作者简介
甄建勇，高级架构师（某国际大厂），十年以上半导体从业经验。主要研究领域:CPU/GPU/NPU架构与微架构设计。感兴趣领域:经济学、心理学、哲学。
“以铜为鉴，可以正衣冠；以人为鉴，可以明得失；以史为鉴，可以知兴替。”
----唐太宗，《旧唐书·魏徵传》
从事一个领域的研究，首先要了解的就是这个领域的发展历史，“人民群众是历史的创造者”，所以在介绍计算机体系结构的历史的同时，还要重视‘人’的重要作用。
关于太极和八卦，神书《易经》中有如下描述：“易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦。”关于太极，孔颖达疏：“太极谓天地未分之前，元气混而为一，即是太初、太一也。”从中可以看出，太极就是2的0次方，两仪就是2的1次方，四象就是2的2次方，八卦就是2的3次方。太极到八卦的演变如图8所示。
图8 太极到八卦的演变
仔细观察上图，太极分为阴阳两部分，如果把‘阳’，也就是长实线当做数字‘1’，把‘阴’，也就是两条短线当做数字‘0’，我们就会发现，八卦的顺序，从‘坤’开始，到‘乾’结束，正好是，坤‘000’，艮‘001’，坎‘010’，巽‘011’，震‘100’，离‘101’，兑‘110’，乾‘111’。
同样，如果也按这个顺序，将8个数字对称的放在一个圆上，就是一个八卦图了。如图1-8就是伏羲八卦。
图9 伏羲八卦方位
前面说过，在十进制计算机的发展历史中是‘三十年河东，三十年河西’，二进制计算机也不例外。我们中华民族很早就开始使用二进制，但是属于‘河西’的舞台还是到来了。
上面提到第一台电子管计算机ENIAC，这台计算机出现时采用的还是十进制，让研制工作十分幸运的是，当时任弹道研究所顾问、正在参加美国第一颗原子弹研制工作的数学家冯·诺依曼带着原子弹研制（1944年）过程中遇到的大量计算问题，在研制过程中期加入了研制小组。原本的ENIAC存在两个问题，没有存储器且用布线接板进行控制。如果要使用，甚至要搭接几天，计算速度也就被这一工作抵消了。1945年，冯·诺依曼和他的研制小组在共同讨论的基础上，发表了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”，就是著名的EDVAC（ElectronicDiscrete Variable Automatic CompUter），在此过程中他对计算机的许多关键性问题的解决作出了重要贡献，从而保证了现代计算机的顺利问世。
EDVAC，（离散变量自动电子计算机）是一台美国早期电子计算机。与它的前任ENIAC不同，EDVAC采用二进制，而且是一台冯·诺伊曼结构的计算机。
ENIAC和EDVAC的建造者均为宾夕法尼亚大学的电气工程师约翰·莫奇利和普雷斯波·艾克特。1944年8月，EDVAC的建造计划就被提出；在ENIAC充分运行之前，其设计工作就已经开始。和ENIAC一样，EDVAC也是为美国陆军阿伯丁试验场的弹道研究实验室研制。
后来，冯·诺伊曼以技术顾问身份加入，总结和详细说明了EDVAC的逻辑设计，1945年6月发表了一份长达101页的报告，这就是著名的关于EDVAC的报告草案，报告提出的体系结构一直延续至今，即冯·诺伊曼结构。关于101页报告的内容，请参考后面‘参考文献’的相关部分。
图10 101页报告
EDVAC的初步预算为十多万美元，但最终的成本大约超过估计的4倍，约五十万美元。EDVAC使用了大约6000个真空管和12000个二极管，占地45.5平方米，重达7850千克，消耗电力56千瓦。EDVAC是二进制串行计算机，具有加减乘和软件除的功能。一条加法指令约864微秒，乘法指令2900微秒（或2.9毫秒）。 使用延迟线存储器，具有1000个44位（bit）的字。
物理上包括：
一个磁带记录仪
一个连接示波器的控制单元
一个分发单元，用于从控制器和内存接受指令，并分发到其他单元
一个运算单元
一个定时器
使用汞延迟线的存储器单元
EDVAC于1949年8月交付给弹道研究实验室。在发现和解决许多问题之后，直到1951年EDVAC才开始运行，而且局限于基本功能。延迟的原因是因为莫奇利和艾克特从宾夕法尼亚大学离职，开始组建莫奇利-艾克特电子计算机公司并带走了大部分高级工程师，由此与宾夕法尼亚大学产生了专利纠纷。到1960年，EDVAC每天运行超过20小时，平均8小时无差错时间。EDVAC的硬件不断升级，1953年添加穿孔卡片输入输出；1954年添加额外的磁鼓内存；1958年添加浮点运算单元。直到1961年，EDVAC才被BRLESC所取代；在其运行周期里，EDVAC被证明是一台可靠的计算机。
