計算機(jī)系統(tǒng)硬件發(fā)展探析

摘 要：硬件在計算機(jī)的發(fā)展中起到了決定性作用，本文首先對計算機(jī)的發(fā)展歷程做了簡單的介紹，以此引出組成計算機(jī)的硬件系統(tǒng)發(fā)展并進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。通過回顧計算機(jī)硬件的發(fā)展，并提出了具體的發(fā)展趨勢，我們相信計算機(jī)的發(fā)展前景會更加燦爛。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)硬件；發(fā)展；CPU

中圖分類號：TP393.05

1 計算機(jī)硬件的涵義以及組成

1.1 計算機(jī)硬件涵義

計算機(jī)硬件是一個統(tǒng)稱，具體包括計算機(jī)系統(tǒng)中的多類電子、機(jī)械和光電元件。這些元件組成一個有機(jī)的整體，可以為計算機(jī)軟件運行提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.2 計算機(jī)硬件組成及作用分析

計算機(jī)硬件是計算機(jī)的重要組成部分，其中包含了5個重要的組成部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。

1.2.1 運算器

計算機(jī)硬件中的運算器主要功能是對數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行運算和加工。運算器包括以下幾個部分：通用計算器、狀態(tài)寄存器、累加器和關(guān)鍵的算術(shù)邏輯單元。運算器可以進(jìn)行算術(shù)計算（加減乘除）和邏輯運算（與或非）。

1.2.2 控制器

控制器和運算器共同組成了中央處理器（CPU）?？刂破骺梢钥醋饔嬎銠C(jī)的大腦和指揮中心，它通過整合分析相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息，可以讓計算機(jī)的各個組成部分有序地完成指令。

1.2.3 存儲器

顧名思義，存儲器就是計算機(jī)的記憶系統(tǒng)，是計算機(jī)系統(tǒng)中的記事本。而和記事本不同的是，存儲器不僅可以保存信息，還能接受計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)不同的信息并對保存的信息進(jìn)行讀取。存儲器由主存和輔存組成，主存就是通常所說的內(nèi)存，氛圍RAM和ROM兩個部分。輔存即外存，但是計算機(jī)在處理外存的信息時，必須首先經(jīng)過內(nèi)外存之間的信息交換才能夠進(jìn)行。

1.2.4 輸入設(shè)備

輸入設(shè)備和輸出設(shè)備都是進(jìn)行人機(jī)互動的關(guān)鍵設(shè)備。鼠標(biāo)、鍵盤等輸入設(shè)備的出現(xiàn)，給計算機(jī)帶來了天翻地覆的變化。現(xiàn)有的鼠標(biāo)主要有兩類：光電鼠標(biāo)和機(jī)械式鼠標(biāo)。通過鼠標(biāo)，我們可以很方便地在計算機(jī)屏幕上進(jìn)行坐標(biāo)的定位，可以很好地操作圖形和軟件處理，為人類提供了最大的便捷。鍵盤也是一類非常重要的輸入設(shè)備，計算機(jī)大部分的指令都是通過鍵盤輸入來進(jìn)行的。

1.2.5 輸出設(shè)備

上文提到，輸出設(shè)備也是計算機(jī)人機(jī)互動的關(guān)鍵設(shè)備，它的特點是可以將計算機(jī)的信息以畫面的形式展現(xiàn)出來，具有很好的直觀性。常見的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、語音和視頻輸出裝置等。

2 計算機(jī)系統(tǒng)硬件的發(fā)展趨勢

計算機(jī)系統(tǒng)的硬件發(fā)展主要表現(xiàn)在兩個方面。傳統(tǒng)方面，硬件的發(fā)展主要是通過硬件或固件的發(fā)展，并研制和開發(fā)大規(guī)模的集成電路，以達(dá)到更小、更快、更簡便；概念方面，是通過研發(fā)新型的計算機(jī)模型，通過新的思路，新的構(gòu)架，新的載體等等來提高計算機(jī)的計算和處理能力，達(dá)到智能化，使之更為接近于人腦。

2.1 計算機(jī)硬件組成的發(fā)展

2.1.1 CPU的發(fā)展

中央處理器（CPU）的發(fā)展雖然經(jīng)歷了很多的階段，但是可以將CPU的發(fā)展劃分為兩個時代：主頻時代和多核時代。

主頻時代的主要特點就是唯主頻論，而且都是以單核形式出現(xiàn)的，大概時間是從1970年到2005年的30多年。

1971年，英特爾公司發(fā)明了世界上第一臺微型處理器，命名為4004，這是人類歷史上第一個用于計算的4位微處理器。劃時代的產(chǎn)品其實功能有限速度很慢，但是它的出現(xiàn)是計算機(jī)硬件發(fā)展重要的里程碑。

1978年，英特爾公司再次站在了時代的最前沿，首次發(fā)明并生產(chǎn)16位微處理器。1997年11月，英特爾和惠普公司共同研制成功了64位的EPIC架構(gòu)和相應(yīng)的產(chǎn)品計劃。而且終于在2004年底，AMD和英特爾公司都分別推出了64位的中央處理器。

CPU在經(jīng)歷了單核時代的發(fā)展后，終于在2006年進(jìn)入了一個全新的時代，雙核和多核時代，雙核處理器的出現(xiàn)徹底結(jié)束了唯主頻論的單核CPU時代。

