第1章 概述

1.1 计算机的历史

电子数字计算机是20世纪最重大的科技成就之一。1946年由美国宾夕法尼亚大学设计制造的ENIAC电子计算机问世，同年，贝尔实验室的Schockley博士发明了被誉为“20世纪最伟大发明”的晶体管。在这场改变人类生存方式的变革中，CPU以其作为计算机“大脑”和“心脏”这一核心地位而始终处于变革风暴的前沿，计算机得到迅速发展，并已广泛应用于工农业生产、科学研究、国防及人们日常工作和生活的各个领域。伴随着人类进入21世纪，以高科技为支撑的信息化社会已经到来，以“信息”为主导的新兴产业正在全球经济领域掀起一场空前的革命。信息高速公路初见端倪，信息技术在近半个世纪内以令人炫目的速度繁衍、演化着。“知识”是这场革命的直接推动力，而计算机及其应用技术则是知识经济的基础，掌握计算机知识和应用能力的多少，已成为衡量现代人文化水平高低的一个重要标志。随着信息化时代的到来，计算机技术的进一步发展和应用必将对社会发展和人类文明产生更大的促进作用，对社会政治、经济、文化和人类生活的各个方面产生巨大而深远的影响。

1946年，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼就提出了计算机体系结构设计的一些思想，包含3个基本要点：

（1）采用二进制数的形式表示指令和数据；

（2）将指令序列和数据预先存入计算机的存储器中；程序执行时，能自动、连续地从存储器中逐一地取出指令并执行；

（3）计算机硬件由5部分组成。

按照这种思想设计的计算机称为冯·诺依曼型计算机，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”，即“集中顺序控制”。现代电子计算机的构造均为冯·诺依曼结构，即由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成；数据和程序以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式；控制器根据存放在存储器中的指令序列（即程序）工作，并由一个程序计数器（PC）控制指令的执行。控制器具有判断能力，能够根据计算结果选择不同的动作流程。

微型计算机通常包含如下几种类型。

单片微型计算机：一种把微处理器、半导体存储器、I/O接口和中断系统集成在同一块芯片上的有完整功能的微型计算机，这块芯片就是它的硬件，软件程序就存放在片内只读存储器内。其实，单片机很难和被控对象直接进行电气连接，故在实际应用中单片机总要通过这样和那样的芯片和被控对象相连。单片微型计算机具有体积小、重量轻、价格低和可靠性好等许多优点，常在家用电器、智能仪器仪表和工业控制领域中应用。

单板微型计算机：一种把微处理器、半导体存储器、I/O接口和中断电路等芯片集装在同一块印制电路板上的微型计算机。在这块印制电路板上，通常还装有简易键盘和发光二极管，只读存储器中还固化有容量不大的监控程序。单板微型计算机具有单片机类似的优点，常做成专用的过程控制机投放市场。

多板微型计算机：顾名思义，是一种把构成微型计算机的功能部件分别组装在多块印制电路板上，并通过同一机箱内的总线插槽连成一体的微型计算机。这种多板结构的微型计算机功能很强，常常可以通过选用不同的印制电路板插件板达到不同场合使用的目的。

在推动计算机发展的诸多因素中，电子器件的发展是最活跃的因素。根据使用的基本电子器件，计算机经历了4个阶段。

第一代（1945年-1958年）：电子管计算机。采用水银延迟线作为内存，磁鼓作为外存。体积大、耗电多、运算速度慢。最初只能使用二进制表示的机器语言，到20世纪50年代中期才出现汇编语言。这个时期，计算机主要用于科学计算和军事方面，应用很不普遍。

第二代（1958年-1964年）：晶体管计算机。内存主要采用磁芯，外存大量采用磁盘，输入/输出设备有了较大改进。体积显著减小、可靠性提高、运算速度可达每秒百万次。软件方面出现了高级程序设计语言和编译系统。计算机开始广泛应用于以管理为目的的信息处理。

第三代（1964年-1971年）：固体组件计算机。主要采用中、小规模集成电路。运算速度达每秒千万次，可靠性大大提高，体积进一步缩小，价格大大降低。软件方面进步很大，有了操作系统，开展了计算机语言的标准化工作并提出了结构化程序设计方法，出现了计算机网络。计算机应用开始向社会化发展，其应用领域和普及程度迅速扩大。

