计算机组成原理-计算机的诞生和发展

冯·诺依曼体系

        计算机系统作为一个能够自动地处理信息的智能化工具，必须解决好两个最基本的问题：第一，信息如何表示，才能方便地让计算机识别和处理；第二，采用什么工作方式，才能使计算机能自动地对信息进行处理。

         设计思想之一是信息采用二进制来表示。他根据电子元件的双稳态工作特点，建议在电子计算机中采用二进制来表示信息，他还分析了二进制的优点，并预言二进制的采用将大大简化计算机硬件系统的逻辑结构。

        设计思想之二是程序存储的思想。把运算程序存在计算机的存储器中，程序设计员只需要在存储器中寻找运算指令，计算机就能自行计算，这样就不必对每个问题都重新编程，从而大大加快了运算的进程。程序存储的思想标志着计算机期望的自动运算的实现，同时标志着电子计算机设计思想的成熟，且已成为电子计算机设计的基本原则。

        总体上，冯·诺依曼体系的主要思想可概括为：① 计算机硬件系统由五大部件（存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备）组成；② 计算机中采用二进制形式表示信息（数据、指令）；③ 采用存储程序的工作方式，这也是冯·诺依曼体系最为核心的思想。

        采用冯·诺依曼思想体制的计算机就称为冯·诺依曼计算机。近几十年来，尽管计算机的体系结构已经发生了许多演变，但它们总体上仍然没有脱离冯·诺依曼体制的核心思想原则，现在的绝大多数计算机仍然属于冯·诺依曼机体系结构的计算机。当然，从本质上讲，传统的冯·诺依曼机采用的是串行处理的工作机制、逐条执行指令序列。要想提高计算机的性能，其根本方向之一是采取并行处理机制，如用多个处理部件形成流水线，依靠时间上的重叠来提高处理效率，或者用多个冯·诺依曼机组成多机系统，以支持并行算法等。

计算机发展历程

        第一台电子计算机于1946年诞生后，发展到现在已经历了几十年，也经历了不同的技术发展阶段，且每个阶段也都各具特色。

        第一代，电子管计算机（1946—1957）

                这一阶段计算机的主要特征是采用电子管元件作基本器件，一般使用光屏管或汞延时电路作为存储器，输入或者输出主要采用穿孔卡片或纸带等，通常体积比较大、功耗较高、计算速度较慢、存储容量较小、可靠性比较差、维护也很困难而且价格很昂贵。在程序设计上，通常使用机器语言或者汇编语言来编写程序，这一代计算机主要用于军事科学计算。

        第二代，晶体管计算机（1958—1964）

                20世纪50年代中期，晶体管的出现使计算机生产技术得到了根本性的发展，晶体管代替了电子管作为计算机的基础器件，普遍采用磁芯和磁鼓作为存储器。在整体性能上，它比第一代计算机有了很大的提高，速度更快、寿命更长、体积更小、重量更轻且功耗更低。同时，许多专用的计算机程序设计的高级语言也相应出现了，如FORTRAN、COBOL和Algo160等。在此阶段，晶体管计算机在被用于科学计算的同时，也开始在数据处理、过程控制等领域得到了广泛应用。

        第三代，中小规模集成电路计算机（1965—1971）

                20世纪60年代中期，随着半导体工艺的发展，集成电路开始出现。在此阶段，中小规模集成电路逐渐成为计算机的主要逻辑部件，半导体存储器也开始采用，这些改进使计算机体积更小、功耗更低，计算速度和可靠性更高。在软件方面，有了标准化的程序设计语言和人机会话式的BASIC语言，程序设计方法上也出现了结构化程序设计的思想，为编制更复杂的软件提供了技术保证。与此同时，逐渐出现了分时操作系统，多用户可共享计算机软件、硬件资源，这些变化都导致计算机的应用领域进一步扩大。

        第四代，大规模和超大规模集成电路计算机（1971年至今）

                大规模和超大规模集成电路（VLSI）技术逐渐成熟，因此在计算机中普遍采用大规模和超大规模集成电路作为核心逻辑部件，这使得计算机的体积、功耗和成本等更进一步降低，微型计算机也随之出现。除此此外，半导体存储器的集成度越来越高，容量也越来越大，还发展出了并行技术和多机系统，出现了精简指令集计算机（RISC），软件系统工程化、理论化和程序设计自动化也得到充分发展。软盘、硬盘和光盘及U盘等辅助存储器也相继出现，各种新颖的输入、输出设备不断推陈出新，软件产业也高速发展，各类应用软件层出不穷，计算机与通信技术相结合的典范——计算机网络也得到了迅猛发展，多媒体技术也在这个阶段异军突起。微型计算机在社会上的应用和普及范围进一步扩大，几乎所有领域都能看到计算机的存在。

未来的发展趋势

        自从1946年诞生后，计算机经过了四个发展阶段，核心器件从最初的电子管、晶体管再发展到后来的集成电路和超大规模集成电路，其种类越来越多，功能和性能越来越强大，应用范围也越来越广，几乎涉及社会的方方面面。随着科学技术的不断发展，计算机也持续不断地向前发展。从总体上看，计算机的发展发展趋势可以简单地用五个字来加以概括，即“巨”、“微”、“多”、“网”和“智”。

        巨型化

                计算机的巨型化是指发展运算高速、大容量存储和功能强大的超大型计算机。

        微型化

                计算机的微型化与巨型化刚好相反。正是因为大规模和超大规模集成电路技术的不断成熟，计算机的微型化发展十分迅速。随着微型化的发展，计算机的性能指标进一步提高，其价格也在逐年下降。当前的主流微机的显著标志是将运算部件和控制部件集成在一起，今后微型化的不断深入，将逐步发展到对存储器、通道处理机、高速运算部件、各种接口甚至外围设备等的高度集成，进一步将系统软件固化，从而达到整个微机系统的集成。

        多媒体化

                计算机的多媒体化是指计算机与以数字技术为核心的图文声像和通信技术等融合在一起发展。计算机多媒体化的目标是：无论何时何地，只需要简单的设备，就能自由地以交互和对话的方式交流信息，其实质是让人们利用计算机以更加自然、简单的方式进行交流，提供更直观的交互方式、更好的用户体验。

        网络化

                计算机网络是计算机技术发展中崛起的又一重要分支，是现代通信技术与计算机技术结合的产物。从单机走向联网，是计算机应用发展的必然结果。计算机的网络化，既是指计算机系统的发展必然要能支持多种网络协议和网络接口，也强调了通过网络把数量众多的计算机和各类终端设备整合在一起，形成一台虚拟的超级计算机，从而实现对计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的深度共享。

        智能化

                智能化是指让计算机模拟人的感觉、行为和思维等过程，从而使计算机具备和人一样的思维和行为能力，形成智能型和超智能型的计算机。智能化的研究包括模式识别、物形分析、自然语言的生成和理解、定理的自动证明、自动程序设计、专家系统、学习系统、智能机器人等。人工智能的研究使计算机远远突破了“计算”的最初含义，从本质上拓宽了计算机的能力，可以更好地代替或超越人的脑力劳动，如神经网络计算机。

      电子计算机，作为人类文明发展进程中的一种重要工具，既然有它的发生和发展，也必然会有它的衰落直至消亡，这是任何事物的规律。或许，也仅仅是或许，下一代的新型计算机就是生物计算机或者光子计算机。