【電腦群組成與系統結構】電腦的發展與馮·諾依曼結構

上一篇文章寫了第一台電子電腦的誕生過程，這片文章按著時間發展繼續講故事。

第一代電腦(20世紀40年代~50年代) - 電子管。

關鍵字：低級語言。

1944年8月，那時ENIAC還沒完成，而此時莫齊利和埃克特便提出了下一台電腦EDVAC的建造計劃。和ENIAC一樣，EDVAC也將用於美國軍方的彈道計算。到了1945年，後來被稱為現代電腦之父的約翰·馮·諾依曼（John Von Neumann）作為技術顧問參與EDVAC的研究。就在這一年6月，馮·諾依曼提出了“儲存程式”的思想。大致內容就是：必須將指令和資料送入主存後電腦才能執行程式，而且一旦程式啟動後，電腦能在沒有人為操作的情況下繼續讀取下一指令和資料完成相應任務。

同時他也提出了一種電腦的結構方案，這種方案後來被稱為馮·諾依曼結構或者普林斯頓體繫結構。

該結構包括以下內容：

1.採用“儲存程式”的思想。

2.電腦由控制器、運算器、儲存空間、輸入裝置、輸出裝置五個基本組件組成。其中控制器控制指令的進行，運算器能做數值運算和邏輯運算，儲存空間能儲存資料也能儲存指令(事實上資料和指令的形成是一致的，都是一串位元，但是電腦應能識別)，操作人員通過輸入裝置和輸出裝置與電腦互動。

3.指令和資料採用二進位表示，其中指令包括作業碼和地址碼兩部分組成，作業碼指出操作類型，地址碼指出資料地址。一串指令就組成一個程式。

馮·諾依曼結構的提出非常重要，從此以後的電腦都採用馮·諾依曼結構，按此結構建造的電腦被稱為儲存程式電腦，直到今天的電腦都是儲存程式電腦。而EDVAC也是第一台按照馮·諾依曼結構建造的電腦。該電腦於1949年8月交給美國彈道研究實驗室，但是發現了很多問題，直到1951年才正式運行。不過EDVAC卻不是第一台建造完成的儲存程式電腦。第一台儲存程式電腦是由英國劍橋大學製造的，於1949年就投入使用。之後幾年又誕生了幾台儲存程式電腦。

後來把這些電腦統稱為第一代電腦，第一代電腦體積大、費用昂貴，只用作特別研究，無法大量生產。

為EDVAC

為EDSAC

 

第二代電腦(20世紀50年代~60年代) - 晶體管。

關鍵字：進階語言、軟體。

1947年，美國貝爾實驗室誕生了世界上第一隻晶體管。幾年後，晶體管作為電腦新的材料取代了電子管。從此電腦發生了質的變化。因為電子管的體積大、功耗高、壽命短。而晶體管體積小、功耗低、壽命也比較長。1954年，貝爾實驗室製造出第一台晶體管電腦TRADIC，這台電腦大概有衣櫃那麼大(雖然還是很大但是和第一代比已經小很多了)，裝有800個晶體管。第二代電腦比第一代電腦有更強的計算能力，最大的改善在浮點數運算方面。另外在此期間出現了進階語言和軟體的概念。

為TRADIC

 

第三代電腦(20世紀60年代~70年代) - 整合電路。

關鍵字：作業系統。

1958年，美國德州儀器公司和仙童半導體公司幾乎同時發明了整合電路。同樣也是過了幾年後，整合電路也開始用於電腦的製造。1964年IBM 公司一次性推出了採用整合電路的6種型號的電腦，也就是360系列，分大、中、小型。第三代電腦比第二代比速度更快、容量更大、功耗更低、體積更小、價格更低。此時的運算速度已經達到每秒百萬層級。另外在此期間出現了作業系統的概念。

為IBM 360/91

 

第四代電腦(20世紀70年代末至今) - 超大規模整合電路。

關鍵字：互連網。

第四代電腦和第三代電腦一樣都是採用整合電路技術，只不過第四代稱為超大規模整合電路。其實就是人們工藝上的進步能在一塊晶片上整合更多的晶體管。超大規模只是個稱呼而已，最開始只有4隻晶體管，曆史上把幾個幾十個叫小規模，幾百幾千個叫中規模，幾萬幾十萬叫大規模，幾百萬幾千萬就叫超大規模了。如今的整合數量已經是百億層級了。這當中有一個規律叫摩爾定律，是由英特爾公司的戈登·摩爾於1965年提出來的，內容是：一塊晶片上整合的晶體管數目每過18個月翻一番。而更高的整合度代表了更快的速度、更大的容量等等。另外互連網也是第四代電腦的標誌。

為現在的蘋果電腦