry 完成了能解線性代數(shù)方程的計算機，取名叫“ABC ”(Atanasoff-Berry Computer)，用電容作存儲器，用穿孔卡片作輔助存儲器 ，那些孔實際上是“燒”上去的，時鐘頻率是60Hz，完成一次加法運算用時一秒。

1943 年1 月:Mark I 自動順序控制計算機在美國研制成功。整個機器有51 英尺長 、5 噸重 、75萬個零部件。該機使用了3304 個繼電器 ，60 個開關(guān)作為機械只讀存儲器 。程序存儲在紙帶上 ，數(shù)據(jù)可以來自紙帶或卡片閱讀器。Mark I 被用來為美國海軍計算彈道火力表。

1943 年9 月:Williams 和Stibitz 完成了“Relay Interpolator ”，后來命名為“Model Ⅱ Re-

lay Calculator ”的計算機。這是一臺可編程計算機，同樣使用紙帶輸入程序和數(shù)據(jù)。它運行更可靠，每個數(shù)用7 個繼電器表示，可進行浮點運算。

1946 年:ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)誕生 ，這是第一臺真正意義上的數(shù)字電子計算機。開始研制于1943 年，完成于1946 年，負責人是John W.Mauchly 和J.Presper Eckert，重30 噸，用了18000 個電子管，功率25 千瓦，主要用于計算彈道的研制。

三、晶體管計算機的發(fā)展

真空管時代的計算機盡管已經(jīng)步入了現(xiàn)代計算機的范疇，但因其體積大、能耗高、故障多、價格貴，從而制約了它的普及和應(yīng)用。直到晶體管被發(fā)明出來，電子計算機才找到了騰飛的起點。

1947 年:Bell 實驗室的William B.Shockley 、 John Bardeen 和Walter H.Brattain 發(fā)明了晶體

管，開辟了電子時代新時代。

1949 年:劍橋大學(xué)的Wilkes 和他的小組制成了一臺可以存儲程序的計算機，輸入輸出設(shè)備仍是紙帶。

1949 年:EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer——電子離散變量自動計算機)——第一臺使用磁帶的計算機。這是一個突破，可以多次在磁帶上存儲程序。這臺機器是John von Neumann 提議建造的。

1950 年:日本東京帝國大學(xué)的Yoshiro Nakamats 發(fā)明了軟磁盤 ，其銷售權(quán)由IBM公司獲得 。由此開創(chuàng)了存儲時代的新時代。

1951 年:Grace Murray Hopper 完成了高級語言編譯器。

1951 年:UNIVAC-1 ——第一臺商用計算機系統(tǒng)誕生，設(shè)計者是J.Presper Eckert 和John Mauchly 。

被美國人口普查部門用于人口普查，標志著計算機進入了商業(yè)應(yīng)用時代。

1953 年:磁芯存儲器被開發(fā)出來。

1954 年:IBM 的John Backus 和他的研究小組開始開發(fā)FORTRAN(FORmula TRANslation) ，1957 年完成。這是一種適合科學(xué)研究使用的計算機高級語言。 //本文來自腳本之家www.dbjr.com.cn

1957 年:IBM 開發(fā)成功第一臺點陣式打印機。

四、集成電路為現(xiàn)代計算機鋪平道路

盡管晶體管的采用大大縮小了計算機的體積、降低了價格 、減少了故障，但離用戶的實際要求仍相距甚遠，而且各行業(yè)對計算機也產(chǎn)生了較大的需求，生產(chǎn)性能更強、重量更輕、價格更低的機器成了當務(wù)之急。集成電路的發(fā)明解決了這個問題。高集成度不僅使計算機的體積得以減小，也使速度加快、故障減少。

1958 年9 月12 日:在Robert Noyce(Intel 公司創(chuàng)始人)的領(lǐng)導(dǎo)下，集成電路誕生，不久又發(fā)明了微處理器。但因為在發(fā)明微處理器時借鑒了日本公司的技術(shù)，所以日本對其專利不承認，因為日本沒有得到應(yīng)有的利益。過了30 年，日本才承認，這樣日本公司可以從中得到一部分利潤。但到2001 年，這個專利就失效了。

