第一代计算机：1946-1957年
ENIAC：
1946年，由美国宾夕法尼亚大学电子工程系约翰·莫克利和他的一个研究生约翰·埃卡克设计制造的一台电子计算机。重约30吨，占地1500平方英尺，1.8万个真空管，功率140kw。 每秒执行5000次加法。是一台十进制机器。手动编程，通过设置开关后插拔电缆头来实现。1995年被拆除。
冯·诺尼曼机：
基本思想：如果程序能够以某种形式与数据一同存在于存储器重，编程的过程就可以简化，计算机就可以通过在存储器重读取程序来获取指令，而且通过设置一部分存储器的值就可以编写和修改程序。
这个思想被称为“存储程序概念”。
1946年，冯·诺尼曼在普林斯顿高级研究院设计了一种新的存储程序计算机，被称为IAS计算机。IAS计算机成为后来通用计算机的原型。
1947年，约翰·莫克利和约翰·埃卡克创办了莫克利-埃卡克公司，制造商用计算机。比较成功的机型有：UNIVAC Ⅰ( Universal Automatic Computer,通用自动化计算机）和 UNIVAC Ⅱ。
IBM于1953年生产了自己的首台程序存储计算机IBM701，主要面向科学应用，1955年生产了IBM702， 适用于商业应用。它们是700/7000系列的开端产品，这一系列使IBM成为占据主导地位的计算机制造商。
第一代计算机的特点是:
(1)采用电子管代替机械齿轮或电磁继电器作开关元件,但它仍然笨重,而且产生很多 热量,容易损坏。
(2)采用二进制代替十进制,即所有指令与数据都用“0”与“1”表示,分别对应于电 子器件的“接通”与“断开”。程序设计语言为机器语言,显然,用机器语言来编程序既 枯燥又费时。
(3)程序可以存储,这使通用计算机成为可能。但存储设备还比较落后,最初使用水银 延迟线或静电存储管,容量很小。后来使用了磁鼓、磁心,有了很大改进,但仍然不可能 有支持操作系统的环境。
(4)输入输出装置主要用穿孔卡,速度很慢。
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第二代计算机：1958-1964年
1947年贝尔实验室发明了晶体管，从而在20世纪50年代引发了一场电子革命。 电子计算机的第一个主要改变就是用晶体管代替了电子管。
晶体管是第二代计算机的标志。
第二代计算机采用了更复杂的算术逻辑单元和控制器， 使用了搞基编程语言，并为计算机提供了系统软件。
这个时期出现了数据设备公司（DEC）。 DEC 建立于1957年，同年开发了他们第一台计算机PDP-Ⅰ。
IBM7049：
从1952年出现700系列到1964年7000系列的最后一个产品，IBM的产品经理了计算机产品的典型演变历程，每个产品的后续产品都有更高的性能、更大的容量或者更低的价格。
IBM7049和IAS计算机的最大区别是IBM7049使用了数据通道（data channel)。数据通道是独立的I/O模块，具有自己的处理器和指令集。 在带有数据通道的计算机中， CPU不执行具体的I/O指令。这些指令被房子存储器中，由数据通道本省的专用处理器执行。这种方式减轻了CPU的处理负担。
第二代计算机的特点是:
(1)用晶体管代替了电子管,晶体管有体积小、重量轻、发热少、耗电省、速度快、功 能强、价格低、寿命长等一系列优点。用它作为开关元件,使计算机结构与性能都发生了 很大变化。
(2)普遍采用磁心存储器作主存,并且采用磁盘与磁带作辅存,使存储容量增大,可靠 性提高,为系统软件的发展创造了条件,开始是监控程序,后来发展成操作系统。
(3)作为现代计算机体系结构的许多意义深远的特性相继出现,例如变址寄存器、浮点 数据表示、间接寻址、中断、I/O 处理机等。
(4)程序设计语言大发展,先是用汇编语言代替了机器语言,接着又出现了高级语言FORTRAN、COBOL。
(5)应用范围进一步扩大,除了以批处理方式进行科学计算外,开始进入实时过程控制 和数据处理领域。批处理的目的是尽可能提高 CPU 的利用率。输入输出设备也在不断改 进,但是多采用脱机(off-line)方式工作,以免浪费 CPU 的宝贵时间。
