第四代计算机

第四代计算机是基于微处理器制造的，微处理器是第三代计算机的扩展版本。这些计算机使用了超大规模集成电路（VLSI），其时间段是1971年至1980年。微处理器将数百万个晶体管集成在一块芯片上，它包含了VLSI和LSI技术。VLSI是超大规模集成电路的缩写，LSI是大规模集成电路的缩写。如今，计算机的速度和内存得到了极大的提升，而成本和体积却大大降低。

第四代计算机的特点是，通过将许多晶体管组合到一块芯片上来创建集成电路（IC），因为这些计算机使用了VLSI技术。例如，由于用于构建第四代计算机的技术，它们具有各种特性，如功能更多、主存储容量大、速度和可靠性极佳、便携、体积小巧等。

这一代计算机变得更加普及，因为它们的售价更低。此外，由于第四代计算机的特性，个人计算机（PC）革命也得到了发展。下图是微处理器的示例。

第一个处理器是Intel 4004，它于1971年制造在单块硅片上，包含2300个晶体管。它为当今仍在延续的计算机世代带来了新的飞跃。1981年，IBM选择Intel公司为其新机器IBM-PC制造微处理器（Intel 8086）。新的IBM机器IBM-PC每秒可以执行约240,000次加法。然而，在速度方面，这台计算机与IBM 360系列计算机相比慢了很多。但它却成为了个人计算机市场增长的原因，其成本折合今天的美元仅为4000美元。

后来在1996年，Intel公司的Pentium Pro处理器速度非常快，它每秒可以执行400,000,000次加法，与二战时期的主力机ENIAC相比快了约210,000倍。该机器的成本仅为4400美元。

如今，所有计算机都基于微处理器技术。芯片的制造并不昂贵。内存芯片和处理器芯片是分开的；内存芯片用于动态 RAM（随机存取存储器），处理器芯片用作中央处理器。这两种芯片（内存和处理器芯片）都使用了数百万个晶体管。未来可能会有将内存芯片和处理器芯片集成到单个硅片上的芯片。

由于大量的晶体管可以集中在非常小的空间内，超标量、缓存和流水线微处理器变得流行，它们通过指令流水线和设计，使科学家能够利用指令级并行性，使其能够一次执行多个指令（称为超标量）。此外，科学家们还能够设计带有板载内存的单芯片处理器，这被称为缓存。Intel Pentium Pro PC以流水线、缓存、超标量微处理器而闻名。

此外，这一时期并行处理器的使用也增加了。为了实现并行处理，这些机器以不同的方式集成多个处理器。现在，它们被用作文件服务器和数据库；然而，它们也曾用于科学计算。由于它们不如单处理器通用，因此它们仍然可能不适用于各种问题的并行解决方案，并且很难编程。

据说，如果航空业的进步速度与计算机行业相同，那么只需5秒就可以从纽约旅行到旧金山，花费50美分。在20世纪90年代后期，微处理器的性能以每年55%的速度提高。如果这种改进没有停止并继续下去，那么可以肯定地说，在21世纪初，在硅谷，一台微处理器就可以拥有所有计算机的所有计算能力。第四代计算机的其他一些例子包括：IBM 4341、DEC 10、STAR 1000 和 PUP 11。

第四代计算机的架构

第四代计算机包含五个独立的单元：输入、算术逻辑单元、 内存、输出和控制单元。下图显示了计算机功能单元在计算机中的物理位置。该单元通过鼠标、键盘、麦克风等输入设备接收用户的输入（数字信息）。输入根据指令类型进行处理或保存。

第四代计算机的特点

第四代计算机具有许多特点，如下所示：

• 这些计算机使用了VLSI（超大规模集成电路）电路，集成了数百万个晶体管。
• 与前三代计算机相比，第四代计算机的价格更便宜。
• 它们出现了单板计算机和单芯片处理器。
• 这一代计算机在速度、准确性和可靠性方面得到了改进。
• 由于组件密度高，与前几代计算机相比，它们的尺寸更小。
• 在第四代，开发了多种高级语言，如 BASIC、PASCAL、COBOL、FORTRAN 和 C 语言。
• 此外，由于第四代计算机的特性，个人计算机（PC）革命也得到了发展。
• 由于这些计算机的普及，数据通信得到了广泛应用。
• 第四代计算机开始发展系统之间的网络连接。

第四代计算机的优缺点

最初，集成电路技术仅包含大约十到二十个组件，这被称为SSI（小规模集成）。后来，随着IC领域先进技术的发展，将数百个组件集成到单块芯片上成为可能，这被称为MSI（中规模集成）。随着时间的推移，将超过30,000个组件集成到单块芯片上成为可能。人们仍在努力开发更先进的技术，并期望能够开发出能够将数百万个组件集成到单块芯片上的技术，这被称为VLSI（超大规模集成电路）。

