数字技术的发展历程

数字技术的发展历程阎行舟2014030306033指导教师：邹麟内容提要本文对数字技术的发展过程做了概括性的总结关键词数字技术的历史数字技术的应用数字技术的发展历程一、发展概述电子技术是20世纪发展最迅速，应用最广泛的技术，已经使得工业，农业，科研，教育，医疗，文化娱乐以及人们的日常生活发生了根本的变革。特别是数字电子技术，在近四十多年来，取得了令人瞩目的进步。电子技术的发展历程是以电子器件的发展为基础的。20世纪初直至中叶，主要使用的电子器件是真空管，也称电子管。随着固体微电子学的进步，第一支晶体三极管于1947年问世，开创了电子技术的新领域。随后60年代初，模拟和数字集成电路相继问世。到70年代末微处理器的问世，电子器件及应用出现了崭新的局面。1988年，集成工艺可在一平方厘米的硅片上集成3500万个元件，说明集成电路进入甚大规模阶段。当前的制造技术已经使得集成电路芯片内部的布线细微到亚微米和深亚微米（0.13~0.09微米）量级。随着芯片上元件和布线的缩小，芯片的功耗降低而速度大为提高。最新生产的微处理器的时钟频率高达93GHz。数字技术的发展历程与模拟电路一样，经历了由电子管，半导体分立器件到集成电路的过程。由于集成电路的发展非常迅速，很快占有主导地位，因此，数字电路的主流形式是数字集成电路。从20世纪60年代开始，数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件，随后发展到中规模；70年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能发生了质的飞跃；从80年代中期开始，专用集成电路（ASIC）制作技术已趋向成熟，标志着数字集成电路发展到了新的阶段。二、数字技术与计算机数字技术应用的典型代表是电子计算机，它是伴随着电子技术的发展而发展的。现代计算机起源自英国数学教授CharlesBabbage。他发现通常的计算设备中有许多错误，在剑桥学习时，他认为可以利用蒸汽机进行运算。起先他设计差分机用于计算导航表，后来，他发现差分机只是专门用途的机器，于是放弃了原来的研究，开始设计包含现代计算机基本组成部分的分析机（Analytical-Engine）。Babbage的蒸汽动力计算机虽然最终没有完成，以今天的标准看也是非常原始的，然而，它勾画出现代通用计算机的基本功能部分，在概念上是一个突破。在这之前的计算机，都是基于机械运行方式，尽管有个别产品开始引入一些电学内容，却都是从属与机械的，还没有进入计算机的灵活：逻辑运算领域。而在这之后，随着电子技术的飞速发展，计算机就开始了由机械向电子时代的过渡，电子越来越成为计算机的主体，机械越来越成为从属，二者的地位发生了变化，计算机也开始了质的转变。1906年美国的LeeDeForest发明了电子管。在这之前造出数字电子计算机是不可能的。这为电子计算机的发展奠定了基础。1935年IBM推出IBM601机，这是一台能在一秒钟算出乘法的穿孔卡片计算机。这台机器无论在自然科学还是在商业意义上都具有重要的地位。大约造了1500台。1938年ClaudeE.Shannon发表了用继电器进行逻辑表示的论文。1938年柏林的KonradZuse和他的助手们完成了一个机械可编程二进制形式的计算机，其理论基础是Boolean代数。后来命名为Z1。它的功能比较强大，用类似电影胶片的东西作为存储介质。可以运算七位指数和16位小数。可以用一个键盘输入数字，用灯泡显示结果。1939年加利福尼亚的DavidHewlet和WilliamPackard在他们的车库里造出了Hewlett-Packard计算机。名字是两人用投硬币的方式决定的。包括两人名字的一部分。1939年11月美国JohnV.Atanasoff和他的学生CliffordBerry完成了一台16位的加法器，这是第一台真空管计算机。1939年Zuse和Schreyer开始在他们的Z1计算机的基础上发展Z2计算机，并用继电器改进它的存储和计算单元。1940年Schreyer利用真空管完成了一个10位的加法器，并使用了氖灯做存储装置。1943年到1959年时期的计算机通常被称作第一代计算机。使用真空管，所有的程序都是用机器码编写，使用穿孔卡片。典型的机器就是UNIVAC。1943年1月MarkI，自动顺序控制计算机在美国研制成功。整个机器有51英尺长，重5吨，75万个零部件，使用了3304个继电器，60个开关作为机械只读存储器。程序存储在纸带上，数据可以来自纸带或卡片阅读器。被用来为美国海军计算弹道火力表。1943年4月MaxNewman、Wynn-Williams和他们的研究小组研制成功HeathRobinson，这是一台密码破译机，严格说的话不是一台计算机。但是其使用了一些逻辑部件和真空管，其光学装置每秒钟能读入2000个字符。同样具有划时代的意义。1943年9月Williams和Stibitz完成了RelayInterpolator，后来命名为”ModelIIRelayCalculator”。这是一台可编程计算机。同样使用纸带输入程序和数据。其运行更可靠，每个数用7个继电器表示，可进行浮点运算。