【计算机组成与系统结构】计算机的发展与冯·诺依曼结构

上一篇文章写了第一台电子计算机的诞生过程，这片文章按着时间发展继续讲故事。

第一代计算机(20世纪40年代~50年代) - 电子管。

关键字：低级语言。

1944年8月，那时ENIAC还没完成，而此时莫齐利和埃克特便提出了下一台计算机EDVAC的建造计划。和ENIAC一样，EDVAC也将用于美国军方的弹道计算。到了1945年，后来被称为现代计算机之父的约翰·冯·诺依曼（John Von Neumann）作为技术顾问参与EDVAC的研究。就在这一年6月，冯·诺依曼提出了“存储程式”的思想。大致内容就是：必须将指令和数据送入主存后计算机才能执行程序，而且一旦程序启动后，计算机能在没有人为操作的情况下继续读取下一指令和数据完成相应任务。

同时他也提出了一种计算机的结构方案，这种方案后来被称为冯·诺依曼结构或者普林斯顿体系结构。

该结构包括以下内容：

1.采用“存储程式”的思想。

2.计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五个基本部件组成。其中控制器控制指令的进行，运算器能做数值运算和逻辑运算，存储器能存储数据也能存储指令(事实上数据和指令的形成是一致的，都是一串二进制数，但是计算机应能识别)，操作人员通过输入设备和输出设备与计算机交互。

3.指令和数据采用二进制表示，其中指令包括操作码和地址码两部分组成，操作码指出操作类型，地址码指出数据地址。一串指令就组成一个程序。

冯·诺依曼结构的提出非常重要，从此以后的计算机都采用冯·诺依曼结构，按此结构建造的计算机被称为存储程式计算机，直到今天的计算机都是存储程式计算机。而EDVAC也是第一台按照冯·诺依曼结构建造的计算机。该计算机于1949年8月交给美国弹道研究实验室，但是发现了很多问题，直到1951年才正式运行。不过EDVAC却不是第一台建造完成的存储程式计算机。第一台存储程式计算机是由英国剑桥大学制造的，于1949年就投入使用。之后几年又诞生了几台存储程式计算机。

后来把这些计算机统称为第一代计算机，第一代计算机体积大、费用昂贵，只用作特别研究，无法大量生产。

下图为EDVAC

下图为EDSAC

第二代计算机(20世纪50年代~60年代) - 晶体管。

关键字：高级语言、软件。

1947年，美国贝尔实验室诞生了世界上第一只晶体管。几年后，晶体管作为计算机新的材料取代了电子管。从此计算机发生了质的变化。因为电子管的体积大、功耗高、寿命短。而晶体管体积小、功耗低、寿命也比较长。1954年，贝尔实验室制造出第一台晶体管计算机TRADIC，这台计算机大概有衣柜那么大(虽然还是很大但是和第一代比已经小很多了)，装有800个晶体管。第二代计算机比第一代计算机有更强的计算能力，最大的改善在浮点数运算方面。另外在此期间出现了高级语言和软件的概念。

下图为TRADIC

第三代计算机(20世纪60年代~70年代) - 集成电路。

关键字：操作系统。

1958年，美国德州仪器公司和仙童半导体公司几乎同时发明了集成电路。同样也是过了几年后，集成电路也开始用于计算机的制造。1964年IBM 公司一次性推出了采用集成电路的6种型号的计算机，也就是360系列，分大、中、小型。第三代计算机比第二代比速度更快、容量更大、功耗更低、体积更小、价格更低。此时的运算速度已经达到每秒百万级别。另外在此期间出现了操作系统的概念。

下图为IBM 360/91

第四代计算机(20世纪70年代末至今) - 超大规模集成电路。

关键字：互联网。

第四代计算机和第三代计算机一样都是采用集成电路技术，只不过第四代称为超大规模集成电路。其实就是人们工艺上的进步能在一块芯片上集成更多的晶体管。超大规模只是个称呼而已，最开始只有4只晶体管，历史上把几个几十个叫小规模，几百几千个叫中规模，几万几十万叫大规模，几百万几千万就叫超大规模了。如今的集成数量已经是百亿级别了。这当中有一个规律叫摩尔定律，是由英特尔公司的戈登·摩尔于1965年提出来的，内容是：一块芯片上集成的晶体管数目每过18个月翻一番。而更高的集成度代表了更快的速度、更大的容量等等。另外互联网也是第四代计算机的标志。

下图为现在的苹果电脑