【正文】 硬件工程師培訓(xùn)教程（一） 硬件工程師培訓(xùn)教程（一） 第一章 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)概述 要想成為一名計(jì)算機(jī)硬件工程師，不了解計(jì)算機(jī)的歷史顯然不行。在本書的第一章中，我們將帶你走進(jìn)計(jì)算機(jī)硬件世界，去回顧計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程中的精彩瞬間。 第一節(jié) 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，離不開人類科技知識(shí)的積累，離不開許許多多熱衷于此并嘔心瀝血的科學(xué)家的探索，正是這一代代的積累才構(gòu)筑了今天的“信息大廈”。從下面這個(gè)按時(shí)間順序展現(xiàn)的計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史中，我們可以感受到科技發(fā)展的艱辛及科學(xué)技術(shù)的巨大推動(dòng)力。 一、機(jī)械 計(jì)算機(jī)的誕生 在西歐，由中世紀(jì)進(jìn)入文藝復(fù)興時(shí)期的社會(huì)大變革，極大地促進(jìn)了自然科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們長期被神權(quán)壓抑的創(chuàng)造力得到了空前的釋放 。而在這些思想創(chuàng)意的火花中 ，制造一臺(tái)能幫助人進(jìn)行計(jì)算的機(jī)器則是最耀眼、最?yuàn)Z目的一朵。從那時(shí)起，一個(gè)又一個(gè)科學(xué)家為了實(shí)現(xiàn)這一偉大的夢(mèng)想而不懈努力著。但限于當(dāng)時(shí)的科技水平，多數(shù)試驗(yàn)性的創(chuàng)造都以失敗而告終，這也就昭示了拓荒者的共同命運(yùn) : 往往在倒下去之前見不到自己努力的成果。而后人在享用這些甜美成果的時(shí)候，往往能夠從中品味出 汗水與淚水交織的滋味?? 1614 年 :蘇格 蘭人 John Napier(1550 ～ 1617 年 )發(fā)表了一篇論文 ，其中提到他發(fā)明了一種可以進(jìn)行四則運(yùn)算和方根運(yùn)算的精巧裝置。 1623 年 :Wilhelm Schickard(1592 ～ 1635 年 )制作了一個(gè)能進(jìn)行6 位數(shù)以內(nèi)加減法運(yùn)算，并能通過鈴聲輸出答案的 “ 計(jì)算鐘 ” 。該裝置通過轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪來進(jìn)行操作。 1625 年 :William Oughtred(1575 ～ 1660 年 )發(fā)明計(jì)算尺。 1668 年 :英國人 Samuel Morl(1625 ～ 1695 年 )制作了一個(gè)非十進(jìn)制的加法裝置 ，適宜計(jì)算錢幣。 1671 年 :德國數(shù)學(xué)家 Gottfried Leibniz 設(shè)計(jì)了一架可以進(jìn)行乘法運(yùn)算，最終答案長度可達(dá) 16 位的計(jì)算工具。 1822 年 :英國人 Charles Babbage(1792 ～ 1871 年 )設(shè)計(jì)了差分機(jī)和分析機(jī) ，其設(shè)計(jì)理論非常超前，類似于百年后的電子計(jì)算機(jī)，特別是利用卡片輸入程序和數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)被后人所采用。 1834 年 :Babbage 設(shè)想制造一臺(tái)通用分析機(jī)，在只讀存儲(chǔ)器 (穿孔卡片 )中存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù) 。 Babbage 在以后的時(shí)間里繼續(xù)他的研究工作，并于 1840 年 將操作位數(shù)提高到了 40 位，并基本實(shí)現(xiàn)了控制中心 (CPU)和存儲(chǔ)程序的設(shè)想，而且程序可以根據(jù)條件進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，能在幾秒內(nèi)做出一般的加法，幾分鐘內(nèi)做出乘、除法。 1848 年 :英國數(shù)學(xué)家 Gee Boole 創(chuàng)立二進(jìn)制代數(shù)學(xué)，提前近一個(gè)世紀(jì)為現(xiàn)代二進(jìn)制計(jì)算機(jī)的發(fā)展鋪平了道路。 1890 年 :美國人口普查部門希望能得到一臺(tái)機(jī)器幫助提高普查效率。 