1.2 微型计算机系统

通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同的面目出现，应用在当今社会的各个领域。目前我们最广泛使用的PC机和笔记本电脑就是通用计算机最典型的代表。

计算机是20世纪最伟大的发明之一，微型计算机是计算机的一个重要分支，它的发展是以微处理器的发展为主要标志的。本节以微型计算机为例，对通用计算机的特点、结构和原理、应用等性能指标进行概述。

1.2.1 微型计算机系统的定义与特点

计算机主机按体积、性能和价格分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类，微型计算机属于第四代电子计算机产品，即大规模及超大规模集成电路计算机，是电路技术不断发展，芯片集成度不断提高的产物，是性能价格比高、体积较小的一类，常应用在科学计算、信息管理、自动控制、人工智能等领域。从其工作原理上来讲，微型机与其他几类计算机并没有本质上的差别。所不同的是，由于采用了集成度较高的器件，使得其在结构上具有独特的特点，即将组成计算机硬件系统的两大核心部分——运算器和控制器，集成在一片集成电路芯片上，显然该芯片是整个微机系统的核心，即所谓的中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），被称为微处理器（Microprocessor）。它是一块大规模集成电路芯片，代表着整个微机系统的性能。所以，通常就将采用微处理器为核心构造的计算机称为微机，工作学习中使用的个人微机，生产生活中运用的各种智能化电子设备都是典型的微机系统。

微处理器是微机系统的核心部分，自20世纪70年代初出现第一片微处理器芯片以来，微处理器的性能和集成度几乎每两年翻一番，其发展速度大大超过了前几代计算机。微型计算机从20世纪70年代初问世到现在，经历了以下几个发展阶段。

第1阶段（1971～1973年）是4位和8位低档微处理器时代，通常称为第1代，其典型产品是Intel4004和Intel8008微处理器和分别由它们组成的MCS-4和MCS-8微机。基本特点是采用PMOS工艺，集成度低（4000个晶体管／片），系统结构和指令系统都比较简单，主要采用机器语言或简单的汇编语言，指令数目较少（20多条指令），基本指令周期为20～50μs，用于简单的控制场合。

第2阶段（1974～1977年）是8位中高档微处理器时代，通常称为第2代，其典型产品是Intel8080/8085、Motorola公司、Zilog公司的Z80等。它们的特点是采用NMOS工艺，集成度提高约4倍，运算速度提高约10～15倍（基本指令执行时间1～2μs）。指令系统比较完善，具有典型的计算机体系结构和中断、DMA等控制功能。软件方面除了汇编语言外，还有BASIC、FORTRAN等高级语言和相应的解释程序和编译程序，在后期还出现了操作系统。

第3阶段（1978～1984年）是16位微处理器时代，通常称为第3代，其典型产品是Intel公司的8086/8088，Motorola公司的M68000，Zilog公司的Z8000等微处理器。其特点是采用HMOS工艺，集成度（20000～70000晶体管／片）和运算速度（基本指令执行时间是0.5μs）都比第2代提高了一个数量级。指令系统更加丰富、完善，采用多级中断、多种寻址方式、段式存储机构、硬件乘除部件，并配置了软件系统。这一时期著名微机产品有IBM公司的个人计算机，由于IBM公司在发展个人计算机时采用了技术开放的策略，使个人计算机风靡世界。

第4阶段（1985～1992年）是32位微处理器时代，又称为第4代。其典型产品是Intel公司的80386/80486，Motorola公司的M69030/68040等。其特点是采用HMOS或CMOS工艺，集成度高达100万个晶体管／片，具有32位地址线和32位数据总线。每秒钟可完成600万条指令（Million Instructions Per Second，MIPS）。微型计算机的功能已经达到甚至超过超级小型计算机，完全可以胜任多任务、多用户的作业。同期，其他一些微处理器生产厂商（如AMD、TEXAS等）也推出了80386/80486系列的芯片。

第5阶段（1993～2005年）是奔腾（pentium）系列微处理器时代，通常称为第5代。典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6、K7系列微处理器芯片。内部采用了超标量指令流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓存。随着MMX（Multi Media eXtended）微处理器的出现，使微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶。

第6阶段（2005年至今）是酷睿（Core）系列微处理器时代，通常称为第6代。酷睿是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高每瓦性能，也就是所谓的能效比。早期的酷睿是基于笔记本处理器的。酷睿2（Core 2 Duo）是英特尔在2006年推出的新一代基于Core微架构的产品体系统，于2006年7月27日发布。酷睿2是一个跨平台的构架体系，包括服务器版、桌面版、移动版三大领域。其中，服务器版的开发代号为Woodcrest，桌面版的开发代号为Conroe，移动版的开发代号为Merom。

由于微型计算机是采用LSI和VLSI组成的，所以它除了具有一般计算机的运算速度快、计算精度高、记忆功能和逻辑判断力强、自动工作等常规特点外，还有它自己的独特优点。

