【计算机组成原理】

Chapter 2

所有内容来自《计算机组成原理》第二版 着

2.1 计算机发展史
2.1.1 计算机的生产和发展

1. 第一代电子管计算机
   (1) 1943年，(Electronic Numerical Integrated and Computer)ENIAC标志性计算工具的出现不仅实现了制造通用计算机的目标，也进入了一个新时代，是人类文明发展史上的里程碑。
   (2) 1945年，冯诺依曼首次提出了存储程序的概念，即将程序和数据存储在存储器中。
   (3) 1946年，冯诺依曼设计了计算机存储程序IAS。

• IBM：绝对权威的计算机制造商。
• 晶体管取代电子管的重大变化。

2. 第二代晶体管计算机
   第一个晶体管由半导体硅制成。
   其复杂的工艺不仅严重影响计算机制造的生产效率，而且由数十万元件产生数百万焊点，导致计算机工作可靠性低。

• 1958年，微电子学的深入研究，特别是新光刻技术和设备的成熟，为计算机的发展开辟了新时代 — 集成电路时代。

3. 第三代集成电路计算机
   计算机的数据存储、数据处理、数据传输和各种控制功能基本上由具有布尔逻辑功能的各种门电路完成，大量门电路由晶体管、电阻、电容器等组成。小型集成电路和中型集成电路是第三代计算机。

。。。后来。。。
1972 - 1977： 大规模集成电路
1978 - present：超大规模集成电路

2.1.2 微型计算机的出现和发展
集成电路技术将计算机控制单元和计算逻辑单元集成到芯片中，制成微处理器芯片。

• Intel: 世界上最大的微处理器制造商

微型计算机的发展在很大程度上取决于微处理器的发展，微处理器的发展取决于芯片集成和处理器主频的提高。

计算机硬件改进：
I. 改进微处理器：

1. 提高处理器的主频率
2. 增加扩展指令集
3. 增加流水线
4. 提高生产工艺水平

存在问题：

1. 如何有效解决微处理器的功耗和散热问题。
2. 主要因素是处理器与主存之间的接口和处理器与外设之间的接口。

• 具体原因：处理器与主存之间的接口是整个计算机最重要的通道，因为它主要负责在主存和处理器之间传输指令和数据。如果主存或主存与处理器之间的传输不能满足处理器的要求，处理器将处于等待状态。
• 解决方法：1. 可加宽数据总线的宽度；2. 高速缓冲存储器设置在主存和处理器之间（Cache）并发展成片内Cache和分级Cache；3. 采用高速总线缓冲和分流数据，从而提高处理器与存储器之间的连接带宽。

3. 处理器和外设之间也有大量的数据传输要求。

• 它们之间的传输速率不匹配可以通过各种缓冲机制、高速互连总线和更精致的总线结构来解决。

发展重点：

1. 提高复杂性，提高处理器性能，加快单线程应用，组织更宽的超标，使用更多的功能部件和多级Cache与激进的数据、控制和指令轨迹预测并行使用尽可能多的指令级（Instruction-Level Parallelism, ILP)
2. 处理器的性能通过线程/进程级并行开发得到提高，即开发线程级并行性（Thread-Level Parallelism, TLP) 或者 并行进程级（Process-Level Parallelism, PLP)来提高性能， 简化硬件设计。
3. 将存储器集成到处理器芯片中，以提高处理器的性能，PIM（Processor in Memory)该技术建议将处理器和存储器集成在同一芯片上。
4. 开发嵌入式处理器， 目前的发展趋势是高性能、低成本、低功耗，主要针对特殊应用领域。

2.1.3 软件技术的兴起与发展
机器语言-> 汇编语言->汇编程序 -> 高级语言(科学计算和工程计算) -> 结构化程序设计阶段 -> 面向对象程序设计阶段 -> 更适合面向对象的网络环境Java语言）->编译程序/解释程序 -> 操作系统 ->系统软件/应用软件

软件产品开发过程：

1. 明确开发要求
2. 可行性分析
3. 确定基本方法
4. 需求分析
5. 用户批准需求
6. 意见一致后，进入软件设计阶段