微处理器萌芽阶段V1参考

1、微处理器的萌芽阶段1. 时间范畴1946年02月14日世界第二台电子计算机ENIAC诞生1971年11月15日世界第一块商用计算机微处理器诞生。2. 核心技术术语ABC阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff-Berry Computer，简称ABC）是世界上第一台电子计算机，为爱荷华州立大学的约翰文森特阿坦那索夫（John Vincent Atanasoff）和他的研究生克利福特贝瑞（Clifford Berry）在1937年至1941年间开发。ENIAC世界上第一台电子计算机其实是ABC(Atanasoff-Berry Computer,阿塔纳索夫-贝瑞计算机) ENIAC是第二台。 以前的资料声称第一台电子计算机叫 ENIAC（中文名：埃尼阿克） （电子数字积分计算机的简称，英文全称为 Electronic Numerical Integrator And Computer），它于1946年2月14日在美国宣告诞生。 承担开发任务的“莫尔小组”由四位科学家和工程师埃克特、莫克利、戈尔斯坦、博克斯组成，总工程师埃克特在当时年仅24岁。EDVACEDVAC (Electronic

2、Discrete variable Automatic Computer)。离散变量自动电子计算机。1945年冯诺依曼以“关于EDVAC的报告草案”为题，起草了长达101页的总结报告。报告广泛而具体地介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想。这份报告是计算机发展史上一个划时代的文献，它向世界宣告：电子计算机的时代开始了。EDVAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的职能和相互关系报告中，诺伊曼对EDVAC中的两大设计思想作了进一步的论证，为计算机的设计树立了一座里程碑。设计思想之一是二进制，他根据电子元件双稳工作的特点，建议在电子计算机中采用二进制。报告提到了二进制的优点，并预言，二进制的采用将大简化机器的逻辑线路。冯诺伊曼结构：冯诺伊曼结构，也称普林斯顿结构，是中央处理器的体系架构之一。是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同。 根据冯诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：把需要的程序和数据送至计算机中

3、。必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。能够按照要求将处理结果输出给用户。 为了完成上述的功能，计算机必须具备五大基本组成部件，包括：输入数据和程序的输入设备、记忆程序和数据的存储器、完成数据加工处理的运算器、控制程序执行的控制器、输出处理结果的输出设备。 其中，运算器、控制器是计算机中央处理器最原始的组成部分。哈佛结构：哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。 哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多，除了上面提到的Microchip公司的P

4、IC系列芯片，还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安谋公司的ARM9、ARM10和ARM11，51单片机也属于哈佛结构。超级哈佛结构：(super Harvard architecture，缩写为SHARC)如图(c)所示，它在哈佛结构上增加了指令cache(缓存)和专用的I/O控制器。冯诺伊曼结构和哈佛结构的主要区别：冯诺伊曼结构的程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同。而哈佛结构的程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度。冯诺依曼型计算机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制冯诺伊曼结构的在面对高速、实时处理时，不可避免地造成总线拥挤。哈佛结构的改进：哈佛结构是一种并行体系结构，它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统的4条总线：程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线课允许在一个机器周期内同时获得指令字（来自程序

5、存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高了执行速度，使数据的吞吐率提高了1倍。又由于程序和数据存储器在两个分开的物理空间中，因此取指和执行能完全重叠。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码後得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度。 哈佛结构的计算机由CPU、程序存储器和数据存储器组成，程序存储器和数据存储器采用不同的总线，从而提供了较大的存储器带宽，使数据的移动和交换更加方便，尤其提供了较高的数字信号处理性能。电极-electrode：用于传导电流的金属丝。半导体技术-semiconductor technology：半导体技术就是以半导体为材料，制作成组件及集成电路的技术。在周期表里的元素，依照导电性大致可以分成导体、半导体与绝缘体三大类。最常见的半导体是硅（Si），当然半导体也可以是两种元素形成的化合物，例如砷化镓（GaAs），但化合物半导体大多应用在光电方面。绝大多数的电子组件都是以硅为基材做成的，因此电子产业又称为半导体产业。半导体技术最大的应用是集成电路（

