付華

摘要：從1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生至今，計(jì)算機(jī)已經(jīng)風(fēng)風(fēng)雨雨走過(guò)了近70年，這70年間，計(jì)算機(jī)慢慢向著運(yùn)算速度快、精度高、存儲(chǔ)和記憶能力強(qiáng)、具有邏輯判斷能力和高自動(dòng)化程度發(fā)展，是計(jì)算機(jī)硬件的迅猛發(fā)展使得這一切成為了可能，主要介紹了計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備、元器件、處理器的發(fā)展歷史，為把握計(jì)算機(jī)未來(lái)發(fā)展的脈搏提供了依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；硬件；發(fā)展；處理器；存儲(chǔ)設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）13-0249-02

計(jì)算機(jī)硬件是指由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種電子、光電原件以及機(jī)械等組合而成的各種裝置所組成的有機(jī)整體，而這一有機(jī)整體是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能要求為前提的，從而為計(jì)算機(jī)軟件的運(yùn)行提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)程序的控制之下進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和輸入輸出等任務(wù)[1]。

就計(jì)算機(jī)硬件組成而言，計(jì)算機(jī)制造技術(shù)自1946年ENIAC研制成功以來(lái)其基本硬件結(jié)構(gòu)依舊沿襲馮.諾伊曼的傳統(tǒng)框架，即輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器五大基本構(gòu)件組成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，即使計(jì)算機(jī)已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

1 計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展史

1.1以計(jì)算機(jī)元器件為象征的發(fā)展史

根據(jù)計(jì)算機(jī)所使用的主要器件，即電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路來(lái)劃分的話，相應(yīng)的計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展便大致可分為四代，即

第一代計(jì)算機(jī)（20世紀(jì)40-50年代），以1946年ENIAC的研制成功為標(biāo)志。第一代計(jì)算機(jī)都建立在電子管基礎(chǔ)上，其缺點(diǎn)包括耗電量大、體積大、運(yùn)算速度慢。

第二代計(jì)算機(jī)（1959-1964）。第二代計(jì)算機(jī)拋棄了電子管而使用晶體管，晶體管具有壽命長(zhǎng)、重量輕、體積小和速度快的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于第一代計(jì)算機(jī)在性能和結(jié)構(gòu)方面都有了很大的進(jìn)步。以50年代末美國(guó)菲爾克公司研制成功的第一臺(tái)大型通用晶體管計(jì)算機(jī)為標(biāo)志。

第三代計(jì)算機(jī)（1965-1970），第三代計(jì)算機(jī)更進(jìn)一步，利用集成電路，而非晶體管和電子管。其以IBM公司研制成功的360系列計(jì)算機(jī)為標(biāo)志。

第四代計(jì)算機(jī)（1971-至今）第四代計(jì)算機(jī)最為顯著的特征是利用了大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路[2]，其以英特爾公司研制的第一代微處理器英特爾4004為代表，。

1.2以計(jì)算機(jī)處理器為代表的發(fā)展史

中央處理器CPU對(duì)于整個(gè)計(jì)算機(jī)的重要性不言而喻，因此其改進(jìn)也通常被認(rèn)為是整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)進(jìn)步的重要指標(biāo)。雖然處理器的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段，但是可將其發(fā)展大致劃分為兩個(gè)較明顯的時(shí)代：即從1970年到2005年的單核時(shí)代和2006年開(kāi)始進(jìn)入的全新多核時(shí)代，在單核時(shí)代，CPU的明顯特征就是唯主頻論，而多核的出現(xiàn)標(biāo)志著以主頻論英雄的時(shí)代正式結(jié)束。

CPU可以溯源到1971年，1971年11月15日，英特爾公司推出了世界上第一臺(tái)擁有2300個(gè)晶體管的微處理器4004，雖然具有速度很慢和功能有限的缺點(diǎn)，但畢竟是用于計(jì)算機(jī)的第一個(gè)4位微處理器。此后，英特爾公司推出了一系列處理器，如在1972年4月推出8080處理器和68000處理器，其主頻分別為2MHz和8MHz，每秒分別處理50萬(wàn)條指令和70萬(wàn)條指令；1978年6月推出的8086處理器、68000處理器和68020處理器，其主頻分別為8MHz、16MHz和16MHz，每秒分別處理80萬(wàn)條、130萬(wàn)條和260萬(wàn)條指令；1982年4月推出80286、68030、386SX、68030和386DX處理器，其主頻分別為12MHz、16MHz、20MHz、25MHz、40MHz和33MHz，每秒分別處理270萬(wàn)條、390萬(wàn)條、600萬(wàn)條、630萬(wàn)條、1000萬(wàn)條和1000萬(wàn)條指令；在1989年4月推出486DX、486DX2-50和486DX4/100處理器，其主頻分別為25MHz、50MHz、100MHz，每秒分別處理2000萬(wàn)條、3500萬(wàn)條、6000萬(wàn)條指令；在1993年3月分別推出Pentium處理器，其主頻分別有66MHz、133MHz和233MHz，每秒分別處理1億條、2.4億條和4.35億條指令；在1997年5月推出了PentiumⅡ處理器，其主頻包括233MHz和333MHz，每秒分別處理5.6億條指令和7.7億條指令；在1999年7月推出了PentiumⅢ處理器，最初時(shí)鐘頻率在450 MHz以上，總線速度在100 MHz；在2000年7月推出Willamette的Pentium4，外頻為400 MHz，其主頻從1.4G Hz起步[3]。這也印證了Intel公司創(chuàng)始人之一戈登·摩爾的經(jīng)驗(yàn)法則，即計(jì)算機(jī)處理器發(fā)展的摩爾定律：微處理器的處理能力每18個(gè)月到24個(gè)月將增加一倍。