1943年12月，最早的可编程计算机在英国推出，包括2400个真空管，目的是为了破译德国的密码，每秒能翻译大约5000个字符，但使用完后不久就遭到了毁坏。据说是因为在翻译俄语的时候出现了错误。真空管时代的计算机尽管已经步入了现代计算机的范畴，但其体积之大、能耗之高、故障之多、价格之贵大大制约了它的普及应用。直到晶体管被发明出来，电子计算机才找到了腾飞的起点。1947年Bell实验室的WilliamB.Shockley、JohnBardeen和WalterH.Brattain.发明了晶体管，开辟了电子时代新纪元。1949年剑桥大学的Wilkes和他的小组建成了一台存储程序的计算机EDSAC。这是一个突破，可以多次在其上存储程序。这台机器是JohnvonNeumann提议建造的。1950年软磁盘由东京帝国大学的YoshiroNakamats发明。其销售权由IBM公司获得。开创存储时代新纪元。1950年英国数学家和计算机先驱AlanTuring说：计算机将会具有人的智慧，如果一个人和一台机器对话，对于提出和回答的问题，这个人不能区别到底对话的是机器还是人，那么这台机器就具有了人的智能。1951年GraceMurrayHopper完成了高级语言编译器。1954年IBM的JohnBackus和他的研究小组开始开发FORTRAN(FORmulaTRANslation)，1957年完成，这是一种适合科学研究使用的计算机高级语言。1956年第一次有关人工智能的会议在Dartmouth学院召开。1957年IBM开发成功第一台点阵打印机。1957年FORTRAN高级语言开发成功。三、数字技术的其他应用1、数字照相机传统的模拟相机是用卤化银感光胶片记录影像，胶片成像过程需要严格的加工工艺和技术，而且胶片不容易保存和传输。数字相机是将影响的光信号转化为数字信号，以像素阵列的形式进行存储。存储的信息包括色彩、光强和位置等。例如640＊480的像素阵列中，每个像素的红、绿、蓝三原色均是八位，则该阵列的数据超过700万。如果用jpeg图形格式进行压缩处理，数据量只为原来的5%。便于进行网络的远距离传输。随着计算机处理照片技术的推广，外置大容量储存器的普及，激光数字冲放设备的广泛应用，数字相机取代了模拟相机。2、视频记录设备VCD和DVD普及之前，视频信息主要以记录模拟信号的磁带为主，录像带的携带和储存都不方便。VCD是利用MPEG1压缩方式，以数字信号记录图像和声音，它可以在直径12cm的光盘上记录74min的影音信息。3、数控技术数控技术，英文名称：NumericalControl(简称NC)，即采用电脑程序控制机器的方法，按工作人员事先编好的程式对机械零件进行加工的过程。四、总结1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。实际上数字系统的历史可追溯到17世纪，1624年BlaisePascal设计了一台机械的数值加法器，在1671年，德国数学家GorgeBoole发明了一台可进行乘法与除法的机器。19世纪用于计算航行时间表的计算机问世。20世纪30年代，贝尔实验室的ClaudeShannon提出了现在用于数字逻辑设计的现代交换代数。随着电子学的发展，从1947年半导体三极管的发明及真空管的诞生，到20世纪60年代集成电路的发明，都推动了数字逻辑和计算机的发展。现代电子系统从1946年的计算机经典体系结构，20世纪70年代初英特尔设计出第一个微处理器，到现在最新一代的超级计算机，数字系统正以惊人的速度发展。数字系统设计可以看做是一种层次结构。由最底层的基本电路开始，逐级向上，每级都显示更复杂的功能单元。简单的数字层次由低到高可分为五级，分别是：元件级，第一IC级(SSI)，第二IC级(MSI和LSI)、第三IC级(VLSI)和复杂系统级。其中IC是指集成电路，也就是单个硅片上一个或多个门电路的集合体。元件级包含各种电子元件，如晶体管，三极管，电阻等。基本电路由单独的元件组成，能执行特定功能。第一IC级是小规模集成电路，为与门等简单的逻辑功能单元。第二IC级是中规模集成电路和大规模集成电路，包含加法器、乘法器等逻辑功能单元。第三IC级是超大规模集成电路，实现更为复杂的逻辑功能，如微处理器。第五级是以第二至第四级为功能部件，实现复杂的逻辑功能，如片上系统。数字电路具有广阔的发展前景。基于PC机的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，将有越来越多的厂家采用PC机作为前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍，并向高速化和高精度化发展。随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。参考文献1.《电子技术基础》数字部分（第五版）华中科技大学电子技术课程组康华光2.1.JohnFWakerly《数字设计原理与实践》3.://en.wikipedia.org/wiki/Digital_Revolution5.PhilAment(17April2015).TransistorHistory-InventionoftheTransistor.Retrieved17April2015.