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物理电子学
摘要：计算机硬件的性能直接决定着计算机的性能。计算机硬件的发展大致经历了机械计算机、电子计算机、晶体管计算机、集成电路时代，功能越来越强，性能越来越高，技术越来越完善。木星合月
关键词：计算机，硬件，发展历程，性能
1计算机的诞生
1．1诞生历程
现代计算机问世之前，计算机的发展经历了机械式计算机、机电式计算机和萌芽期的电子计算机三个阶段。
从17世纪初开始，欧洲一批数学家已经开始设计和制造能进行简单数学运算的机器。最初，1614年苏格兰人John Napier发表了一篇论文，其中提到他发明了一种可以计算四则运算和方根运算的精巧装置，不久后有了计算尺的发明。1642年，著名的法国数学家帕斯卡在计算尺的基础上，采用与钟表类似的齿轮传动装置，制成了最早的十进制加法器，可以进行加减运算，一般认为这是第一台机械式计算机，如图1.1所示。1678年，德国数学家莱布尼茨制成的演算机，进一步解决了十进制数的乘、除运算。1822年，英国人巴贝奇设计了能根据数学议程进行运算的差分机，后来又于1834年提出分析机的设想。在这之后的一百多年，伴随着电磁学、电工电子学不断取得重大进展，现代计算机的雏形逐渐形成。
图1.1帕斯卡的加法器
1．2电子计算机的诞生
20世纪30年代，随着数学和物理等科学技术的蓬勃发展，数值分析得到重视，大量的运算迫切需要能替代人工运算的先进计算机。第二次世界大战爆发前后，军事科学技术对高速计算工具的需要非常迫切，比如导弹弹道问题就需要大量的科技人员去计算，电子计算机就是在这样的背景下诞生的。
第一台真正意义上的计算机诞生于1946年，是宾夕法尼亚大学物理学家谟克利和工程师埃克特领导数人花时3年多研制而成的，并被命名为ENIAC。这台计算机含有电子管18000个，电阻和电容数万个，占地170平方米，功率为25千瓦，最初是用于计算导弹弹道和的研制。当ENIAC公开展示时，一条炮弹的轨迹用20s就能算出，比炮弹本身的飞行时间还要短。
2计算机硬件的发展历史
2.1硬件简介
硬件系统通常指机器的物理系统，是看得到、摸得着的物理器件。现在我们所使用的计算
机硬件系统的结构基本是沿用了由著名数学家冯·诺依曼提出的模型，它由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大功能部件组成，如图2.1所示。当我们打开计算机的机箱时，可以看到主机板，它是主机中的基础部件，在它上面密集地安装着CPU、内存储器，输入输出接口等。一台计算机的硬件的核心是CPU，它一般是将运算器、控制器配以寄存器组集成在一块芯片上。
图2.1 硬件系统基本组成和工作原理
2.2计算机硬件的发展
2.2.1计算机硬件发展综述
现代计算机的硬件发展经历了电子计算机、晶体管计算机、集成电路时代以及大规模和超大规模集成电路时代这四个重要阶段。每个阶段的基本性能和特点如表2.2.1所示。计算机的发展遵从著名的摩尔定律，即当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，经过时间的检验，这个定律是正确的，而且据估计至少在10年内计算机的发展还会是这样的一个规律。
表2.2.1计算机硬件发展历程
代别 | 第一代 1946-1958 | 第二代 1959-1964 | 第三代 1965-1970 | 第四代 1971至今 |
电子器件企业所有制性质 | 电子管 | 晶体管 | 集成电路 | 大规模和超大规模集成电路 |
存储器 | 水银延迟线 磁鼓、磁芯 | 一家十一口打一字 磁盘、磁带 磁鼓、磁芯 | 半导体存储器 磁盘、磁带 | 半导体存储器 磁盘、光盘 |
摩洛哥和葡萄牙预测运算速度 | 5000-几万 | 几十万-百万 | 百万-几百万 | 几百万-几亿 |
处理方式 | 机器语言 汇编语言 | 汇编语言 算法语言 | 操作系统 一针见血的意思实时处理 | 分时处理 网络操作系统 |
应用领域 | 科学计算 | 数据处理 | 实时控制 | 各种行业 |
代表 | ENIAC | IBM 7090 | IBM 360 | IBM PC |
2.2.2各代计算机硬件介绍
第一代电子计算机的典型代表是UNIVAC，它是用电子管制作电子元件的计算机，使用汞延迟线作存储设备，后来逐渐过渡到用磁芯存储器，输入、输出设备主要是用穿孔卡片，体积庞大，功耗也很大。第一台真正意义的计算机ENIAC也是这一类型，虽然这时的计算机能解决一些计算问题，但由于造价昂贵，体积庞大，难以实现大规模生产，得不到广泛使用，这一时期的计算机基本上是用于军事科技。