人的欲望是一个无底洞，自从电子管发明之后，人们发现电子管有很多缺点，比如电子管的重量和体积都很大，功耗也很高。人们想克服这些缺点，于是在电子管发明后不久的1947年，重量更轻，体积更小，功耗更低的晶体管被发明了。如图11所示。
图11 点接触晶体管
晶体管，本名半导体三极管。它是内部含有两个PN结，外部通常为三个引出电极的半导体器件，对电信号有放大和开关等作用。晶体管经历了点接触晶体管、结型晶体管到新型晶体管的发展历程。
1947年，美国贝尔实验室的物理学家肖克利（William Shockley，1910－1989）、巴丁（John Bardeen，1908－1991）和布拉顿（Walter Houser Brattain，1902－1987）研制成功世界上第一只晶体管。这是利用两个靠得很近的触须接点制造而成的“点接触型晶体管”，能把音频信号放大100倍。点接触型晶体管存在制造工艺复杂、噪声大、适用范围窄等缺点。为此，肖克利提出用“整流结”来代替金属半导体接点的设想。1950年，基于这一设想的锗结型晶体管问世。此后，各种新型晶体管不断被发明出来，如合金晶体管、漂移晶体管、台面晶体管，平面晶体管、外延晶体管、金属氧化物半导体晶体管、功率晶体管等。
说到晶体管的发明过程，这里还要多说几句。其实世界上第一个晶体管是1947年由肖克利和他的两助手布拉顿、巴丁在贝尔实验室工作时发明的，为此，肖克利三人于1956年获得诺贝尔物理学奖。用晶体管代替电子管制造电脑，在电脑史上是一次突破性技术飞跃。
1945年二战结束后，贝尔实验室迅速批准固体物理学研究项目上马，凯利作为决策者在课题任务书上签署了大名。由肖克利领衔，布拉顿、巴丁等人组成的半导体小组把目光盯住了那些特殊的“矿石”。肖克利首先提出了“场效应”半导体管实验方案。
1947年的圣诞前某一天，贝尔实验室中，布拉顿平稳地用刀片在三角形金箔上划了一道细痕，恰到好处地将顶角一分为二，分别接上导线，随即准确地压进锗晶体表面的选定部位。电流表的指示清晰地显示出，他们得到了一个有放大作用的新电子器件！布拉顿和巴丁兴奋地大喊大叫起来，闻声而至的肖克利也为眼前的奇迹感到格外振奋。布拉顿在笔记本上这样写道：“电压增益100，功率增益40…… 实验演示日期1947年12月23日下午。”作为见证者，肖克利在这本笔记上郑重地签了名。
1948年，美国专利局批准了贝尔实验室这种被命名为晶体管的发明专利。然而，专利书上的发明人只列着布拉顿和巴丁。此后，肖克利一举攻克晶体管中的另一座“堡垒”：他发明了一种“结型晶体管 ”，离布拉顿和巴丁发明“点接触型晶体管”的时间仅隔一年。人们后来知道，结型晶体管才是现代晶体管的正宗始祖，它预示着半导体技术的发展方向。
1948年7月1日，美国《纽约时报》只用了8个句子的篇幅，简短地公开了贝尔实验室发明晶体管的消息。“一石激起千层浪”，它就像颗重磅炸弹，在全世界电子行业“引爆”出强烈的冲击波。电子计算机终于就要大步跨进第二代的门槛！
1954年，贝尔实验室使用800支晶体管组装成功人类有史以来第一台晶体管计算机 TRADIC。如图12所示。
图12 第一台晶体管计算机TRADIC
晶体管可以说是20世纪最伟大的发明之一，是微电子技术革命的先声。与电子管相比，晶体管体积大为缩小，因其低成本、灵活性和可靠性等特点而被广泛应用于通信、广播电视、计算机等电子工业领域，并为后来集成电路的诞生奠定了基础。
晶体管发明并大量生产之后，各式固态半导体组件如二极管、晶体管等大量使用，取代了真空管在电路中的功能与角色。到了20世纪中后期半导体制造技术进步，使得集成电路成为可能。相对于手工组装电路使用个别的分立电子组件，集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小芯片，是一个巨大的进步。集成电路的规模生产能力，可靠性，电路设计的模块化方法确保了快速采用标准化IC 代替了设计使用离散晶体管。
