下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
在过去的60年中，数字逻辑改变了整个世界，整个世界朝着数字化方向发展。今天我们所熟悉的计算机是在第二次世界大战后才出现在人类世界中的。表1.1给出了计算机和数字逻辑发展历史上的重大事件，从该表可以看出数字逻辑设计技术经过了近400年逐步演化的过程。
最古老的算盘就是一种帮助人们进行计算的工具，算盘外面有一个木框，木框中嵌有细杆，杆上串有算盘珠，算盘珠可沿细杆上下拨动，通过用手拨动算珠来完成算术运算。
直到16世纪，人类才开始真正设计帮助人类进行计算的机器。这些计算机器中，最著名的是Blaise Pascal于19岁时发明的Pascaline，用于帮助其父亲进行税务计算工作。Blaise Pascal建立了5～8个数字版本的Pascaline，每个数字与一个表盘、轴和齿轮关联，该计算机器能进行加法和减法（通过生成减数的9位补码进行加法运算）运算。然而，由于机械故障，导致该计算机器失败，并且其运算能力也非常有限。
Charles Babbage被认为是“计算机之父”，他在1823年建立了差分机工作模型，这个模型可用于计算数学表（如对数），通过差分方法计算一个表中的6位数字。Charles Babbage为差分机制订了详细的计划，该模型可以最多计算到20位，并且可以生产一个金属盘用于打印表格。通过英国政府的资助，Charles Babbage和其主要的机械工程师一起工作尝试建立差分机器。由于技术和个人问题（当前的机器工具不能满足Charles Babbage的精度要求和妻子的病逝，以及与机械工程师的意见不一致），一直妨碍着这个机器的建成。在1834年，Charles Babbage设想了一种更强的分析机，该分析机用于解决数学问题。但是，政府于1842年终止了这个项目。尽管Charles Babbage知道在那个时代不可能建立分析机，但是他余生致力于设计这种机器，给出了分析机的大量注释，包含成百个轴和上千个齿轮与轮子，也包括今天计算机的很多部件（如存储器和CPU，其中打孔卡用于给机器编程）。
表1.1 计算机和数字逻辑发展历史上的重大事件
续表
使用自动织机打孔进行编程的灵感由Joseph-Marie Jacquard于1801年提出。在1880年，Herman Hollerith作为美国人口普查的代理人开始工作，1880年普查的数据将花很多年进行制表。1882年，他成为MIT的机械工程教员，随后发明了一个电子机械式系统，该系统能用于对包含统计数据的打孔卡进行计算与分类。该机器可以实现在6周内对1890年的人口统计数据进行制表。1896年，Hollerith成立了制表机器公司，后来成为IBM公司。
研制计算机方面的另一个推动力是第二次世界大战，在宾夕法尼亚大学的电气工程摩尔学院，J.Presper Eckert和John W.Mauchly开始研制数字积分器与微分器ENIAC，他们是这个大型电子计算器的主要设计者。从1944年开始，他们专注下一个计算机电子离散变量计算机EDVAC的研制，这是首个存储程序计算机。然而，由于在专利权方面的意见不一，他们于1946年离开了摩尔学院，然后创立了电子控制公司，其目的是生产通用的自动化计算机UNIVAC。由于资金问题所困，他们于1948年重新组建了Eekert-Mauchly计算机公司，并于1950年将其卖给了Remington Rand。
IBM公司于1953年发布了首台电子计算机，比贝尔实验室发明晶体管提早了6年。晶体管的出现对数字逻辑和计算机产生了深远的影响。半导体内的电子能控制电流和电压的思想，对现代半导体的发展产生了深远的影响。固态技术的不断推进，使得在20世纪60年代产生了集成电路，并分别在20世纪70年代和80年代诞生了微处理器与可编程逻辑器件。
1965年戈登·摩尔提出了著名的“摩尔定律”，并且于1975年进行了修正。该定律的主要内容包括：大约每隔18个月，集成电路上可容纳的晶体管数目就会增加一倍，性能也将提升一倍。也就是说，当价格不变时，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律成为半导体工艺不断发展的指南。在过去的40多年以来，半导体技术的发展一直服从于摩尔定律给出的发展路线。如图1.1所示，该图给出了Intel公司CPU的发展路线，该路线清楚地表明了半导体的发展趋势和摩尔定律相吻合。
图1.1 Intel公司CPU的发展路线
微处理器的发展，对人类的生活产生了重要的影响。今天，处理器几乎嵌入到了所有的产品中，范围从手机到汽车等方面。通过执行保存在存储器里的程序指令，通用微处理器可用于实现通用的算法。
随着现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的发展，很多算法可以在FPGA内直接实现，这要比微处理器通过执行程序指令来实现算法要快得多，这是因为FPGA的本质是并行的。
思考与练习1-1： 根据表1.1给出的重大事件，完成下面的题目。
（1）晶体管的发明时间是________年。
（2）第一片集成电路的发明时间________年。
（3）在________年，逻辑代数体系由________提出。
（4）在________年，提出摩尔定理，并于________年进行修正。
（5）在________年，VHDL成为国际标准，其标准号为________。
（6）在________年，Verilog HDL成为国际标准，其标准号为________。
（7）在________年，美国Xilinx公司发明了全球第一片现场可编程门阵列（FPGA）。
思考与练习1-2： 请查阅资料，说明摩尔定律的主要内容。