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《电子技术史话》
微处理器——新的设计模式
佳语奇文   
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相当长的一段时间,电子元器件都是专门的、特定功能的产品。运算放大器可能是第一种通用器件,然而运放的功能终究有限,无非是放大还有通过外部电路的配置完成一些数学运算。而微处理器的出现是一个飞跃,微处理器的出现为电子产品的设计带来了一个新的模式。即由原来用不同元器件的组合来完成特定的功能的模式,转变为通过程序的编写来完成特定的功能的模式。这个转变使完全不同功能的产品可能具有相同的硬件结构,而区别仅仅在于程序。这种设计模式把电子产品的设计划分为硬件设计和软件设计两个部分。硬件设计开始实现标准化,软件设计的高度灵活,这两者保证了产品在具有比以往强大得多的功能的同时,成本得以显著降低。

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世界上第一款微处理器来自于英特尔,代号4004。它内部集成了2250个晶体管,能够处理4bit的数据,主频0.74MHz,每秒运算6万次。这样的性能在如今连普通的计算器都不如,但是在当时4004绝对是一件划时代的产品。他标志着计算机这种原本只存在于政府、大学、国防机构的庞然大物,开始变成一个普通的电器进入寻常百姓的家庭。

计算机的起源相对较早,除了我们之前说过的模拟计算机,数字计算机几乎也在同一时刻开始出现。1854年,39岁的乔治·布尔发表了《思维规律》一书,标志着布尔代数这门学科的问世。但在当时,没有引起人们的重视。1938年,克劳德·艾尔伍德·香农(Claude Shannon)发表了他的伟大论文——《对继电器和开关电路中的符号分析》,文中首次提及数字电子技术的应用。在论文中,他论述了如何使用简单的开关元件来实现逻辑和数学运算。这标志着二进制电路和逻辑门开始在电子设计中应用。

克劳德·艾尔伍德·香农(Claude Shannon)

香农这个人最广为人知的工作是创立了信息论,并为数字通信奠定了基础。而《对继电器和开关电路中的符号分析(A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits)》一文,其实是他的硕士论文。当时香农正在麻省理工读电子工程硕士。这时的香农就已经注意到电话交换电路和布尔代数之间的关联,即把布尔代数的“真”与“假”和电路系统的“开”与“关”对应起来,并用1和0表示。于是他用布尔代数分析并优化开关电路,这就奠定了数字电路的理论基础。

随后在1945年,真正意义上的通用电子计算机ENIAC被制造出来,但是他的编程却非常不便,每一次编程都是物理线路的再连接。开发ENIAC的小组继续完善,最终实现了我们今天所熟知的冯·诺依曼结构。这个体系成为了相当长的一段时间内几乎所有计算机的基础,直到最近几年ARM的飞速发展才将这一局面打破。

ENIAC

计算机的发展经历了电子管、晶体管两个阶段后,集成电路在上世纪60年代出现。这时的英特尔公司率先推出了微处理器4004,而后又推出了8008。8008将位宽扩展到8bit,采用PMOS工艺,指令系统仍然不完善,主要用于工业仪表和控制。微处理器将原来复杂的计算机系统的核心功能集成到一个芯片(注:集成电路(IC)又叫芯片(Chip))里,只要在外面搭配存储器、IO设备,即可成为一台计算机,微处理器的出现使计算机的体积大大缩小。

1978年,英特尔推出了16位的微处理器8086/8088,并且第一次提出来指令集的概念。1981年,美国IBM公司研制推出了世界上第一款个人电脑(Personal Computer,PC),开创了全新的PC时代。这台PC采用8088处理器,运行微软的MS-DOS系统。事实上,也是PC取得的巨大成功,使得英特尔和微软分别成为了芯片界和软件界的两大巨头。后来英特尔相继推出了80286、80386、80486、奔腾、奔腾II……等等一些列的x86指令集微处理器,而微软则推出了DOS、Windows3.2、Windows95、Winddows98、Windows2000、WindowsXP等一系列操作系统。x86和Windows成为了PC界的工业标准,全世界所有的电脑生产企业、软件企业、互联网企业等生产的所有硬件、软件都遵循这个体系。使得无论是谁生产的内存、无论谁生产的CPU、无论是什么软件,只要是能兼容的特定型号,就一定能组成一台PC机。

IBM-PC

除了在PC上取得的重大成功,由于微处理器的出现使计算机的体积大大缩小,以至于可以方便的嵌入到工业仪表、过程控制等系统内,使得嵌入式计算机系统也开始大规模应用。所谓嵌入式计算机系统,就是将特定的计算机系统嵌入在其他系统中,作为核心的控制单元,完成对其他的系统的控制和调度。微处理器从输入设备获取外界的信息,经过计算后,通过输出设备将结果反馈给外界。原本需要通过复杂的电路来实现的功能,现在都能通过编写代码来实现。因此微处理器的出现可以看作一个里程碑。在这之后,电子产品的设计将分成两部分——硬件设计和软件设计,而在此之前,这是不可想象的。

+

-完-
我要评论
理性边界 2018-01-25 20:54
大学的时候,电子学的最差,如果当时有这种深入浅出,加入很多故事的科普作为参考书就好了!
佳语奇文 2018-01-17 20:55
喜欢的同学,可以移步作者的个人网站和微信公众号,不定期继续更新中(*^__^*) 个人网站:www.jyqw.xyz 微信公众号:佳语奇文
科普作品
电子技术史话
| 目录  (共12章)
评委点评 评语汇总

图文并茂的一篇科普文章,把电子技术的前世今生都讲了一遍。如果不限制字数,我相信作者可以继续写到现在的量子计算机。作者在使用生活化的语言讲述电子元器件发展的过程中,也讲述了几位对电子学做出杰出贡献的科学家,内容丰富饱满,是一篇不错的科普文章。

2018-01-24 16:15 匿名 ——

作者将电子的技术发明、创新,科学的发现,新技术的应用,创业、产业的发展,代表性人物的关键性贡献等方面内容用十分生动的笔触很有条理地串在一起、融为一体,读来兴趣盎然,不忍释卷,本文是一篇难得的有趣有知有味的科普佳作。更难得的是作为90后的作者,还非常谦虚,可贺更可喜!建议:适当减少溯源性的插述,以使主线更清晰,让读者一口气读下去。插述多了,读者就会走神。也建议多修改,彻底消灭错别字。

2018-01-28 11:42 匿名 ——

很不错的一篇科学史,图文并茂,通俗易懂。

2018-02-05 21:04 匿名 ——

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