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m）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(10Hz)。

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、数字技术与电子计算机

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Charles Babbage。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Lee De Forest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IBM 601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Claude

E.Shannon发表了用继电器进行逻辑表示的论文。1938年柏林的Konrad Zuse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David Hewlet和William Packard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John V.Atanasoff和他的学生Clifford Berry 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Mark I，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Max Newman、Wynn-Williams和他们的研究小组研制成功\"Heath Robinson\"，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\"Relay Interpolator\"，后来命名为”Model II Relay Calculator”。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William B. Shockley、 John Bardeen和Walter H. 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John von Neumann提议建造的。

1950年软磁盘由东京帝国大学的Yoshiro Nakamats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Alan Turing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Grace Murray Hopper完成了高级语言编译器。1954年IBM的John Backus和他的研究小组开始开发 FORTRAN (FORmula TRANslation)，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

交通控制系统也是数字技术应用的一典型范例。交通灯是1920年问世的，早期的交通灯是用机电定时器控制。后来用继电器和开关构成的控制器，根据道路上传感检测的信号进行控制。现在的交通灯由计算机控制，可以将监测系统检测到的车辆流量信息送到系统计算机 ，经过计算后进行合理的时间分配。如果某路口东西方向堵塞，则将该路口东西方向的绿灯自动延时，并将附近区域东西方向的红灯也自动地延时，堵塞接触后，信号灯恢复正常状态。

四、总结

随着微电子技术的发展，将会有更多的数字电子产品陆续问世。数字技术的发展，计算机的应用正改变着人类的生产方式，生活方式以及思维方式，它使得工业自动化、农业现代化、办公自动化和通信网络化成为现实。

参考文献

1.John F.Wakerly 《Digital and Deisign Principles and Practices》 2.康华光 华中科技大学电子技术课程组 《电子技术基础 数字部分》 3. 天津市电子仪表信息研究所 《数字技术与应用》