第三代计算机：1964 —1974 年
第三代计算机采用半导体中小规模集成电路作为逻辑元件。由于集成电路体积更小, 耗电更省,寿命更长,可靠性更高,这使得第三代计算机的总体性能较之第二代计算机有了大幅度的跃升。计算机系统结构也有了很大改进,在商品计算机设计上出现了标准化、 通用化、系列化的局面。软件技术也日趋完善,并有了操作系统。此外，计算机的应用进 入到许多科学技术领域。
集成电路是将整个电路安装在很小的硅片上而不是用分离元件搭成的等价电路。
第三代计算机的特点是:
用集成电路取代了晶体管,最初是小规模集成电路,后来是大规模集成电路(图 2.21)。相对于晶体管体积更小、耗电更省、功能更强、寿命更长。芯片几乎永不失效, 缺点是在抗损坏性方面十分脆弱。
用半导体存储器淘汰了磁心存储器,存储器也集成化了。它与处理器具有良好的相 容性。存储容量大幅度提高,为建立存储体系与存储管理创造了条件。
普遍采用了微程序设计技术,为确立富有继承性的体系结构发挥了重要作用,第三 代计算机为计算机走向系列化、通用化、标准化作出了贡献。
系统软件与应用软件都有很大发展,由于用户通过分时系统的交互作用方式来共享 计算机资源,因此操作系统在规模和复杂性方面都有很快发展。为了提高软件质量,出现 了结构化、模块化程序设计方法。
为了满足中小企业与政府机构日益增多的计算机应用,在第三代计算机期间,开始出现第一代小型计算机(minicomputer)，如 DEC 的 PDP-8。
IBM System/360
IBM 公司在 1961 年 12 月提出了“360 系统计划”。1964 年 4 月 7 日 IBM 公布了 360 系统，成为计算机发展史上的一个重要的里程碑。IBM 公司为此投资 50 亿美元,到 1965 年 360 系统的各种型号陆续投放市场，共售出 33000 台，这促使大多数早先的商用计算机被废弃，对计算机工业产生了相当 大的冲击。
PDP-8
DEC 公司(Digital Equipment Corporation),即数据设备公司。该公司 1959 年展示了它的第一台计算机 PDP—1，以后又推出了 PDP-5、PDP-8，成为商用小型机的成功版本，它 们是 12 位字长的机器，结构简单，售价低廉。进入 20 世纪 70 年代后,该公司又陆续开发了 PDP—11 系列、VAX-11 系列等 32 位小型机,使 DEC 成为小型机霸主。
第四代计算机：1974 年一
采用大规模集成电路作为逻辑元件是第四代计算机的主要特征。这个时期是计算机发展最快、技术成果最多、应用空前普及的时期。
自进入第四代计算机以来,计算机的硬件与软件技术都获得了惊人的发展。计算机系统向微型化、巨型化、网络化和智能化的方向发展,计算机的系统软件的功能日趋完善, 规模越来越大、应用软件的开发日趋简便。多媒体技术的兴起引起计算机应用领域的革命, 人们利用声音、符号、图形、图像即可开发计算机的应用。在网络技术的支持下,信息表 达工具(电话、电视、终端)、信息处理工具(计算机)和信息传输工具(有线通讯、无线通讯 及卫星通讯)巳趋于一体化,为人类方便地处理信息开辟了更广阔的前景。
第四代计算机的特点是:
(1)用微处理器(microprocessor)或超大规模集成电路 VLSI 取代了普通集成电路。这是具有革命性的变革,出现了影响深远的微处理器冲击。
(2)从计算机系统本身来看,第四代机是第三代机的扩展与延伸,存储容量进一步扩大, 输入采用了 OCR(字符识别)与条形码,输出采用了激光打印机,以及引进光盘和新的程序设计语言 Pascal、Ada。
(3)微型计算机(microcomputer)异军突起，席卷全球，触发了计算技术由集中化向分散化转变的大变革。许多大型机的技术直接转移进入微机领域,使计算机世界出现一派生机 勃勃的景象。