6、IC）。运算器-arithmetic unit：计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件（ALU）。运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。寄存器-register：寄存器是中央处理器内的组成部分。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和地址。在中央处理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)。在中央处理器的算术及逻辑部件中，包含的寄存器有累加器(ACC)。1T1C：动态随机存储器（DRAM）的核心存储单元 1T1C(一个晶体管搭配一个电容)自发明以來，立即成为所有计算机內最主要的读写元件，至今未曾改变（图 1）。1101芯片：Intel公司研制的第一种硅栅MOS产品，1101以及后续研制的1102芯片均未获得市场的认可。1103芯片：1103芯片是第一款广泛应用的DRAM芯片，是1K动态随机存取存储器。1970年投放市场，在1971年底,在世界上18家主要的大型计算机制造商中有14家是1

7、103存储芯片的用户。4004芯片：由Intel工程师Federico Faggin，Ted Hoff和 Stan Mazor研制出了4004微处理器（美国专利号：No.3，821，715），是第一块商用计算机的微处理器。摩尔定律：摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。3. 关键技术3.1背景技术/技术突破诱因一般而言，现代计算机的发展可分为四个阶段，第一代电子管计算机 (1946-1957)1946年2月15日，标志现代计算机诞生的ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)在费城公诸于世。ENIAC代表了计算机发展史上的里程碑，它通过不同部分之间的重新接线编程，还拥有并行计算能力。ENIAC由美国政府和宾夕法尼亚大学合作开发，使用了18000个电子管，70000个电阻器，有5百万个焊

8、接点，耗电160千瓦，其运算速度为每秒5000次。 第一代计算机的特点是操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢。另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据 .第二代晶体管计算机 (1957-1964)1948年，晶体管发明代替了体积庞大电子管，电子设备的体积不断减小。1956年，晶体管在计算机中使用，晶体管和磁芯存储器导致了第二代计算机的产生。第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。1960年，出现了一些成功地用在商业领域、大学和政府部门的第二代计算机。第二代计算机用晶体管代替电子管，还有现代计算机的一些部件:打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。计算机中存储的程序使得计算机有很好的适应性，可以更有效地用于商业用途。在这一时期出现了更高级的COBOL和FORTRAN等语言，使计算机编程更容易。新的职业(程序员、分析员和计算机系统专家)和整个软件产业由此诞生。第三代集成电路计算机 (1964-1972)1958年德州仪器的工程师Jack Kilby发明了集成电路(IC)，将三种电子元件结合到一片小小的硅片上。更多的元件集成到单一的半导

9、体芯片上，计算机变得更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。第四代大规模集成电路计算机 (1972-现在)大规模集成电路 (LSI) 可以在一个芯片上容纳几百个元件。到了 80 年代，超大规模集成电路 (VLSI) 在芯片上容纳了几十万个元件，后来的 (ULSI) 将数字扩充到百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。 70 年代中期，计算机制造商开始将计算机带给普通消费者，这时的小型机带有友好界面的软件包，供非专业人员使用的程序和最受欢迎的字处理和电子表格程序。 1981 年， IBM 推出个人计算机 (PC) 用于家庭、办公室和学校。 80 年代个人计算机的竞争使得价格不断下跌，微机的拥有量不断增加，计算机继续缩小体积。与 IBM PC 竞争的 Apple Macintosh 系列于 1984 年推出， Macintosh 提供了友好的图形界面，用户可以用鼠标方便地操作。世界上第一块商用微处理器芯片为4004芯片，于1971年由Intel公司推出。微处理器的是伴随着计算机的发展而产生的，其出现有其必然性，总体而言，促使微型处理器出现的技术突破诱因主要包括以下两个方面：第一，半导体技术的出现和发展，晶体管逐渐代替电子管，计算机系统不断地沿小型化的路线发展；（电子管晶体管）第二，集成电路的出现使计算机系统的模块集成化，性能更加稳定，促进了计算机的广泛引用。（集成电路的出现）具体而言：电子管-radio tube：1883年，发明大王托马斯爱迪生正在为寻找电灯泡最佳灯丝材料，曾做过一个小小的实验。他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝，希望铜丝能阻止碳丝蒸发。但是他失败了，他无意中发

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