IC 对于离散晶体管有两个主要优势：成本和性能。成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术，作为一个单位印刷，而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件快速开关，消耗更低能量，因为组件很小且彼此靠近。2006年，芯片面积从几平方毫米到几百平方毫米，每平方毫米可以达到一百万个晶体管。
第一个集成电路雏形是由杰克·基尔比于1958年完成的，其中包括一个双极性晶体管，三个电阻和一个电容器。
图13 Jack Kiby
杰克·基尔比（Jack Kilby）是集成电路的两位发明人之一（另一位是罗伯特·诺伊斯），为德州仪器的工程师，其于1958年发明集成电路，我们在学习数字电路的时候经常看到的‘JK触发器器’就是以他的名字命名的。
Jack Kilby是美国物理学家。1923年11月8日生于密苏里州杰裴逊城。1947年获伊利诺大学理学士学位，1950年获威斯康星大学理科硕士学位。1947～1958年任全球联合公司设计负责人。1958～1970年任得克萨斯仪器公司助理副经理。1978年后任得克萨斯A＆M大学教授。基尔比在集成电路方面获50项专利。1958年宣布制成第一块集成电路。稍后美国仙童公司的R.N. 诺伊斯也宣称制出第一块集成电路。1966 年研制出第一台袖珍计算器。获巴伦坦奖章、萨尔诺夫奖章、国家科学奖章、兹沃雷金奖章和伊利诺大学迪斯廷校友奖。2000年获得诺贝尔物理学奖。2005年6月20日因癌症在美国德州达拉斯市去世，享年81岁。
集成电路发明以后，其器件规模不断增大，根据一个芯片上集成的微电子器件的数量，集成电路可以分为以下几类：
小规模集成电路
SSI （ Small Scale Integration）逻辑门10个以下 或 晶体管 100个以下。
中规模集成电路
MSI （ Medium Scale Integration）逻辑门11~100个 或 晶体管 101~1k个。
大规模集成电路
LSI （ Large Scale Integration） 逻辑门101~1k个 或 晶体管 1,001~10k个。
超大规模集成电路
VLSI （Very large scale integration）逻辑门1,001~10k个 或 晶体管 10,001~100k个。
甚大规模集成电路
ULSI （Ultra Large Scale Integration）逻辑门10,001~1M个 或 晶体管 100,001~10M个。
GLSI （ Giga Scale Integration）逻辑门1,000,001个以上 或 晶体管10,000,001个以上。
而根据处理信号的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路、和兼具模拟与数字的混合信号集成电路。
有了集成电路，计算机不再是用整栋大楼存放的巨无霸了，计算机的体积变得越来越小，于是就出现了笔记本电脑-- Osborne 1，如图14所示。
图14 第一台笔记本电脑
这台电脑的配置如下：
上市时间: 1981年4月
价格: 1795美元
重量: 24.5 磅
CPU: Zilog Z80 @ 4.0 MHz
RAM: 64K RAM
显示器: 内置 5吋 显示器 53 X 24 文本
接口: 并口 / IEEE-488 调制解调器/ 串口
存储: 两个 5-1/4英寸的 91K 软驱
操作系统: CP/M
历史的车轮终于走到了今天，计算机变得越来越小，性能变得越来越高，计算机已经变成了我们的日常用品。如yy，就是我写本书时使用的电脑—T430s。
图15 我现在使用的笔记本电脑
我的电脑的配置如下：
屏幕尺寸：14英寸 1366x768
CPU型号：Intel 酷睿i5 3210M
CPU主频：2.5GHz
内存容量：4GB DDR3 1600MHz
硬盘容量：500GB 7200转
显卡芯片：NVIDIA Quadro NVS
操作系统：Windows 7 Home Bas
摄像头：集成摄像头
光驱类型：DVD刻录机 Rambo
无线网卡：Intel 2200 BGN
自此，我们回顾了计算机的发展历史，需要说的是，计算机发展的脚步并没有停下，而是越走越快，计算机的变化也是日新月异，我们需要在这巨变中把握住那些不变的东西，正是本文即将介绍的重点—计算机的体系结构。
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