【计算机组成原理】计算机的发展及应用

一、电子管和晶体管及集成电路的发明

1.电子管的发明

1877年，爱迪生发明碳丝电灯，应用不久即出现了寿命太短的问题，这是因为碳丝难耐高温，使用不久即告“蒸发”，灯泡的寿命也就完结了。爱迪生设法改进这种电灯，1883年，他忽发奇想：在灯泡内另行封入一根铜线，也许可以阻止碳丝蒸发，延长灯泡寿命。
经过反复试验，碳丝依然蒸发如故，试验宣告失败，但他却从试验中发现了一个稀奇现象：碳丝加热后，铜线上竟有微弱的电流通过！铜线与碳丝并不相连，哪里来的电流？在当时，这是一件不可思议的事情，爱迪生敏感地意识到这是一项新的发现，把它记录在案，命名为“爱迪生效应”，并申报了一个在当时未找到任何实际用途的专利。爱迪生所试验的装有铜丝的碳丝灯泡，实际上就是世界上第一只真空二极电子管。

“爱迪生效应”虽然没有受到爱迪生本人的重视，却引起了英国电气工程师弗莱明（J.Fleming）的极大兴趣。弗莱明在马可尼电报公司工作时，一直在寻求一种可靠的检波手段。“爱迪生效应”启发了他，他认识到如果在真空灯泡里装上碳丝和铜板，分别充当阴极和阳极，则灯泡里的电子就能实现单向流动，那么就可以实现一个有效检测微弱电报信号的检波器了。
经过反复试验，弗莱明于1904年研制出一种能够充当交流电整流和无线电检波的特殊“灯泡”，他把这项发明称为“热离子阀”，阀是开关的意思，并为它申请了专利。这就是世界上第一只电子管，也就是人们后来所说的真空二极电子管。
弗莱明发明的这只真空二极电子管与爱迪生那只封入铜丝的碳丝灯泡相比，几乎同出一辙，然而弗莱明的真空二极电子管在科学技术史上的意义却远远超过爱迪生的那只电灯泡。真空二极电子管的发明标志着人类进入了无线电时代。真空二极电子管发明后主要用作检波器件，但是早期由于其性能很不稳定，直到高真空电子管发明后，它才获得普遍应用。

弗莱明发明的真空二极电子管主要用作整流和检波，而不具有放大作用。如果没有放大作用，那么电子技术和半导体技术的巨大潜力就无从发挥。
1906年，美国发明家德·福雷斯特在真空二极电子管的阴极和阳极之间添加了一个栅栏式的金属丝网，形成第三个极，该金属丝网后来被称作“栅极”。这个“栅极”仿佛就像百叶窗那样，在栅极上加电压，就能控制阴极与阳极之间的电子流。栅极上的电压变化会引起阴极和阳极之间电子流产生相应的变化，此电流经过外电阻后，能实现电压放大作用。德·福雷斯特为这“三个极”的真空管（取名为“Audion，奥迪恩”）申请了专利，并宣告真空三极电子管具有放大作用。
早期的真空三极电子管真空度不高，性能不是很稳定，因此它在放大、检波等方面的实际应用进展缓慢。1912年，美国通用电气公司的化学家兰茂尔和美国电话电报公司的阿诺德研制出高真空的三极电子管，使其放大倍数大幅度提高，工作性能更加稳定，从此，真空三极电子管进入了实用阶段。
真空三极电子管的发明和应用在电子技术史上具有划时代的意义，它为通讯、广播、电视、计算机等技术的发展铺平了道路，并奠定了近代电子工业的基础。

2.晶体管的发明

电子管的问世推动了无线电电子学的蓬勃发展，但是不可否认的是，电子管十分笨重，能耗大、寿命短，其制造工艺也十分复杂。第二次世界大战中，电子管的缺点更加暴露无遗：处理高频信号的效果不理想，移动式军用设备上使用的电子管不仅笨拙而且易出故障。因此，电子管问世不久，由于其本身固有的弱点和战争的迫切需要，促使人们努力寻找替代电子管的新型电子器件。

1946年，美国贝尔实验室决定开展半导体的研究。半导体研究项目是由肖克莱提议的，他认为贝尔实验室应该加强固体物理学的基础研究。他的提议得到了研究室主任凯利的大力支持，于是授命肖克莱组建半导体研究小组，成员有布拉顿、巴丁以及其他科学家。肖克莱专长于理论研究，巴丁是运用基础理论解决实际问题的大师，而布拉顿则是善于巧妙地进行各种实验的能手。研究小组选中硅、锗这类半导体作为研究对象，探索一种能克服电子管缺陷并起到放大作用的电子器件。