(4)数据通信、计算机网络、分布式处理有了很大的发展，计算机技术与通信技术相结合正改变着世界的技术经济面貌。Internet、广域网(WAN)、城域网(CAN)和局域网(LAN)正把世界各地紧密地联系在一起。
(5)由于特殊应用领域的需求，在并行处理与多处理领域正积累着重要的经验,为未来 的技术突破创造着条件。例如图像处理领域、人工智能与机器人领域、函数编程领域、超 级计算领域都是人们越来越感兴趣的领域。
英特尔(Intel)公司于 1968 年成立。1969 年,以 霍夫(Ted Hoff)博士为首,建立了为一家日本公司设计袖珍计算器芯片的小组。1971 年第 一代微处理器 4 位芯片 Intel4004 问世，它在 4.2mmX3.2mm 的硅片上集成 了 2250 个晶体管组成的电路，其功能与 ENIAC 相仿。1972 年推出第二代微处理器 8 位芯 片 Intel 8008，1974 年推出后继产品 8080,1975 年 Altair 公司利用这种芯片制成了微型计算机。
计算机的发展趋势
从类型上看,计算机正向巨型化、微型化、网络化和智能化这几个方向发展。
微型化和巨型化：
近几年,计算机制造技术朝着两极方向发展:一个方向是体积越来越小,陆续出现了 笔记本电脑和掌上电脑;另一个方向是功能越来越强,出现了每秒运算数万亿次的巨型计算机。计算机的微型化能更好地促进计算机的广泛应用,计算机的巨型化能解决一些特别复杂的攻关难题。巨型计算机的研制水平,是衡量一个国家的科学技术和工业发展的水平, 是一个国家综合实力的标志;而中小型和微型计算机的生产水平及普及程度,则反映出了一个国家信息现代化的进程(图 2.25)。
巨型化并不是指计算机的体积大,而是指运算速度高、存储容量大、功能更完善的计算机系统。自计算机诞生之日起,应用对计算速度的无限要求,永远是摩尔定律难以满足的。从某种意义上来说,计算机的历史就是一部不断追求计算速度的历史。这种速度的典型应用是生命科学研究、宇宙演化、气象数字预报、石油勘探地层模拟、航空航天器模拟、大型工程设计、以及制造业产品创新等。在这些涉及大型复杂计算的领域里,必须高性能计算机才能担此重任。
计算机的微型化得益于大规模和超大规模集成电路技术的飞速发展。应用集成电路技术可将计算机中的核心部件(运算器和控制器)集成在一块大规模或超大规模集成电路芯片上,作为中央处理单元(CPU),也称为微处理器,从而才使计算机作为“个人计算机”走进千家万户成为可能。PC的出现极大促进了计算机的普及,以至时代周刊在 1982 年将当年的新闻人物评为个人计算机 PC。微处理器自 1971 年问世以来,发展非常迅速,几乎每隔两三年就会更新换代一次,这也使以微处理器为核心的微型计算机的性能不断跃升。现 在,除了放在办公桌上的台式微机外,还有可随身携带的笔记本计算机,以及可以拿在手 上进行操作的掌上电脑等。
网络化：
社会中的各种成分是相互联系、相互依存的,实现网络化,才能真正做到资源共享, 计算机才能在社会发展、经济建设中发挥更重要的作用。尤其是这些年因特网的发展,正深刻地改变着人们的生活和工作方式因特网和使用因特网的网民带 给世界的影响是深远的,世界的历史不再只是为人的传记,成千上万的网民正在书写历史, 改变着世界,也改变着世界变化的方式,以至于美国著名的《时代》周刊将 2006 的时代 风云人物评为使用或将要使用因特网的人――YOU。
众多计算机通过互联,形成了一个规模庞大、功能多样的网络系统, 从而实现信息的相互传递和资源共享。今天,网络技术已经从计算机技术的配角地位上升到与计算机技术紧密结合、不可分割的地位。与网络技术紧密相连的是网络文化的出现对人类社会带来的冲击影响也是前所未有的。正如因特网的先驱戴夫•克拉克所说:“与其说网络是互相连接的计算机,不如说他们连接了使用计算机的人。因特网最大的成功不是技术的突破,而是它对人类社会的巨大影响”。
智能化：