1959 年:Grace Murray Hopper 開始開發(fā)COBOL(COmmon Business-Oriented Language)語言 ，完成于1961 年。

1960 年:ALGOL ——第一個結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言推出。

1961 年:IBM 的Kennth Iverson 推出APL 編程語言。

1963 年:DEC 公司推出第一臺小型計算機——PDP-8 。

1964 年:IBM 發(fā)布PL/1 編程語言。

1964 年:發(fā)布IBM 360 首套系列兼容機。

1964 年:DEC 發(fā)布PDB-8 小型計算機。

1965 年:摩爾定律發(fā)表，處理器的晶體管數(shù)量每18 個月增加一倍，價格下降一半。

1965 年:Lofti Zadeh 創(chuàng)立模糊邏輯，用來處理近似值問題。

1965 年:Thomas E.Kurtz 和John Kemeny 完成BASIC(Beginner ’s All-purpose Symbolic In-

struction Code)語言的開發(fā)。特別適合計算機教育和初學(xué)者使用，得以廣泛推廣。

1965 年:Douglas Englebart 提出鼠標器的設(shè)想，但沒有進一步研究，直到1983年才被蘋果電腦公司大量采用。

1965 年:第一臺超級計算機CD6600 開發(fā)成功。

1967 年:Niklaus Wirth 開始開發(fā)PASCAL 語言，1971 年完成。

1968 年:Robert Noyce 和他的幾個朋友創(chuàng)辦了Intel 公司。

1968 年:Seymour Paper 和他的研究小組在MIT 開發(fā)了LOGO 語言。

1969 年:ARPANet(Advanced Research Projects Agency Network)計劃開始啟動，這是現(xiàn)代Internet 的雛形。

1969 年4 月7 日:第一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準RFC 推出。

1970 年:第一塊RAM 芯片由Intel 推出，容量1KB 。

1970 年:Ken Thomson 和Dennis Ritchie 開始開發(fā)UNIX 操作系統(tǒng)。

1970 年:Forth 編程語言開發(fā)完成。

1970 年:Internet 的雛形ARPANet 基本完成，開始向非軍用部門開放。

1971 年11 月15 日:Marcian E.Hoff 在Intel 公司開發(fā)成功第一塊微處理器4004，含2300 個晶體管，字長為4 位，時鐘頻率為108KHz，每秒執(zhí)行6 萬條指令。

1972 年:1972 年以后的計算機習(xí)慣上被稱為第四代計算機?；诖笠?guī)模集成電路及后來的超大規(guī)模集成電路。這一時期的計算機功能更強，體積更小。此時人們開始懷疑計算機能否繼續(xù)縮小，特別是發(fā)熱量問題能否解決。同時，人們開始探討第五代計算機的開發(fā)。

1972 年:C 語言開發(fā)完成。其主要設(shè)計者是UNIX 系統(tǒng)的開發(fā)者之一Dennis Ritche。這是一個非常強大的語言，特別受人喜愛。

1972 年:Hewlett-Packard 發(fā)明了第一個手持計算器。

1972 年4 月1 日:Intel 推出8008 微處理器。

1972 年:ARPANet 開始走向世界，Internet 革命拉開序幕。

1973 年:街機游戲Pong 發(fā)布，得到廣泛歡迎。發(fā)明者是Nolan Bushnell(Atari 的創(chuàng)立者)。

1974 年:第一個具有并行計算機體系結(jié)構(gòu)的CLIP-4 推出。

五、當代計算機技術(shù)漸入輝煌

在此之前，應(yīng)該說計算機技術(shù)還是主要集中于大型機和小型機領(lǐng)域的發(fā)展。隨著超大規(guī)模集成電路和微處理器技術(shù)的進步，計算機進入尋常百姓家的技術(shù)障礙逐漸被突破。特別是在Intel 公司發(fā)布了其面向個人用戶的微處理器8080 之后，這一浪潮終于洶涌澎湃起來，同時也催生出了一大批信息時代的弄潮兒，如Stephen Jobs(史締芬·喬布斯)、Bill Gates(比爾·蓋茨)等，至今他們對整個計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還起著舉足輕重的作用。在此時段，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和多媒體技術(shù)也得到了空前的應(yīng)用與發(fā)展，計算機真正開始改變我們的生活。

