第二章 计算机的发展及应用本章简要介绍计算机的发展史以及它的应用,使读者对计算机有一个感性的认识. 2.1 计算机的发展史2.1.1计算机的产生和发展1、第一代电子管计算机1943年美国国防部批准了由Pennsyvania大学John Mauchly教授和John Presper Echert工程师提出的制造一台由电子管构成的ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator,电子数字积分器和计算器)的计划,其目的是计算新型火炮的弹道轨迹. ENIAC于1946年2月14日交付使用,它由17468个电子管、6万个电阻器、1万个电容器和6千个开关组成,重达30吨,占地160平方米,耗电174千瓦,耗资45万美元.这台计算机每秒只能运行5千次加法运算. 1945年ENIAC的顾问von Neumann在EDVAC(Electronic Discrete Variable Computer,电子离散变量计算机)计划中首次提出了存储程序的概念.这个思想几乎同时被英国的科学家Turing想到. 1946年,von Neumann在Princeton Institute进行高级研究时,设计了一台存储程序的计算机IAS,虽然IAS直到1952年也未能问世,但IAS的总体结构得到确认,并成为后来通用计算机的原型.图2.1 IAS计算机结构20世纪50年代出现了Sperry和IBM两大制造计算机的公司,IBM公司于1952年推出了程序控制的计算机701,1955年又推出了702,后来形成了700/7000系列,使IBM公司成为计算机制造商的绝对权威. ENIAC诞生后到20世纪50年代末期,世界上主要国家也纷纷研制出不同型号的电子计算机,但在这十多年的时间内,计算机的性能并没有得到奇迹般的提高,直到50年代末,晶体管技术的发展,使计算机遇上第一次大飞跃发展的机遇. 2、第二代晶体管计算机1947年在Bell实验室成功地用半导体硅做基片,制成了第一个晶体管.50年代后出现了一场晶体管代替电子管的革命.使用晶体管技术后使计算机的性能得到大幅度提高. 以IBM于64年问世的晶体管计算机7094为例,与52年问世的电子管计算机701相比,其主存容量从2K提高到32K,存储周期从30μs下降到1.4μs,指令操作码从24条增加到185条,运算速度从每秒上万次提高到50万次.而且7049还采用了数据通道和多路转换器等新技术. 3、第三代集成电路计算机集成电路诞生后,随着小规模集成电路(SSI)和中规模集成电路(MSI)技术的成熟,出现了晶体管计算机,其中最杰出的代表是IBM的System/360和DEC的PDP-8系统. IBM的System/360在体系和结构上均有较大的创新.更重要的是在System/360家族中不同的机型其指令系统保持兼容性,各型机器配有相同或类似的操作系统.同时随着机器档次的提高,机器的速度、存储容量、I/O端口的数量和价格都有所提高. DEC的PDP-8采用总线结构,体积小,价格低(仅16000$),吸引了大量的用户,PDP-8使DEC成为仅次于IBM的第二大计算机制造商. 从1946年的ENIAC到1964年IBM System/360,计算机的发展经历了电子管-晶体管-集成电路三个阶段,通常称作计算机的三代.显然,早期计算机的更新换代主要集中体现在组成计算机的基本电路元器件(电子管、晶体管、集成电路)上.第三代之后,人们没有达成新一代计算机的一致意见. 表2.1 硬件技术对计算机更新换代的影响代 时间 硬件技术 速度(次/秒) 一1946-1957 电子管 40,000二1958-1964 晶体管 200,000三1965-1971 中、小规模集成电路 1,000,000四1972-1977 大规模集成电路 10,000,0001978-现在 超大规模集成电路 100,000,000进入20世纪70年代后,把计算机作为高级计算工具的狭隘观念已被人们逐渐摒弃,计算机已成为一个独立的学科而迅速发展,而且正在改变人类的生活方式,这是由于微处理器的出现、软件技术的完善及应用范围的不断拓宽所带来的必然结果. 2.1.2 微型计算机的出现和发展1971年,Intel公司的工程师Hoff(霍夫)研制成功世界上第一个4位的微处理器芯片4004,它集成了2300个晶体管.4004内部指令是8位的.4004拥有46条指令,1K数据内存和4K程序内存(数据内存和程序内存分开),运行时钟频率达到了740kHz,能进行二进制编码的十进制数学运算.随后英特尔发布了8位的微处理器8008.1974年,英特尔公司在8008的基础上研制出了8080处理器,它拥有16位地址总线和8位数据总线. 