第四代计算机以LSI芯片技术为大脑。该技术使得制造功能强大且体积小巧的计算机成为可能。这导致了计算机领域的社会革命。很快，一块邮票大小的芯片上就集成了整个计算机电路。后来，随着制造成本的降低，为每个人制造计算机成为可能。

第四代计算机的关键创新

第四代计算机带来了强大的创新，彻底改变了人们使用计算机的方式。新技术的出现减小了计算机的尺寸，同时提高了其速度和效率，并使其对所有用户来说更容易获得。这一时期最杰出的发展包括微处理器技术、VLSI的进步、卓越的内存解决方案以及高级编程语言，此外还有 图形用户界面（GUI）。

1. 微处理器的引入

微处理器成为整个时代最具变革性的发明。在此之前，计算机依靠多个集成电路（IC）运行，但这使得它们庞大且昂贵，直到微处理器出现。微处理器技术使制造商能够将所有CPU组件集成到一块硅片上，从而减小了设备尺寸、制造成本和功耗。

Intel公司生产了Intel 4004微处理器，它于1971年开发，成为第一个商用微处理器。Intel 4004包含2300个晶体管，以其4位处理器格式在740 kHz的速度下运行。尽管以现代标准来看它很简单，但其设计原理为后续强大的处理器奠定了基础。

此时代其他值得注意的微处理器包括：

• Intel 8080 (1974) - 第一个通用8位微处理器。
  
• Intel 8086 (1978) - Intel 8086（1978）是一款16位处理器，它确立了至今仍是现代标准之一的x86架构。
  
• Motorola 68000 (1979) - Motorola创建了68000处理器（1979），它作为Apple Macintosh计算机和游戏机的关键组件。
  

2. VLSI技术的引入

由于超大规模集成（VLSI）技术的关键应用，计算机变得越来越紧凑。该技术在一个芯片上集成了超过100,000个晶体管，从而提高了处理能力和能效。这项发展使得创造小型、价格合理的个人计算机成为可能，适用于家庭、办公室和教育用途。

3. 内存技术的发展

在第四代期间，内存技术取得了重大进展，带来了更快的访问速度和更强的存储能力。关键发展包括：

• DRAM（动态随机存取存储器） - DRAM（动态随机存取存储器）通过其更快速、高效的数据存储设计，取代了之前的内存技术。
  
• EPROM（可擦写可编程只读存储器） - EPROM（可擦写可编程只读存储器）使用紫外线允许用户编程内存芯片，增强了其存储灵活性。
  
• 磁存储设备 - 磁存储设备通过软盘和硬盘驱动器等设备，成为了数据存储系统的新标准，提高了数据管理协议的效率。
  

4. 高级编程语言的发展

在第四代期间，软件开发者通过创建高级编程语言提高了效率和可访问性。这一时期涌现了许多重要的编程语言，包括：

• C (1972) - 成为许多现代编程语言的基础。
• PASCAL (1970) - PASCAL（1970）代表了结构化编程语言的基本要素，是教育机构常用的语言。
• COBOL、FORTRAN 和 BASIC - COBOL、FORTRAN 和 BASIC 在此期间继续用于商业、科学和教育需求。

可编程语言使软件创建更简单，并扩展了计算机的实用性和可用性。

5. 图形用户界面（GUI）和操作系统

GUI的普及标志着一项重大发展，因为它将图形用户界面（GUI）引入了计算机系统。之前的计算机系统通过命令行界面运行，需要用户输入编程命令。转向基于GUI的系统，通过图标、窗口和菜单，简化了计算机的使用。

在此期间，开发者创建了重要的操作系统，包括：

• MS-DOS (1981) - 微软开发的MS-DOS（1981）为IBM PC提供了命令行操作系统，并在用户群中广泛传播。
  
• UNIX (1973-1980s) - 操作系统UNIX在1973年至20世纪80年代期间运行，在服务器应用方面取得了成功，并推动了当代操作系统的发展。
• CP/M (1974) - CP/M（1974）操作系统成为最早的个人计算机操作系统解决方案之一，后来被MS-DOS取代。

Windows、macOS和Linux等现代操作系统得益于这些进步，它们控制着人们目前使用计算机的方式。

第四代计算机的挑战和局限性

第四代计算机在取得重大技术进步的同时，也经历了很多挑战。尽管微处理器和VLSI技术将计算机变成了更小、更强大的设备，速度更快、效率更高，但生产成本、复杂的软硬件限制以及安全漏洞仍然是持续存在的障碍。