晶体管的发明带来了计算机硬件的飞跃发展，由于晶体管较真空管具有巨大优势，计算机开始使用晶体管制造电子元件，计算机发展开始进入晶体管时代。晶体管计算机无论是功耗还是体积都大大降低，可靠性和计算能力也大为提高。第二代计算机用磁芯制造内存，利用磁鼓和磁盘取代穿孔卡作为主要的外部存储设备。在这一时期，美国德克萨斯州仪器公司的工程师基尔比在一块半导体硅晶片上将电阻、电容等分立元件集成在里面，制成世界上第一片集成电路，这也为基尔比赢得了2000年的诺贝尔物理学奖，并且也为后来的大规模集成电路奠定了基础。
第三代计算机使用集成电路代替晶体管，使用硅半导体制造存储器，磁盘成了不可缺少的
辅助存储器，并且开始普遍采用虚拟存储技术。随着各种半导体只读存储器和可改写的只读存储器的迅速发展，以及微程序技术的发展和应用，计算机系统中开始出现固件子系统。
黄渤1967年和1977年分别出现了大规模和超大规模集成电路。由大规模和超大规模集成电路组成的计算机，被称为第四代计算机。美国ILLIAC-IV计算机，是第一台全面使用大规模集成电路作为逻辑元件和存储器的计算机，它标志着计算机的发展已到了第四代。这个时期逐渐出现了CPU，声卡，显卡，内存，主板，硬盘等这些我们熟悉的电脑硬件。至此，计算机开始具备了我们现在所使用的电脑的基本构造和功能。第四代计算机的另一个重要分支是以大规模、超大规模集成电路为基础发展起来的微处理器和微型计算机。芯片集成度提高了，计算机的体积迅速缩小，以80386微处理器为例，在面积约为10mm *l0mm的单个芯片上，可以集成大约32万个晶体管，其集成度可见一斑。
在电子管时代，一些计算机配置了汇编语言和子程序库，高级语言只是处在开发初期。在晶体管计算机阶段，事务处理的COBOL语言、科学计算机用的ALGOL语言以及符号处理用的LISP等高级语言开始进入实用阶段。这时操作系统初步成型，使计算机的使用方式由
手工操作改变为自动方式。进入集成电路时代以后，计算机中形成了相当规模的软件子系统，高级语言种类进一步增加，操作系统日趋完善，具备批量处理、分时处理、实时处理等多种功能。
2.3硬盘和CPU的发展简介
2.3.1硬盘的发展
1956年，IBM公司开发的IBM 350 RAMAC是现代硬盘的鼻祖，它有两个冰箱那么大，储存容量只有5MB。1973年IBM 3340问世，存储容量达到30MB，到这时，硬盘的基本架构被确立。
80年代末，IBM公司推出MR技术令磁头灵敏度大大提升，使得储存密度提高了数十倍，该技术为硬盘容量的巨大提升奠定了基础。1991年，IBM应用该技术开发出了首款3.5英寸的1GB硬盘。1970年到1991年，硬盘盘片的储存密度以每年25%的速度增长，但自从有了MR技术，从1991年开始增长到70%。后来，IBM公司又研究出GMR技术，使得存储密度的增长速度达到100%，甚是更高。
2005年日本日立和美国希捷公司宣布采用磁盘垂直写入技术，原理是将平行于盘片的磁场方向改变为垂直，可以更充分地利用储存空间。日立公司在2010年推出5000G硬盘，等同半个人脑的存储量，可以想象其存储能力之强。
2.3.2 CPU的发展
CPU的发展非常迅速，PC机从8088发展到现在的Pentium 4时代，经过了不到二十年的时间。最初的8088集成的晶体管数不到三万，而PentiumⅢ的集成度超过了2500万个晶体管；至于CPU的运行速度，8088是0.75MIPS，到高能奔腾时已超过了1000MIPS。
1971年10月，美国Inter公司首先推出了实现4位并行运算的单片芯片，把构成运算器和控制器的所有原件都集成在一片大规模集成电路芯片上，这便是第一片微处理器，命名为Inter 4004。次年，8位处理器被研制成功。1978年，Inter公司推出Inter 8086，这是首款16位微处理器，也是第三代微处理器的起点。如今，微处理器的位数已经达到64位，处理速度及其它性能已经与过去不可同日而语了。
3计算机硬件的发展前景
现代计算机的发展正朝着巨型化、微型化的方向发展，计算机的传输和应用正朝着网络化、智能化的方向发展。简单来说，巨型化是指高速运算、大存储量和功能强化；微型化是指体积微型化；网络化是指利用通信技术和计算机技术的结合，实现数据和信息资源的共享；智能化是要求计算机能模拟人的感觉和思维能力。现在的计算机相对来说已经十分先进，但诸如原子反应堆事故和核聚变反应的模拟实验、飞行器的风洞实验、天气预报、地震预测等要求极高的计算速度和精度，都远远超出电子计算机的能力极限。而且我们都知道集成电路的发展已接近尾声，摩尔定律不能一直适用，这是由三极管等电子元器件的物理特性决定的，要想获得性能和功能上的突破，必须有新的技术。目前前景广泛看好的技术有几种，有时也被认为是第五代计算机，如表3.1所示。
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