1974 年4 月1 日:Intel 發(fā)布其8 位微處理器芯片8080 。

1975 年:Bill Gates 和Paul Allen 完成了第一個在MIT(麻省理工學(xué)院)的Altair 計算機上運行的BASIC 程序。

1975 年:Bill Gates 和Paul Allen 創(chuàng)辦Microsoft 公司(現(xiàn)已成為全球最大、最成功的軟件公司)。3 年后就收入50 萬美元，員工增加到15 人。1992 年達28 億美元，1 萬名雇員。1981 年Microsoft為IBM 的PC 機開發(fā)操作系統(tǒng)，從此奠定了在計算機軟件領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

1976 年:Stephen Wozinak 和Stephen Jobs 創(chuàng)辦蘋果計算機公司，并推出其Apple Ⅰ計算機。

1978 年6 月8 日:Intel 發(fā)布其16 位微處理器8086 。1979 年6 月又推出準16 位的8088 來滿足市場對低價處理器的需要，并被IBM 的第一代PC 機所采用。該處理器的時鐘頻率為4.77MHz 、8MHz和10MHz，大約有300 條指令，集成了29000 個晶體管。

1979 年:低密軟磁盤誕生。

1979 年:IBM 公司眼看個人計算機市場被蘋果等電腦公司占有，決定開發(fā)自己的個人計算機 。為了盡快推出自己的產(chǎn)品，IBM 將大量工作交給第三方來完成(其中微軟公司就承擔了操作系統(tǒng)的開發(fā)工作 ，這同時也為微軟后來的崛起奠定了基礎(chǔ))，于1981 年8 月12 日推出了IBM-PC 。

1980 年:“只要有1 兆內(nèi)存就足夠DOS 盡情表演了”，微軟公司開發(fā)DOS 初期時說 。今天來聽這句話有何感想呢？

1981 年:Xerox 開始致力于圖形用戶界面、圖標、菜單和定位設(shè)備(如鼠標)的研制 。結(jié)果研究成果為蘋果所借鑒，而蘋果電腦公司后來又指控微軟剽竊了他們的設(shè)計，開發(fā)了Windows 系列軟件。

1981 年8 月12 日:MS-DOS 1.0 和PC-DOS 1.0 發(fā)布。Microsoft 受IBM 的委托開發(fā)DOS 操作系統(tǒng)，他

們從Tim Paterson 那里購買了一個叫86-DOS 的程序并加以改進。由IBM 銷售的版本叫PC-DOS，由Microsoft 銷售的叫MS-DOS 。Microsoft 與IBM 的合作一直到1991 年的DOS 5.0 為止。最初的DOS 1.0

非常簡陋，每張盤上只有一個根目錄，不支持子目錄，直到1983 年3 月的2.0 版才有所改觀。MS-DOS在1995 年以前一直是與IBM-PC 兼容的操作系統(tǒng)，Windows 95 推出并迅速占領(lǐng)市場之后，其最后一個版本命名為DOS 7.0 。

1982 年:基于TCP/IP 協(xié)議的Internet 初具規(guī)模。

1982 年2 月:80286 發(fā)布，時鐘頻率提高到20MHz 、增加了保護模式、可訪問16MB 內(nèi)存、支持1GB以上的虛擬內(nèi)存、每秒執(zhí)行270 萬條指令、集成了13.4 萬個晶體管。

1983 年春季:IBM XT 機發(fā)布，增加了10MB 硬盤、128KB 內(nèi)存、一個軟驅(qū)、單色顯示器、一臺打印機、可以增加一個8087 數(shù)字協(xié)處理器。當時的價格為5000 美元。

1983 年3 月:MS-DOS 2.0 和PC-DOS 2.0 增加了類似UNIX 分層目錄的管理形式。

1984 年:DNS(Domain Name Server)域名服務(wù)器發(fā)布，互聯(lián)網(wǎng)上有1000 多臺主機運行。

1984 年底:C

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