在肖克莱的理论指导下，巴丁、布拉顿于1947年12月研制出世界上第一只点接触型晶体管。

晶体管的发明是电子技术史上具有划时代意义的伟大事件，它开创了一个崭新的时代──固体电子技术时代。肖克莱、巴丁、布拉顿由此共同获得了1956年度的诺贝尔物理学奖。晶体管的发明奠定了现代电子技术的基础，揭开了微电子技术和信息化的序幕，开创了人类的硅文明时代，由它引起的技术革命对社会产生的巨大推动作用和深远的影响在历史上是屈指可数的。

点接触型晶体管存在制造工艺复杂、适用范围窄，并且使用起来还不够方便等缺点。为此，肖克莱于1948年1月又构思了一种新型晶体管，其结构有点像三明治，n型半导体夹在两层p型半导体之间，这就是结型晶体管。然而由于半导体材料的单晶化长期没有解决，拖延了对他的理论进行验证。直到蒂尔（G.K.Teal）和利特尔（J.B.Little）研究成功生长大单晶锗的工艺后，肖克莱才在1950年4月制成第一个结型晶体管。结型晶体管的实际应用比点接触型晶体管广泛得多，从此开辟了电子技术的新纪元。

3.集成电路的发明

集成电路或称微电路（microcircuit）、微芯片（microchip）、芯片（chip）在电子学中是一种把电路（主要包括半导体装置，也包括被动元件等）小型化的方式，并通常制造在半导体晶圆表面上。

终于有人讲透了芯片是什么

晶体管的发明使电子设备体积缩小，耗电减少，可靠性提高。然而随着电子工业的迅速发展，晶体管依然满足不了需求，以计算机为例，IBM公司1955年推出了608计算机，是世界上第一个投入商用的晶体管计算机，里面使用了3000多个锗晶体管，重量达2400磅（约1090kg）。显然，这个计算机还是太重了。

为了克服晶体管的这些弱点，科学家们想尽办法使晶体管的体积变小，与之配套的电阻、电容、线圈、继电器、开关等元件，也沿着小型化的思路被压缩成微型电子元件，晶体管最小的已达到只有小米粒一样大小。然而，晶体管本身的小型化不是无限的，它达到一定程度后就很难再缩小了。
随着科技的不断发展，人们对电子元器件提出了更高的要求，需要更加小型化、功能完善的电子设备，这样集成电路就应运而生了。

1952年，英国雷达研究所的科学家达默在一次会议上提出：可以把电子线路中的分立元器件，集中制作在一块半导体晶片上，一小块晶片就是一个完整电路，这样一来，电子线路的体积就可大大缩小，可靠性大幅提高。这就是初期集成电路的构想。
1956年，美国材料科学专家富勒和赖斯发明了半导体生产的扩散工艺，这样就为发明集成电路提供了工艺技术基础。

1958年9月，美国德州仪器公司的青年工程师杰克·基尔比（Jack Kilby），成功地将包括锗晶体管在内的五个元器件集成在一起，基于锗材料制作了一个叫做相移振荡器的简易集成电路，并于1959年2月申请了小型化的电子电路（Miniaturized Electronic Circuit）专利（专利号为No.31838743，批准时间为1964年6月26日），这就是世界上第一块锗集成电路。

1959年7月，美国仙童半导体公司的诺伊斯，研究出一种利用二氧化硅屏蔽的扩散技术和PN结隔离技术，基于硅平面工艺发明了世界上第一块硅集成电路，并申请了基于硅平面工艺的集成电路发明专利（专利号为No.2981877，批准时间为1961年4月26日。虽然诺伊斯申请专利在基尔比之后，但批准在前）。

基尔比和诺伊斯几乎在同一时间分别发明了集成电路，两人均被认为是集成电路的发明者，而诺伊斯发明的硅集成电路更适于商业化生产，使集成电路从此进入商业规模化生产阶段。
集成电路的发明开拓了电子器件微型化的新纪元，引领人们走进信息社会。它的诞生使微处理器的出现成为了可能，也使计算机走进人们生产、生活的各个领域，成为人们工作、学习、娱乐不可或缺的工具，而在计算机诞生之初，它却是个只能存在于实验室的庞然大物。

集成电路的发明开创了人类硅文明时代。直到今天，硅材料仍然是我们电子器件的主要材料。
集成电路的发明对人类社会的贡献无法估量，基尔比曾经工作过的德州仪器公司董事会主席汤姆·恩吉布斯是这样评价的：我认为，有几个人的工作改变了整个世界，以及我们的生活方式──亨利·福特、托马斯·爱迪生、莱特兄弟，还有杰克·基尔比。如果说有一项发明不仅革新了我们的工业，并且改变了我们生活的世界，那就是杰克发明的集成电路。”

2000年，集成电路问世42年以后，人们终于了解到它给社会带来的巨大影响和推动作用，基尔比因集成电路的发明被授予了诺贝尔物理学奖（诺伊斯在1990年因病去世，而无缘诺贝尔奖）。诺贝尔奖评审委员会曾经这样评价基尔比：“为现代信息技术奠定了基础”。

