计算机组成原理-2-计算机的发展应用

2. 计算机的发展应用

• 本笔记参考哈工大刘宏伟老师的MOOC《计算机组成原理（上）_哈尔滨工业大学》、《计算机组成原理（下）_哈尔滨工业大学》。
• 或者是B站《计算机组成原理（哈工大刘宏伟）135讲（全）高清》，大家一起听比较热闹。
• 中文教材：《计算机组成原理（第二版）-唐朔飞.pdf》、《学习指导与习题解答（第2版）-唐朔飞.pdf》
• 本篇笔记对应课程第二章（下图加粗）。

2.1 计算机的发展史

• 第一台电子计算机是什么时候出现的？
• 第一台电子计算机的基本指标？
• 出现的驱动力是什么，发展的驱动力是什么？——>需求+技术发展
• 主要部件的发展情况？
• 主要部件的发展规律是什么？
• 主要代表机型？
• 微型计算机的发展？
• 软件的发展？

这部分内容不是课程的主要内容，所以本章只是简单讲述，上面给出了本节关心的问题。

2.1.1 计算机的产生和发展

  实际上，当时有非常多计算机同时研制，所以谁是第一台计算机到目前仍然有争议。由于1946年诞生的 ENIAC 对后世计算机产生了非常深远的影响，并从中演化出第一台冯·诺依曼架构的 EDVAC，所以教材中默认 ENIAC 是第一台计算机。下面是ENIAC的基本指标：

• 十进制运算。
• 18000多个电子管、1500多个继电器。
• 功耗150千瓦。
• 重量30吨。
• 占地面积1500平方英尺。
• 运算速度5000次加法/秒。
• 主要用途：计算弹道表。
• 编程方式：手动搬动开关、手动插拔电缆，非常繁杂。

可以参考视频：【纪录片】第一台通用电子计算机的诞生-ENIAC的历史

  计算机发展的第一大驱动力就是“需求、需求、还是TM的需求”！比如当时弹道研究实验室每天需要给军方提供6张火力表，但是单个火力表包含几百条弹道、每个弹道又是一组非常复杂的非线性方程，即使200名研究人员加班加点，也需要两个月才能计算完一张火力表，所以才驱动了 ENIAC 的研究。计算机发展的另一大驱动力就是“技术发展”，“电子技术”和“计算机体系结构技术”的发展大大推动了计算机技术的发展。于是，我们便使用硬件技术的发展来衡量计算机发展的迭代次数：

下面总结一下历史上有重大影响的计算机：

1. ENIAC：1943年研制，1946年投入使用，1955年退役，主要给军方计算弹道表。
2. EDVAC：1945年提出，1949年交付，1961年退役。由ENIAC的顾问——冯·诺依曼，对ENIAC的架构进行改进而提出，也就是后来的“冯·诺依曼架构”。
3. EDSAC：1946年研制，1949年投入使用。受EDVAC启发，是世界上第一台实际运行“冯·诺依曼架构”的计算机。
4. IAS machine：1946年研制，1952年投入使用。采用“冯·诺依曼架构”。
5. IBM360系列产品：1961年开始研制，1964年成功。IBM公司的里程碑产品，采用“大主机结构”。研制过程中提出“计算机系统结构”的概念，定义了计算机软硬件的交界面，标志着计算机的从低速发展跨入了快速迭代发展的时代。

2.1.2 微型计算机的出现和发展

  通常来说，“微处理器”是指用一片大规模集成电路组成的处理器，该处理器集成了运算器、控制器。“微型计算机”则是指使用微处理器的、使用大规模集成电路的、面向个人用户的、体积小、重量轻、价格低的计算机。显然关键器件就是“微处理器”、“微存储器”。Intel在1971年发布了第一款微处理器——Intel 4004，机器字长只有4位，慢慢发展到现在的64位。1969年则出现世界上第一个大容量SRAM存储器——C1103，存储容量只有256位，到现在的32GB、64GB。下表给出了 Intel 的典型微处理器产品：

参考鲜枣课堂官网：一文看懂内存芯片的发展史。

上表引起我们思考，芯片能够集成晶体管的数量是否和时间有一定的关系呢？这就是“摩尔定律”。“摩尔定律”指出，时间坐标和晶体管集成规模具有指数关系，也就是“处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半”。

2.1.3 软件技术的发展和兴起

  计算机能够得到广泛的应用，也离不开软件的发展，也就是编程语言的发展。最底层的编程语言是“机器语言”，但是机器语言面向机器，相同的应用程序很难在不同的机器上运行。在计算机发展早期，几乎是每台新机器都会有新的指令集。汇编语言也面向机器，但是比机器语言更加方便记忆书写。最后在“编译器”的封装下，高级语言面向问题，和底层具体的指令集关系不大，进而使编程效率大大提高。下面是一些常见的高级语言：

• 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

  除了编程语言的发展外，系统软件的发展也至关重要。系统软件可以帮助程序员管理软硬件资源，下面给出常见的系统软件：

• 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…
• 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。

  硬件开发中会有一些辅助工具，甚至可以组装自动化流水线，但是软件发展到今天，仍然还需要人来进行开发，包括开发、使用和维护程序所需要的所有文档（ChatGPT也需要基于已有的代码才能生成）。最后总结一下软件发展的特点：

1. 开发周期长。大型软件都是几千万行代码甚至更长。
2. 制作成本昂贵。软件开发人员多、薪资高。
3. 检测软件产品质量的特殊性。很难检测到所有的场景。

一句话：很难的啦~🤣

2.2 计算机的应用和展望

下面给出目前计算机的常见的应用场景：

1. 科学计算和数据处理：这是创造计算机的初衷。“科学计算”比如天体建模、核爆炸模拟、天气预报、流体建模等，通常使用HPC。“数据处理”比如电信、银行、税务等数据密集型的任务，单个事务运算量不大但是数量极多，主要使用“大主机结构”的计算机。
2. 工业控制和实时控制：“自动化”、“自动驾驶”等都需要通过计算机来控制。
3. 网络技术：比如电子商务、网络教育、敏捷制造等。
4. 虛拟现实：显然需要计算机实时计算和显示。比如飞行员训练系统。
5. 办公自动化和管理信息系统。
6. CAD/CAM/CIMS：仿真软件。
7. 多媒体技术。
8. 人工智能。
   …

最后是一些展望：

1. AI的发展：计算机具有类似人脑的一些超级智能功能，要求计算机的速度够快、存储容量够大。
2. 芯片集成度的提高会受到限制，摩尔定律会受到考验。比如因为以下因素导致芯片集成度难以持续提高：

• 芯片集成度受物理极限的制约。
• 制作成本按几何级数递增。
• 芯片的功耗、散热、线延迟等缺陷会进一步增加。

3. 传统硅基芯片会被替代：

• 光计算机：现在已经实现了利用光子进行数据的存储和运输，是否能使用光子完成运算。
• DNA生物计算机：通过控制DNA分子间的生化反应完成计算。
• 量子计算机：利用原子所具有的量子特性完成计算，量子领域热门的话题是量子密码。