前言计算机系统不是简单的硬件设备而是硬件、软件共同构成的自动化信息处理系统。本章从计算机的分类入手梳理计算机发展历史包含五代计算机演变、半导体存储器、微处理器发展以及国产处理器的发展历程搭建起计算机组成原理的基础认知。本文是我阅读教材整理的读书笔记内容以教材原文为依据。一计算机的分类按照输入输出信号形式计算机可以分为电子模拟计算机与电子数字计算机两大类。电子模拟计算机采用模拟电压信号完成运算数据是连续的电压量。运算精度低、存储能力弱逻辑判断能力差优点是运算过程连续。电子数字计算机使用0和1二进制比特表示数据依靠程序控制完成计算也就是我们日常所说的计算机。它精度高、存储量大拥有强大的逻辑判断能力。个人的感受是模拟计算机和数字计算机本质区别在于数据是连续还是离散。我们现在所有电脑、手机都属于数字计算机。模拟计算机虽然精度差但在连续物理仿真场景仍有价值。数字计算机还可以按照运算速度、存储容量、体系结构划分。早期按照规模分为超级计算机、大型机、工作站、PC、单片机。随着技术迭代这种按硬件规模的分类方式已经不太适用。现在更主流的划分方式是按照用途分为通用计算机和专用计算机。通用计算机支持加载不同软件适用场景广泛但针对特定任务时效率不一定最优。个人电脑就是典型通用计算机。专用计算机面向单一任务设计结构精简大多嵌入在仪器、家电、控制系统里在目标场景效率很高但通用性很差[1]。个人思考嵌入式设备里的专用计算机就在我们身边像智能手表、空调控制器它们只做固定任务不需要像电脑一样运行各类软件。二 计算机的发展简史1. 计算机的五代变化世界第一台电子数字计算机ENIAC1946年诞生于美国宾夕法尼亚大学。整机使用一万八千多个电子管体积庞大功耗极高运算速度仅每秒5000次。虽然设计不完善但开启了电子计算机时代。七十多年的发展历程计算机划分为五代。第一代1946~1957电子管计算机体积巨大、功耗高、成本昂贵、可靠性差。第二代1958~1964晶体管计算机数据处理能力提升体积缩小可靠性提高。第三代1965~1971中小规模集成电路计算机体积进一步缩小成本下降工业控制计算机开始落地应用。第四代1972~1990大规模、超大规模集成电路LSI、VLSI。计算机小型化、系列化运算速度大幅提升。第五代巨大规模集成电路单片计算机出现运算速度达到每秒十亿次级别。摩尔定律是这一阶段技术发展的核心规律芯片上晶体管数量大约每18个月翻一番。但随着芯片工艺逼近物理极限摩尔定律的增长速度已经逐步放缓[1]。具体来说摩尔定律由英特尔创始人戈登·摩尔在1965年提出最初描述的是集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔两年增加一倍。这一规律并非严格意义上的物理定律而是对半导体产业技术迭代速度的经验性观察它更像一个产业发展的“路线图”引导着芯片制造商不断推进工艺制程。在摩尔定律的驱动下芯片性能持续提升而单位成本不断下降这也直接推动了个人电脑、智能手机等消费电子产品的普及让高性能计算能力从实验室走向千家万户。然而随着芯片制程不断逼近物理极限晶体管尺寸已经缩小到几纳米级别量子效应和散热问题日益凸显单纯依靠缩小制程来提升性能的路径越来越艰难。近年来摩尔定律的增速明显放缓业界开始探索新的技术路线例如三维堆叠封装、先进封装技术、异构计算、Chiplet芯粒设计以及面向人工智能场景的专用加速芯片等试图在传统制程红利消退之后继续延续计算性能的增长。个人感悟以前我以为计算机变快只是CPU主频提高学习之后才明白核心是集成电路工艺不断进步。现在摩尔定律放缓行业也在寻找新的技术路线。2. 半导体存储器的发展20世纪50~60年代早期计算机依靠磁芯存储数据。1970年仙童半导体公司研制出第一片大容量半导体存储器。半导体存储器存储密度持续提升单位存储成本不断下降读写速度更快逐步取代磁芯成为计算机主流存储部件[1]。3. 微处理器的发展1971年Intel推出Intel 4004是世界上第一款微处理器。后续Intel 8008、8080相继问世8080是第一款通用8位微处理器。1978年Intel 8086开启16位微处理器时代80年代出现32位处理器1995年推出Pentium处理器现代通用处理器为64位单芯片晶体管数量可达千亿级别[1]。4.国产处理器技术的发展历程早期国内计算机科研起步较晚和国际先进水平差距较大桌面计算领域长期被国外处理器与操作系统生态垄断。近些年国产处理器逐步走向成熟海光、龙芯、华为鲲鹏、飞腾、申威等处理器实现自主研发-龙芯基于MIPS架构面向嵌入式、服务器、PC场景-飞腾ARM架构广泛应用于国产服务器、嵌入式设备-鲲鹏920华为研发ARM架构高性能处理器算力强劲多用于服务器-申威自主Alpha架构主打高性能计算搭载申威处理器的超算曾登顶TOP500榜单。国产处理器一定程度缓解了“卡脖子”难题但软件生态、配套工具链仍然存在短板。在国家政策与产业链协同推动下国内不断完善自主可控的信息产业体系[1]。个人想法硬件芯片制造只是第一步生态建设更加漫长。国产处理器想要普及不仅要芯片性能达标还需要大量适配的软件、驱动程序。学习小结本章作为计算机组成原理的开篇区分模拟计算机和数字计算机梳理五代计算机硬件器件迭代的脉络。同时认识存储器、微处理器的发展也了解国产处理器的现状。计算机硬件几十年迭代本质目标就是不断追求更小体积、更低功耗、更高运算速度。学习本章后我意识到计算机的发展不只是硬件的升级同时也推动整个软件、产业生态一起变革。参考文献[1] 教材编写组. 计算机组成原理[M].