二、计算机的发展史

1.第一代电子管计算机（1949一1956）

世界上第一台通用计算机“ENIAC”于1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学诞生。占地170平方米，重达30吨，耗电功率约150千瓦每时，每秒钟可进行5000次运算。被美国国防部用来进行弹道计算。ENIAC以电子管作为元器件，所以又被称为电子管计算机，是计算机的第一代。电子管计算机由于使用的电子管体积很大，耗电量大，易发热，因而工作的时间不能太长。

2.第二代晶体管计算机（1956~1962）

1947年在贝尔实验室成功地用半导体硅作为基片,制成了第-一个晶体管,它的小体积、低耗电以及载流子高速运行的特点，使真空管望尘莫及。进入20世纪50年代后,全球出现了一场以晶体管替代电子管的革命,计算机的性能有了很大的提高。

3.第三代集成电路计算机（1962~70年代）

20世纪60年代中期(1965-1970年)，随着半导体工艺的发展，已经能制造出集成电路元件。集成电路可以在几平方毫米的单晶硅片上集成十几个甚至上百个电子元件。计算机开始采用中小规模的集成电路元件。

4.第四代(70年代开始)

特点：采用大面积集成电路(每个电路片有l，000个门以上)，毫微秒操作速度及10亿位存贮容量。硬设备和软设备融合时代。基本技术：硬设备不会有什么革命性的技术发展，所利用的是标准的集成电路技术，只是强调机器在拮构，体制、计算技术的高度利用和程序设计技巧方面有所变化。

三、微型计算机的出现和发展

微型计算机是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。它是以微处理器为基础，配以内存储器及输入输出（I/0）接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。微型计算机的特点是体积小、灵活性大、价格便宜、使用方便。

集成电路技术把计算机的控制单元和算逻单元集成到一个芯片上,制成了微处理器芯片。1971年,美国Intel公司31岁的工程师霍夫研制成世界上第一个4位的微处理器芯片4004,集成了2 300个晶体管。随后,微处理器经历了4位、8位、16位、32位和64位几个阶段的发展,芯片的集成度和速度都有很大的提高。

四、软件技术的兴起和发展

1.各种语言

语言	对象
机器语言	面向机器
汇编语言	面向机器
高级语言	面向问题.
FORTRAN	科学计算和工程计算
PASCAL	结构化程序设计
C++	面向对象
Java	适应网络环境

2.系统软件

系统软件	作用
语言处理程序	汇编程序编译程序解释程序
操作系统	DOS、UNIX、Windows、Linux、Kylin Linux
服务性程序	装配调试诊断排错
数据库管理系统	数据库和数据库管理软件
网络软件	其他

五、计算机的应用

科学计算和数据处理
天文学、量子化学、空气动力学和核物理学等领域都要依靠计算机进行复杂的运算。

工业控制和实时控制
通过各种传感器获得的各种物理信号经转换为可测可控的数字信号后,再经计算机运算,根据偏差,驱动执行机构来调整,便可达到控制的目的。这种应用已被广泛用于冶金、机械、纺织、化工、电力、造纸等行业中。

网络技术的应用
网络技术涉及方方面面，如电子商务、网络教育、敏捷制造等

虚拟现实
虚拟现实是利用计算机生成的一-种模拟环境,通过多种传感设备使用户“投人”到该环境中,达到用户与环境直接进行交互的目的。这种模拟环境是用计算机构成的具有表面色彩的立体图形,它可以是某一特定现实世界的真实写照,也可以是纯粹构想出来的世界。

办公自动化和管理信息系统
办公自动化就是利用计算机及自动化的办公设备来替代“笔、墨、纸、砚"及办公人员的部分脑力、体力劳动,从而提高了办公的质量和效率。

CAD/CAM/CIMS
计算机辅助设计( Computer Aided Design ,CAD)
计算机辅助制造( Computer Aided Manufacturing,CAM ):
计算机集成制造系统( Computer Integrated Manufacturing Systems , CIMS )

多媒体技术
多媒体技术是计算机技术和视频、音频及通信等技术相结合的产物。它是用来实现人和计算机交互地对各种媒体(如文字、图形、影像、音频、视频动画等)进行采集、传输、转换、编辑、存储、管理,并由计算机综合处理为文字、图形、动画、音响、影像等视听信息而有机合成的新媒体。因此它可以将原来仅能体现或保存一种媒体的设备或手段转换为由计算机集成。

人工智能
人工智能是专门研究如何使计算机来模拟人的智能的技术。

六、计算机的展望（?替代传统的硅芯片）

1.光计算机
利用光子取代电子进行运算和存储
2. DNA生物计算机
通过控制DNA分子间的生化反应
3.量子计算机
利用原子所具有的量子特性