而就多核處理器而言，早在上世紀(jì)末惠普公司就提出了雙核處理器概念，從2006年開(kāi)始，處理器領(lǐng)域已進(jìn)入了全新的多核時(shí)代，此后的CPU將會(huì)開(kāi)啟雙核乃至多核的新紀(jì)元。多核設(shè)計(jì)的諸多優(yōu)點(diǎn)包括提供更強(qiáng)的并行處理能力、更高的計(jì)算速度和更低的時(shí)鐘頻率、為摩爾定律帶來(lái)新的生命力以及又大大減少了散熱和功耗。

1.3以計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器為代表的發(fā)展史

內(nèi)存一般采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)單元，包括隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM），只讀存儲(chǔ)器（ROM）以及高速緩存。其中RAM是最重要的存儲(chǔ)器。而RAM又包括動(dòng)態(tài)隨機(jī)存貯器和靜態(tài)隨機(jī)存貯器兩種。SRAM具有速度很快且不用刷新即能保存數(shù)據(jù)不丟失的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，其內(nèi)部需要使用更多的晶體管構(gòu)成寄存器來(lái)保存數(shù)據(jù)，所以采用的硅片面積相當(dāng)大，制造成本也相當(dāng)高，所以其目前僅限應(yīng)用于比主內(nèi)存小得多的緩存上。而SRAM曾經(jīng)是一種主要內(nèi)存，利用雙穩(wěn)態(tài)電路形式來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，但隨著英特爾公司在CPU中整合入L2高速緩存后，SRAM逐漸將應(yīng)用重心轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、路由器、數(shù)字移動(dòng)電話等上，才勉強(qiáng)得以繼續(xù)生長(zhǎng)，而這主要是因?yàn)槭チ俗畲髴?yīng)用需求來(lái)源。

1.3.1 同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器

DRAM，基本結(jié)構(gòu)只包括一個(gè)電容和MOS管，具有集成度高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低等的優(yōu)點(diǎn)，相比于靜態(tài)RAM其構(gòu)成要簡(jiǎn)單得多，因而我們應(yīng)用的內(nèi)存大多是由DRAM構(gòu)成的，且DRAM更適合制造大容量存儲(chǔ)器。DRAM可分為同步內(nèi)存和異步內(nèi)存兩種，其分類(lèi)是根據(jù)內(nèi)存訪問(wèn)時(shí)是否能跟系統(tǒng)時(shí)鐘同步。多數(shù)位于北橋芯片組中的內(nèi)存控制電路用于指定將訪問(wèn)哪一塊存儲(chǔ)體，具體的方式是通過(guò)發(fā)出行地址選擇信號(hào)（RAS）和列地址選擇信號(hào)（CAS）來(lái)指定。SDRAM之前的Extended Data Out（擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出）內(nèi)存具有存取速度高的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到60ns，使存取速度提高了30%，而主要是因?yàn)槠淙∠酥靼迮c內(nèi)存兩個(gè)存儲(chǔ)周期之間的時(shí)間間隔，每隔2個(gè)時(shí)鐘脈沖周期傳輸一次數(shù)據(jù)。EDO內(nèi)存的速度同樣會(huì)出現(xiàn)跟不上的狀況，該狀況出現(xiàn)于系統(tǒng)的速度逐漸增加甚至當(dāng)66MHz頻率成為總線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，此時(shí)由于CPU總要等待內(nèi)存的數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響了性能，內(nèi)存成了制約其發(fā)展的瓶頸，因此同步系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的SDRAM便出現(xiàn)了。