Herman Hollerith (后來他的公司發(fā)展成了 IBM 公司 )借鑒 Babbage 的發(fā)明，用穿孔卡片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)了機(jī)器。結(jié)果僅用 6 周就得出了準(zhǔn)確的人 口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) (如果用人工方法，大概要花 10 年時(shí)間 )。 1896 年 :Herman Hollerith 創(chuàng)辦了 IBM 公司的前身。 二、電子計(jì)算機(jī)問世 在以機(jī)械方式運(yùn)行的計(jì)算器誕生百年之后，隨著電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，計(jì)算機(jī)開始了真正意義上的由機(jī)械向電子時(shí)代的過渡，電子器件逐漸演變成為計(jì)算機(jī)的主體，而機(jī)械部件則漸漸處于從屬位置。二者地位發(fā)生轉(zhuǎn)化的時(shí)候，計(jì)算機(jī)也正式開始了由量到質(zhì)的轉(zhuǎn)變，由此導(dǎo)致電子計(jì)算機(jī)正式問世。下面就是這一過渡時(shí)期的主要事件 : 1906 年 :美國人 Lee De Forest 發(fā)明 電子管，為電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1924 年 2 月 :IBM 公司成立，從此一個(gè)具有劃時(shí)代意義的公司誕生。 1935 年 :IBM 推出 IBM 601 機(jī)。這是一臺(tái)能在一秒鐘內(nèi)算出乘法的穿孔卡片計(jì)算機(jī) 。這臺(tái)機(jī)器無論在自然科學(xué)還是在商業(yè)應(yīng)用上都具有重要的地位，大約制造了 1500 臺(tái)。 1937 年 :英國劍橋大學(xué)的 Alan (1912 ～ 1954 年 )出版了他的論文 ，并提出了被后人稱之為 “ 圖靈機(jī) ” 的數(shù)學(xué)模型。 1937 年 :Bell 試驗(yàn)室的 Gee Stibitz 展示了用繼電器表示二進(jìn)制的裝置。盡管僅僅是個(gè)展示品，但卻是第一臺(tái)二進(jìn)制電子計(jì)算機(jī)。 1940 年 1 月 :Bell 實(shí)驗(yàn)室的 Samuel Williams 和 Stibitz 制造成功了一個(gè)能進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的計(jì)算機(jī)。該機(jī)器大量使用了繼電器，并借鑒了一些電話技術(shù)，采用了先進(jìn)的編碼技術(shù)。 1941 年夏季 :Atanasoff 和學(xué)生 Berry 完成了能解線性代數(shù)方程的計(jì)算機(jī)，取名叫 “ABC ”(Atanasoff Berry Computer)，用電容作存儲(chǔ)器 ，用穿孔卡片作輔助存儲(chǔ)器 ，那些孔實(shí)際上是 “ 燒 ” 上去的，時(shí)鐘頻率是 60Hz，完成一次加法運(yùn)算用時(shí)一秒。 1943 年 1 月 :Mark I 自動(dòng)順序控制計(jì)算機(jī)在美國研制成功。整個(gè)機(jī)器有 51 英尺長 、 5 噸重 、 75 萬個(gè)零部件。該機(jī)使用了 3304 個(gè)繼電器 ，60 個(gè)開關(guān)作為機(jī)械只讀存儲(chǔ)器 。程序存儲(chǔ)在紙帶上 ，數(shù)據(jù)可以來自紙帶或卡片閱讀器。 Mark I 被用來為美國海軍計(jì)算彈道火力表。 1943 年 9 月 :Williams 和 Stibitz 完成了 “Relay Interpolator ” ，后來命名為 “Model Ⅱ Re lay Calculator ” 的計(jì)算機(jī)。這是一臺(tái)可編程計(jì)算機(jī)，同樣使用紙帶輸入程序和數(shù)據(jù)。它運(yùn)行更可靠，每個(gè)數(shù)用 7 個(gè)繼電器表示，可進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算。 1946 年 :ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)誕生 ，這是第一臺(tái)真正意義上的數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。開始研制于 1943 年，完成于 1946 年，負(fù)責(zé)人是 John 和 Eckert，重 30 噸，用了 18000 個(gè)電子管，功率 25 千瓦，主要用于計(jì)算彈道和氫彈的研制。 