1970年Fairchild(仙童)公司制作出第一个半导体存储芯片,能够存储256位二进制信息.1974年后,半导体存储器位密度不断提高,存储芯片的容量经历了1K、4K、16K、64K、256K、1M、4M、16M、64M、128M和256M这几个阶段,与此同时,存储时间和价格显著下降. 微处理器和存储芯片的出现促使微型计算机的出现.1971年Intel公司利用4004设计了MCS-4微型计算机,随后又用8008设计了MCS-8微型计算机.70年代中期以后,相继出现了8080、8085、6502、6800、Z80等高性能的8位微处理器,同期比较有名的微型计算机有Apple-II、CROMEMCO-80等. Intel公司是最有名的微处理器制造商,其典型产品有: 8080:1974年,世界上第一个通用的微处理器,; 8086:1978年,16位,集成度2.9万,地址20位,6字节指令队列,主频4.77MHz,配有协处理器8087. 8088:1979年,准16位(外部8位),集成度2.9万,地址20位,4字节指令队列,主频4.77MHz,可配协处理器8087. 80286:1982年,16位,集成度13.4万,地址24位,可用实际内存16 MB,虚拟内存1GB,主频6-20MHz,配有协处理器80287. 80386:1985年,32位,集成度27.5万,地址32位,可用实际内存4GB,虚拟内存64TB,主频25MHz、33MHz、40MHz、50MHz,配有协处理器80387. 80486:1989年,32位,集成度120万,地址32位,可用实际内存4GB,虚拟内存64TB,主频25MHz、33MHz、40MHz、50MHz、66MHz.使用了复杂的Cache技术和指令流水技术.后期的处理器内部嵌入了协处理器80487. Pentium:1993年,准64位,集成度310万,主频66MHz、100MHz、133MHz、166MHz.采用动态执行RISC/CISC技术、分支预测、指令流分析、推理性执行和二级Cache等技术. PentiumII:1997年,准64位,集成度750万,主频233MHz、266MHz、300MHz、400MHz、450MHz. PentiumIII:1999年,准64位,集成度1200万,主频450MHz、500MHz、550MHz、600MHz、733MHz、800MHz、933MHz、1GHz、1.1GHz. PentiumIV:2001年,准64位,集成度4200万,主频1.6GMHz、1.7MHz、1.8MHz、2.0GHz、2.4GHz、2.6GHz、2.8MHz、3.0GHz、3.6GHz. 从1978年推出的8086处理器以来,几乎每三年处理器的性能提高4-5倍,但计算机的其他部件性能提高的速度要慢得多,因此必须不断调整计算机的组成结构,以弥补不同部件性能不匹配的问题. 2.1.3 软件技术的兴起和发展1、软件发展过程· 机器语言· 汇编语言· 高级语言与语言处理系统· 操作系统· 数据库及数据库系统· 应用软件2、软件发展过程的特点(1) 开发周期长(2) 制作成本昂贵(3) 检测软件产品质量的特殊性2.2 计算机的应用在ENIAC诞生之后的近30年时间里,计算机一直是大学和研究机构的娇贵设备.直到20世纪70年中后期,随着大规模集成电路和超大规模集成电路技术成熟,微处理器技术的提高,微型计算机性能不断提高,而价格不断下降,伴随着计算机软件技术的发展,最终使计算机走出大学和实验室,渗透到各个领域,乃至普通家庭.尤其是近十年来网络技术和Internet技术的迅速发展,使计算机的应用范围从科学计算、数据处理等传统领域扩展到办公自动化、多媒体、电子商务、远程教育等领域,遍及政治、经济、军事、科技,以及个人文化生活和家庭娱乐等各个角落. 2.2.1 科学计算和数字处理1、科学计算科学计算一直是计算机的重要应用领域之一,其特点是计算量大、数值变化范围大. 2、数据处理数据处理也是计算机的重要应用领域之一,其特点是对大量数据进行收集、存储、分析处理、归类整理、统计检索、修改增删等操作,以便获得某种决策数据或趋势,供决策部分参考. 2.2.2 工业控制和实时控制工业控制和实时控制也是计算机的重要应用领域之一.通过各种传感器获得的各种物理信号经过转换成可测控的数字信号后,在经计算机的处理,根据偏差,驱动执行机构进行调整,便可达到控制的目的. 现代工业控制系统通常分为三层:控制层、监控层和管理层,不同的层面完成不同的功能.控制层通过各种传感器来获得各种有效的信号;监控层实现对现场的实时监控与控制;管理层则是对整个系统进行管理,它可以实现对多得现场进行远程
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