到目前为止,计算机处理过程化的计算工作、事务处理工作已经达到了相当高的水平, 是人力望尘莫及的,但在智能性工作方面,计算机还远远不如人脑。如何让计算机具有人脑的智能,模拟人的推理、联想、思维等功能是计算机技术的一个重要发展方向。
计算机的智能化就是要求计算机具有人的智能,即让计算机能够进行图像识别、定理 证明、研究学习、探索、联想、启发和理解人的语言等,它是新一代计算机要实现的目标。目前正在研究的智能计算机是一种具有类似人的思维能力,能“说”、“看”、“听”、 “想”、“做”,能替代人的一些体力劳动和脑力劳动的机器,俗称为“机器人”。机器人技术近几年发展得非常快,并越来越广泛地应用于我们的工作、生活和学习中。
Intel产品系列的发展
8080:世界上第一台通用微处理器。它是8位机,存储器的数据通路为8位。8080曾用于第一台个人计算机 Altair
8086:比8080更强大的16位微处理器。除了更宽的数据通路和更大的寄存器外,8086还支持指令高速缓存(或称为队列),在指令被实际执行之前,它能预取几条指令。这种处理器的一个变形是8088,8088曾用于IBM公司的第一台个人计算机,并确保了的成功。8086标志着x86体系结构的首次出现。
80286:它是8086的扩展产品,可以寻址16MB的存储器,而不是1MB存储空间。
80386: Intel的第一个32位机器,是一个有重大改进的产品。其32位的体系结构,使80386的复杂程度和功能可以与几年前推出的小型机和大型机相媲美。80386是 Intel公司第一个支持多任务的处理器,即它能够同时运行多个程序。
80486:80486采用了更为复杂、功能更强的高速缓存技术和指令流水线技术。它的内置式的数学协处理器,减轻了主处理器的复杂算术运算的负担。
Pentium:从 Pentium开始, Intel推出了超标量技术,它允许多条指令并行地执行。
Pentium Pro: Pentium Pro继续推进由 Pentium开始的超标量结构,极富进取性地使用了包括寄存器重命名、分支预测、数据流分析、推断执行等技术。
PentiumⅡ:融入了专门用于有效处理视频、音频和图形数据的 Intel MMX技术。
PentiumⅢ:融入了一些附加的浮点数指令,以便支持三维图形软件。
Pentium4:包括了另一些浮点指令,并对其他多媒体应用进行了增强。
Core:这是第一款具有双核的Intel x886处理器,涉及在单芯片上双处理器的实现。
Core2:Core2将体系结构扩展到64位。Core 2 Quad在单芯片上提供了4个处理器。
Intel86体系结构自1978年推出至今已有30多年,它一直统治着除嵌入式系统之外的处理器市场。虽然x86机器的组成和技术在几十年间发生着戏剧性的变化,但其指令集结构一直保持着向后兼容其早期的版本,因此,任何写于x6体系结构早期版本的程序都可以在其更新的版本上运行。所有对指令集结构的改变都是添加指令集,而不是减少指令集。30多年来,指令集的变化速度大约是每月增加1条其他指令,因此,目前x86指令集有500多条指令。
Intel x86极好地说明了过去30多年来计算机硬件的发展。1978年推出的8086,其时钟频率为5MHz,包含29000个晶体管。而2008年推出的4核Core2,其主频为3GHz,是8086的600倍;它包含8.2亿个晶体管,大约是8086的28000倍。然而,Core2只是比8086的封装稍微大一点,且价格可比。
KEYWORDS
累加器：accumulateor
芯片：chip
数据通道：data channel
嵌入式系统：embedded system
集成电路：integraed circuit
微处理器：microprocessor
多核：multicore
原始设备制造商：original equipment manufacturer
存储程序式计算机：stored program computer
冯·诺依曼计算机：von Neumann machine