三、晶體 管計(jì)算機(jī)的發(fā)展 真空管時(shí)代的計(jì)算機(jī)盡管已經(jīng)步入了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的范疇，但因其體積大、能耗高、故障多、價(jià)格貴，從而制約了它的普及和應(yīng)用。直到晶體管被發(fā)明出來，電子計(jì)算機(jī)才找到了騰飛的起點(diǎn)。 1947 年 :Bell 實(shí)驗(yàn)室的 William 、 John Bardeen 和Walter 發(fā)明了晶體 管，開辟了電子時(shí)代新紀(jì)元。 1949 年 :劍橋大學(xué)的 Wilkes 和他的小組制成了一臺(tái)可以存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)，輸入輸出設(shè)備仍是紙帶。 1949 年 :EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer—— 電子離散變量自動(dòng)計(jì)算機(jī) )—— 第一臺(tái)使用磁帶的計(jì)算機(jī)。這是一個(gè)突破，可以多次在磁帶上存儲(chǔ)程序。這臺(tái)機(jī)器是 John von Neumann 提議建造的。 1950 年 :日本東京帝國大學(xué)的 Yoshiro Nakamats 發(fā)明了軟磁盤 ，其銷售權(quán)由 IBM 公司獲得 。由此開創(chuàng)了存儲(chǔ)時(shí)代的新紀(jì)元。 1951 年 :Grace Murray Hopper 完成了高級(jí)語言編譯器。 1951 年 :UNIVAC1 —— 第 一臺(tái)商用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)誕生，設(shè)計(jì)者是 r Eckert 和 John Mauchly 。 被美國人口普查部門用于人口普查，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)進(jìn)入了商業(yè)應(yīng)用時(shí)代。 1953 年 :磁芯存儲(chǔ)器被開發(fā)出來。 1954 年 :IBM 的 John Backus 和他的研究小組開始開發(fā) FORTRAN(FORmula TRANslation) ， 1957 年完成。這是一種適合科學(xué)研究使用的計(jì)算機(jī)高級(jí)語言。 1957 年 :IBM 開發(fā)成功第一臺(tái)點(diǎn)陣式打印機(jī)。 四、集成電路為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)鋪平道路 盡管晶體管的 采用大大縮小了計(jì)算機(jī)的體積、降低了價(jià)格 、減少了故障 ，但離用戶的實(shí)際要求仍相距甚遠(yuǎn)，而且各行業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)也產(chǎn)生了較大的需求，生產(chǎn)性能更強(qiáng)、重量更輕、價(jià)格更低的機(jī)器成了當(dāng)務(wù)之急。集成電路的發(fā)明解決了這個(gè)問題。高集成度不僅使計(jì)算機(jī)的體積得以減小，也使速度加快、故障減少。從此，人們開始制造革命性的微處理器。 1958 年 9 月 12 日 :在 Robert Noyce(Intel 公司創(chuàng)始人 )的領(lǐng)導(dǎo)下，集成電路誕生 ，不久又發(fā)明了微處理器。但因?yàn)樵诎l(fā)明微處理器時(shí)借鑒了日本公司的技術(shù)，所以日本對(duì)其專利不承認(rèn)，因?yàn)槿毡?沒有得到應(yīng)有的利益。過了 30 年，日本才承認(rèn)，這樣日本公司可以從中得到一部分利潤。但到 2020 年，這個(gè)專利就失效了。 1959 年 :Grace Murray Hopper 開始開發(fā) COBOL(COmmon BusinessOriented Language)語言 ，完成于 1961 年。 1960 年 :ALGOL —— 第一個(gè)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語言推出。 1961 年 :IBM 的 Kennth Iverson 推出 APL 編程語言。 1963 年 :DEC 公司推出第一臺(tái)小型計(jì)算機(jī) —— PDP8 。 1964 年 :IBM 發(fā)布 PL/1 編程語言。 1964 年 :發(fā)布 IBM 360 首套系列兼容機(jī)。 1964 年 :DEC 發(fā)布 PDB8 小型計(jì)算機(jī)。 1965 年 :摩爾定律發(fā)表，處理器的晶體管數(shù)量每 18 個(gè)月增加一倍，價(jià)格下降一半。 