SDRAM（同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）相比于DRAM和EDO來(lái)講，能夠大大提高存取效率，縮短存取時(shí)間。這是由于其時(shí)鐘頻率與CPU前端總線的時(shí)鐘頻率相同。其中“同步”是指其時(shí)鐘頻率與CPU前端總線的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率相同，并且數(shù)據(jù)的傳輸和內(nèi)部命令的發(fā)送都以該頻率為準(zhǔn)；“動(dòng)態(tài)”是指為保證所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不丟失存儲(chǔ)陣列需要不斷地刷新，“隨機(jī)”是指數(shù)據(jù)自由指定地址進(jìn)行讀寫(xiě)數(shù)據(jù)而非線性一次存儲(chǔ)。

1.3.2 雙通道同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器

起初電腦所使用的內(nèi)存是焊接到主機(jī)板上的一塊塊IC，隨后發(fā)展為模塊化的條狀內(nèi)存，相應(yīng)地主板設(shè)計(jì)為內(nèi)存插槽，從而內(nèi)存條實(shí)現(xiàn)了隨意拆卸，這樣極大地方便了內(nèi)存的維修和擴(kuò)充。內(nèi)存發(fā)展史上另一個(gè)里程碑式的事件是Rambus公司最早推出的一種內(nèi)存規(guī)格—Rambus Dram，該內(nèi)存是英特爾公司在連續(xù)推出PC100和PC133而其800MB/s和1064MB/s的帶寬差強(qiáng)人意的情況下為了占據(jù)市場(chǎng)與Rambus公司聯(lián)合推廣的。與同步系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的SDRAM相比它采用了一種不同的架構(gòu)，內(nèi)存架構(gòu)簡(jiǎn)單且快捷，它基于RISC（reduced instruction set computing）理論，該理論是一種類(lèi)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)理論，該理論在減少數(shù)據(jù)復(fù)雜性的優(yōu)勢(shì)下提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。Rambus理論帶寬達(dá)到了1.6GB/s，其實(shí)際速度為400MHz×2=800MHz，相當(dāng)于PC100的兩倍。這主要源于可以同時(shí)在上升沿和下降沿傳輸數(shù)據(jù)，Rambus Dram雖然有其優(yōu)點(diǎn)，但是由于其要收取相應(yīng)的版權(quán)費(fèi)，同時(shí)價(jià)格較為昂貴且工藝復(fù)雜，因此其他廠家提出了我們至今最主流的內(nèi)存條—DDR內(nèi)存，而DDR內(nèi)存是基于Rambus雙向脈沖的特點(diǎn)。

DDR RAM（dual date rate SDRAM），即雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，其實(shí)質(zhì)上也是傳統(tǒng)同步系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的SDRAM的升級(jí)版本，相對(duì)于傳統(tǒng)SDRAM在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)只傳輸一次數(shù)據(jù)而言，DDR RAM之所以能夠成為DDR的數(shù)據(jù)傳輸速度為SDRAM的兩倍，主要是因?yàn)槠淠茉跁r(shí)鐘信號(hào)上升沿與下降沿同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，因此便使得DDR內(nèi)存能達(dá)到更高的數(shù)據(jù)傳輸率，且是與SDRAM在相同的總線頻率下。不僅如此，DDR采用了更先進(jìn)的同步電路，使得數(shù)據(jù)輸送和輸出、指定地址等主要步驟既能與CPU保持完全同步，同時(shí)又能獨(dú)立執(zhí)行，而這一優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)的SDRAM所不具備的。

DDR隨后內(nèi)存又改進(jìn)推出了DDR 2，該新生代內(nèi)存是由電子設(shè)備工程聯(lián)合委員會(huì)開(kāi)發(fā)的內(nèi)存技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，相比于第一代DDR，DDR 2雖然采用了相同的上升/下降沿同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的基本方式，但因其采用了4bit數(shù)據(jù)預(yù)讀取（DDR技術(shù)的預(yù)讀取數(shù)位只有2位），其在每個(gè)時(shí)鐘內(nèi)能夠以4倍外部總線的速度讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)。不僅如此，在時(shí)鐘頻率方面DDR 2也有了較大改進(jìn)，推出了533、667和800MHz等的時(shí)鐘頻率，高端DDR 2甚至能達(dá)到1000MHz的頻率。目前來(lái)說(shuō)DDR 2在市場(chǎng)上應(yīng)用最為廣泛，DDR 3和4雖然已經(jīng)推出，但是其主要在顯卡上廣泛應(yīng)用，其中DDR 3的預(yù)讀取達(dá)到了8字節(jié)，不僅如此，其時(shí)鐘頻率甚至能達(dá)到1600MHz，帶寬則能達(dá)到12.8GB，除此之外，DDR 3還具有更低的延遲時(shí)間和更低的工作電壓，就工作電壓而言，由DDR 2的1.8V降低到1.5V，從而使功耗降低了20%，功耗的降低不僅能明顯降低電子元器件的發(fā)熱量而延長(zhǎng)其使用壽命，對(duì)于筆記本來(lái)講也顯著延長(zhǎng)了其待機(jī)時(shí)間。

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