第四代（1971年至今）：大规模集成电路计算机。大规模集成电路的出现使计算机发生了巨大的变化，特别是出现了微处理器，从而推出了微型计算机。微型计算机的出现和发展是计算机发展史上的重大事件，使计算机在存储容量、运算速度、可靠性和性能价格比等方面都比上一代计算机有了较大突破。各种系统软件、应用软件大量推出，功能配置空前完善，充分发挥了计算机的功能，把计算机的发展和应用带入到了一个全新的时代，计算机已经应用到几乎所有的领域，成为人类社会活动中不可缺少的工具。

1965年，摩尔经统计发现，集成电路内芯片的晶体管数目，几乎每隔18个月到24个月，其集成度就要翻一番。这条未经严格证明但又千真万确的“金科玉律”，经过近30年的检验，始终表现出令人惊异的准确性。

微型计算机的发展过程，也就是微处理器的发展过程，自1971年第一个微处理器出现以来，微处理器的发展已经经历了4代，目前正处在第5代微处理器发展阶段，每一代的性能都提高了近一个数量级。几乎每两年就有一个质的变化，目前仍在向多功能、多媒体方向发展。微处理机一经问世，就以体积小、重量轻、价格低廉、可靠性高、结构灵活、适应性强和应用面广等一系列优点占领世界计算机市场，并得到广泛应用，成为现代社会不可缺少的主要工具。

1971年-1973年为第一代微处理器，代表产品为Intel 4004和Intel 8008。前者为4位机，后者为8位机。集成度约为2000等效晶体管/片，时钟频率为1MHz，指令周期为20μs。

1973年-1975年为第二代微处理器，代表产品为Intel 8080、M6800，字长为8位，集成度为5000管/片，时钟频率为2MHz，指令周期为2μs。

1975年-1977年为第三代微处理器，代表产品为Intel 8085、M6802，字长为8位，集成度为1万管/片，时钟频率为2.5～5MHz，指令周期小于1μs。

1978年-1980年为第四代微处理器，代表产品为Intel 8086、M6809，字长为16位，集成度为3万管/片，时钟频率为5MHz，指令周期小于0.5μs。

1980年之后为第5代微处理器，代表产品有80286、Motorola 68010等，字长为16位，集成度达10万管/片，时钟频率为10MHz，指令周期约为0.2μs。1983年之后又出现了Intel 80386，Motorola 68020等微处理器，字长为32位，时钟频率为16MHz以上，集成度高达15～50万管/片，指令周期为0.1μs。其后又出现了Intel 80486系列，集成度达数百万管/片以上，时钟频率高达上千兆赫兹，指令周期只有几十纳秒。在这些处理器的芯片上已经包含大容量的高速缓冲存储器，原来属于大型机的存储管理技术已经移植到芯片上。

Intel公司于1996年推出了新x86系列CPU---Pentium Pro。Pentium Pro芯片内部集成了550万个晶体管，内部时钟频率为133MHz。1996年底Intel公司又推出了Pentium系列的改进版本，也就是平常所说的Pentium MMX（多能奔腾）。MMX技术是Intel最新发明的一项多媒体增强指令集技术，它的英文全称可以翻译成“多媒体扩展指令集”。

1997年5月，Intel推出了与Pentium Pro同一个档次的Pentium Ⅱ。Pentium Ⅱ有一系列的不同档次的产品，其中第一代的产品就是Pentium Ⅱ Klamath芯片。作为Pentium Ⅱ的第一代芯片，它运行在66MHz总线上，主频分233MHz、266MHz、300MHz和333MHz 4种。由于它代表了Pentium系列机当时的最高性能，所以将其称为二代奔腾Pentium。

应该把Pentium Ⅲ称为“多能奔腾二代处理机”（Pentium Ⅱ Processor with MMX2 Tech-nology）。Intel公司于1999年2月发布了Pentium Ⅲ芯片---Katmai，作为第一款专为提高用户的互联网计算体验而设计的微处理机，使用户能够尽享丰富的音频、视频、动画和栩栩如生的三维效果。针对不同需求，Pentium Ⅲ推出了移动Pentium Ⅲ和Pentium Ⅲ Xeon（至强）处理机。

Pentium 4是Intel新一代高性能32位微处理机，在体系结构上，Pentium 4完全不同于它的前辈机Pentium Ⅱ和Pentium Ⅲ。Pentium Ⅱ和Pentium Ⅲ采用的是与Pentium Pro相同的P6结构形式，而Pentium 4采用的则是Net Burst的新式处理机结构。采用Net Burst机构是为了加快以突发方式传送数据速度，如流媒体、MP3播放程序和视频压缩程序等的传送速度。专家们指出“该设计意味着从传统整数运算性能（如标准的商业应用程序）向媒体运算性能变迁的重大革新”。但是Net Burst仍然是由开发P6的原班人马完成的。