1965 年 :Lofti Zadeh 創(chuàng)立模糊邏輯，用來處理近似值問題。 1965 年 :Thomas 和 John Kemeny 完成 BASIC(Beginner ’s Allpurpose Symbolic In struction Code)語言的開發(fā)。特別適合計(jì)算機(jī)教育和初學(xué)者使用，得以廣泛推廣。 1965 年 :Douglas Englebart 提出鼠標(biāo)器的設(shè)想，但沒有進(jìn)一步研究，直到 1983 年才被蘋果電腦公司大量采用。 1965 年 :第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī) CD6600 開發(fā)成功。 1967 年 :Niklaus Wirth 開始開發(fā) PASCAL 語言， 1971 年完成。 1968 年 :Robert Noyce 和他的幾個(gè)朋友創(chuàng)辦了 Intel 公司。 1968 年 :Seymour Paper 和他的研究小組在 MIT 開發(fā)了 LOGO 語言。 1969 年 :ARPANet(Advanced Research Projects Agency Network)計(jì)劃開始啟動(dòng)，這是現(xiàn)代 Inter 的雛形。 1969 年 4 月 7 日 :第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) RFC 推出。 1970 年 :第一塊 RAM 芯片由 Intel 推出，容量 1KB 。 1970 年 :Ken Thomson 和 Dennis Ritchie 開始開發(fā) UNIX 操作系統(tǒng)。 1970 年 :Forth 編程語言開發(fā)完成。 1970 年 :Inter 的雛形 ARPANet 基本完成，開始向非軍用部門開放。 1971 年 11 月 15 日 :Marcian 在 Intel 公司開發(fā)成功第一塊微處理器 4004，含 2300 個(gè)晶體管，字長為 4 位，時(shí)鐘頻率為 108KHz，每秒執(zhí)行 6 萬條指令。 1972 年 :1972 年以后的計(jì)算機(jī)習(xí)慣上被稱為第四代計(jì)算機(jī)?；诖笠?guī)模集成電路及后來的超大規(guī)模集成電路。這一時(shí)期的計(jì)算機(jī)功能更強(qiáng)，體積更小。此時(shí)人們開始懷疑計(jì)算機(jī)能否繼續(xù)縮小，特別是發(fā)熱量問題能否解決。同時(shí)，人們開始探討第五代計(jì)算機(jī)的開發(fā)。 1972 年 :C 語言開發(fā)完成。其主要設(shè)計(jì)者是 UNIX 系統(tǒng)的開發(fā)者之一 Dennis Ritche。這是一個(gè)非常強(qiáng)大的語言，特別受人喜愛。 1972 年 :HewlettPackard 發(fā)明了第一個(gè)手持計(jì)算器。 1972 年 4 月 1 日 :Intel 推出 8008 微處理器。 1972 年 :ARPANet 開始走向世界， Inter 革命拉開序幕。 1973 年 :街機(jī)游戲 Pong 發(fā)布，得到廣泛歡迎。發(fā)明者是 Nolan Bushnell(Atari 的創(chuàng)立者 )。 1974 年 :第一 個(gè)具有并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的 CLIP4 推出。 五、當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)漸入輝煌 在此之前，應(yīng)該說計(jì)算機(jī)技術(shù)還是主要集中于大型機(jī)和小型機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展。隨著超大規(guī)模集成電路和微處理器技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)進(jìn)入尋常百姓家的技術(shù)障礙逐漸被突破。特別是在 Intel 公司發(fā)布了其面向個(gè)人用戶的微處理器 8080 之后，這一浪潮終于洶涌澎湃起來，同時(shí)也催生出了一大批信息時(shí)代的弄潮兒，如 Stephen Jobs(史締芬 喬布斯 )、 Bill Gates(比爾 蓋茨 )等 ，至今他們對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還起著舉足輕重的作用。在此時(shí) 段，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和多媒體技術(shù)也得到了空前的應(yīng)用與發(fā)展，計(jì)算機(jī)真正開始改