1. VLSI芯片的高制造费用

VLSI（超大规模集成电路）芯片的制造是第四代计算机开发过程中的主要障碍，因为其生产成本很高。微处理器的发展降低了计算机的成本，但实施VLSI技术需要复杂的制造工厂、专业工程师和先进的制造技术，需要大量资源。

• 早期计算机的生产成本很高，因此在早期生产阶段，许多消费者仍无法负担。
• 由于先进的基础设施需求，微处理器的制造要求构成了限制生产产量的障碍。
• 由于进入壁垒很高，只有少数公司（如Intel和Motorola）控制着这个行业。

技术的进步带来了大规模生产和改进的制造工艺，在这一时期个人计算机的价格逐渐降低。

2. 复杂性和小型化问题

微处理器和集成电路的发展在减小尺寸的同时，也带来了一些新的技术难题：

• 晶体管尺寸的减小给功耗管理和散热带来了问题。
• 过多的热量产生影响了计算机的性能和可靠性，因此需要更好的散热系统。
• 由于半导体设计的复杂性，生产故障和更高的成本变得更加频繁。

为了解决这些制造问题，开发了改进的散热系统、更好的半导体材料以及高效的电路设计。

3. 并行处理能力有限

大多数第四代计算机使用单核微处理器运行，这限制了同时执行任务的能力。与现代多核处理器不同，这些计算机

• 处理复杂应用程序时速度变慢，因为第四代计算机顺序执行指令，因此一次只能执行一项任务。
• 第四代计算机难以处理需要高资源的任务，例如数据库管理、模拟和视觉处理。
• 软件开发者需要通过编程方法有效地优化代码，以提高硬件系统的性能。

真正的多核处理直到后期才普遍，而性能的提高则来自于流水线和指令级并行等进步。

4. 软件限制

第四代早期的个人计算机运行在有限的处理能力和有限的内存下，这为软件发展带来了障碍。一些主要的限制包括：

• 当时的操作系统MS-DOS不支持多任务处理功能，从而降低了计算机在专业用途上的效率。
• 图形用户界面（GUI）的发展需要过多的处理能力和大量内存存储，因为它们在此期间才出现。
• 软件应用程序开发比较基础，因为它只提供商业、科学和游戏领域的基本功能。

C、Pascal和BASIC等编程语言提高了软件创建方法，从而促进了应用程序开发的进步。

5. 网络系统的安全漏洞

随着计算机的连接性越来越强，安全威胁开始出现：

• 计算机面临数据泄露的风险，因为早期的网络协议不提供安全的加密技术。
• 由于早期的操作系统存在各种安全漏洞，病毒和恶意软件攻击开始传播。
• 公司在网络安全意识不高的情况下进入了这个时代，导致了数据丢失和隐私问题。

为了应对这些安全挑战，安全补丁、杀毒软件以及更强的加密技术在后来的计算机世代中出现。

结论

第四代计算机（1971-1980）通过微处理器、VLSI芯片和个人计算带来了许多革命性的变化。新技术的结合使得计算机更小、更快、更便宜，从而开启了PC革命。

常见问题 - 第四代计算机

1. 第四代计算机的定义是什么？

第四代（1971-1980）在微处理器技术方面达到了顶峰，它使得超大规模集成电路能够在单块芯片上集成数百万个晶体管。

第四代计算机行业的主要进步体现在Intel 4004微处理器、C和PASCAL编程语言以及IBM-PC个人计算机。

2. 微处理器如何革新了计算？

单块硅片集成了CPU、内存和控制电路，使得计算机更小、更便宜、更节能。这项技术的引入使得大规模生产廉价计算机成为可能，从而引发了个人计算机革命。

3. 第四代计算机的主要优点是什么？

第四代计算机革命带来了改进的功能，如通过VLSI技术减小尺寸，提高计算速度、可负担性、功耗。新的编程语言C、COBOL和BASIC的出现促进了软件开发。

4. 第四代计算机面临哪些挑战？

第四代计算机提供了更好的技术标准，但在运行过程中也遇到了技术障碍。VLSI芯片的制造过程非常困难且成本高昂，从而增加了计算机价格。系统产生的热量很大，需要冷却风扇系统。计算机系统面临着网络扩展引起的安全威胁，而单核处理器限制了多任务处理能力。

5. 第四代如何影响现代计算？

在现代计算系统中，所有计算机操作都依赖于第四代微处理器。通过这项进步，计算机变得对所有人来说都可获得。DRAM、硬盘驱动器以及UNIX、MS-DOS、C和PASCAL的结合，催生了人工智能、云计算以及智能设备，使得技术不再笨重且功能更强大。