在雙核CPU的技術(shù)上，實力雄厚AMD和英特爾公司又站在了時代的前沿。不過在雙核技術(shù)處理上，兩個公司的做法卻截然不同。AMD公司的做法是通過相關(guān)的技術(shù)將兩個內(nèi)核拼湊在一起，并進(jìn)行架構(gòu)的連接提升集成度。該做法的優(yōu)點是，雖然是雙核技術(shù)，但其本身的功耗卻和單核一樣，而計算速度卻是單核的兩倍。而英特爾公司的雙核技術(shù)是采用了兩個獨立的內(nèi)核，內(nèi)核之間并沒有任何的連接，相比AMD的雙核，其功耗增加了很多。所以在用戶的實際使用中，AMD的雙核技術(shù)更被接受和認(rèn)可。

雖然英特爾公司的雙核設(shè)計理念落后于AMD，但是經(jīng)過多次的研發(fā)，英特爾在2012年4月發(fā)布了全新的IVB處理器，可以在更大的程度上滿足用戶的需求。

通過對CPU發(fā)展的兩個時代的分析，我們可以知道，對于計算機(jī)硬件的發(fā)展來說，雙核和多核處理器的出現(xiàn)是必然的，而且也是符合市場需要的。因為無論是在用戶體驗，還是在技術(shù)進(jìn)步上，雙核處理器都有單核無法比擬的優(yōu)勢。未來的研發(fā)精力也將更多的關(guān)注于雙核和多核處理器。雙核將是未來市場主流中央處理器的發(fā)展趨勢。

2.1.2 存儲器的發(fā)展

按照存儲器的模式來分，計算機(jī)硬件存儲器組要分為以下三種模式：DAS模式、NAS模式和SAN模式。DAS模式的主要優(yōu)點是操作簡單、成本較低而且性能高，但是安全性和擴(kuò)展性不夠。NAS模式的特點獨立PC服務(wù)器，擴(kuò)展性好，但是數(shù)據(jù)傳輸速度不高。SAN模式是一個存儲的網(wǎng)絡(luò)模式，所有的存儲設(shè)備通過光纖進(jìn)行連接，并配備交換機(jī)，顯而易見其優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸速度快，擴(kuò)展性強(qiáng)。但是SAN模式也有個明顯的缺點，即技術(shù)相對復(fù)雜，成本比較高。

存儲器的發(fā)展有個特點，存儲空間更大，體積更小，功耗更低的發(fā)展趨勢。這種趨勢尤其在Flash Memory表現(xiàn)的尤為突出。大小低的發(fā)展趨勢也符合科技發(fā)展的潮流，另外也促進(jìn)了便攜產(chǎn)品的發(fā)展。

2.1.3 外圍設(shè)備的發(fā)展

外圍設(shè)備主要包括輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。在計算機(jī)硬件發(fā)展的初期，外圍設(shè)備的地位并不是很高。上世紀(jì)70年代以后，隨著外圍設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，其重要性也越來越大，很多高性能產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，從而使得外圍設(shè)備在計算機(jī)硬件中的地位越來越重要，人機(jī)互動也越來越友好。在多媒體時代來臨之后，外圍設(shè)備更是朝智能化方向發(fā)展。相信外圍設(shè)備的比重也會越來越大。

2.2 新型計算機(jī)的發(fā)展

根據(jù)摩爾定律，集成電路上可容納的電晶體數(shù)目，約每隔24個月便會增加一倍。該定律被認(rèn)定至少持續(xù)到2015年或2020年。我們可以很明顯的感覺到，到今天為止，電晶體的數(shù)目增加速度在放緩，顯而易見，傳統(tǒng)計算機(jī)要想繼續(xù)大幅度的提高計算機(jī)性能，遇到的困難將會越來越大。面對如此情況，我們必須從另外的角度去追求計算機(jī)的更高的發(fā)展。

21世紀(jì)是生物世紀(jì)，人類發(fā)明計算機(jī)的初衷也是要其代替人腦來活動。因此很多科學(xué)家利用生命的最基本原理去實現(xiàn)計算機(jī)的突破。很多概念性的計算機(jī)已經(jīng)有了理論依據(jù)甚至試驗成功。近年來的量子計算機(jī)，可穿戴計算機(jī)，生物芯片計算機(jī)的提出就是最好的證明。這些新技術(shù)將會給計算機(jī)帶來更偉大的發(fā)展和進(jìn)步，引發(fā)新一輪的計算機(jī)革命。

以生物計算機(jī)為例，生物計算機(jī)的主要原理就是利用蛋白質(zhì)分子的形成過程，并將蛋白質(zhì)分子做成生物芯片，蛋白質(zhì)分子的形成過程就是信息的數(shù)據(jù)存儲過程。該芯片的信息是以波的形式傳播的，當(dāng)信息沿著蛋白質(zhì)分子鏈傳播時，氨基酸鏈中的鍵結(jié)構(gòu)順序會發(fā)生變化，就像電路中的電子移動一樣，而且其的運算速度要比現(xiàn)有的計算機(jī)要快，而且蛋白質(zhì)這類大分子的生命物質(zhì)具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，安全率更高，而能量消耗卻非常低。而且大分子的信息存儲能力非常巨大，我們可以相應(yīng)在未來的計算機(jī)硬件發(fā)展中，這些現(xiàn)有的概念計算機(jī)將會寫上濃重的一筆。

3 結(jié)語

時代在變，計算機(jī)硬件的發(fā)展也在變。國內(nèi)外的有關(guān)部門也在投入巨大的人力物力在推動計算機(jī)硬件的發(fā)展。我們相信在不久的未來，計算機(jī)硬件以及計算機(jī)的發(fā)展會越來越輝煌。

參考文獻(xiàn)：

[1]張敬偉.關(guān)于CPU現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].華章，2013（6）：307.

[2]陳錦潤.計算機(jī)硬件發(fā)展研究[J].時代人物，2008（6）：166-167.

作者單位：沈陽廣播電視大學(xué)，沈陽 110003