1. 体积小、重量轻、功耗低

由于采用了大规模和超大规模集成电路，从而使构成微型计算机所需的器件数目大为减少，体积大为缩小。一个与小型机CPU功能相当的16位微处理器MC68000，由13000个标准门电路组成，其芯片面积仅为6.25×7.14mm²，功耗为1.25W。32位的超级微处理器80486，有120万个晶体管电路，其芯片面积仅为16×11mm²，芯片的重量仅十几克。工作在50MHz时钟频率时的最大功耗仅为3W。随着微处理器技术的发展，今后推出的高性能微处理器产品体积更小、功耗更低而功能更强，这些优点对于航空、航天、智能仪器仪表等领域具有特别重要的意义。

2. 可靠性高、对使用环境要求低

微型计算机采用大规模集成电路以后，使系统内使用的芯片数大大减少，接插件数目大幅度减少，简化了外部引线，安装更加容易。加之MOS电路芯片本身功耗低、发热量小，使微型计算机的可靠性大大提高，因而也降低了对使用环境的要求，普通的办公室和家庭环境就能满足要求。

3. 结构简单、设计灵活、适应性强

微型计算机多采用模块化的硬件结构，特别是采用总线结构后，使微型计算机系统成为一个开放的体系结构，系统中各功能部件通过标准化的插槽和接口相连，用户选择不同的功能部件（板卡）和相应外设就可构成不同要求和规模的微型计算机系统。由于微型计算机的模块化结构和可编程功能，使得一个标准的微型计算机在不改变系统硬件设计或只部分地改变某些硬件时，在相应软件的支持下就能适应不同的应用任务的要求，或升级为更高档次的微机系统，从而使微型计算机具有很强的适应性和宽广的应用范围。

4. 性能价格比高

随着微电子学的高速发展和大规模、超大规模集成电路技术的不断成熟，集成电路芯片的价格越来越低，微型机的成本不断下降，同时也使许多过去只在大、中型计算机中采用的技术（如流水线技术、RISC技术、虚拟存储技术等）也在微型机中采用，许多高性能的微型计算机（如Pentium Pro、Pentium II等）的性能实际上已经超过了中、小型计算机（甚至是大型机）的水平，但其价格要比中、小型机低得多。

随着超大规模集成电路技术的进一步成熟，生产规模和自动化程度的不断提高，微型机的价格还会越来越便宜，而性价比会越来越高，这将使微型计算机得到更为广泛的应用。

1.2.2 微型计算机系统的组成

一个完整的微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件和软件是一个有机的整体，必须协同工作才能发挥计算机的作用。硬件系统主要由主机（CPU、主存储器）和外部设备（输入／输出设备、辅存）构成，它是计算机物质基础。软件是支持计算机工作的程序，它需要人根据机器的硬件结构和要解决的实际问题预先编制好，并且输入到计算机的主存中，软件系统由系统软件和应用软件等组成。

微型计算机系统的组成由小到大可分为微处理器、微型计算机、微型计算机系统三个层次结构，如图1-1所示。

1. 微处理器（Microprocessor）

微处理器也称微处理机，它是微型计算机的核心部件，是一个大规模集成电路芯片，其上集成了运算器、控制器、寄存器组和内部总线等部件。有时为把大、中型计算机的中央处理器CPU与微处理器区别开来，而称后者为MPU。所以微处理器本身不是计算机，而是微型计算机的控制和运算部分。

2. 微型计算机（Microcomputer）

微型计算机是以微处理器为基础，配以存储器、系统总线及输入输出接口电路所组成的裸机。它包括微型计算机运行时所需要的硬件支持。

3. 微型计算机系统（Microcomputer System）

以微型计算机为主体，配上电源系统、输入／输出设备及软件系统就构成了微型计算机系统。没有软件系统的计算机，什么也不能做。软件系统包括系统软件和应用软件。系统软件主要包括操作系统、诊断系统、服务程序、汇编程序、语言编译系统等。

应用软件也称用户程序，是用户利用计算机来解决自己的某些问题而编制的程序。

1.2.3 微型计算机系统的应用与发展

由于微型计算机具有体积小、重量轻、功耗低、功能强、可靠性高、结构灵活、使用环境要求低、价格低廉等一系列特点和优点，因此得到了广泛的应用，如卫星、导弹的发射、石油勘探、天气预报、邮电通信、航空订票、计算机辅助、智能仪器、家用电器乃至电子表、儿童玩具等。它已渗透到国民经济的各个部门，几乎无处不在。微型计算机的问世和飞速发展，使计算机真正走出了科学的殿堂，进入到人类社会生产和生活的各个方面，使它从过去只限于各部门、各单位少数专业人员使用，普及到广大民众乃至中小学生，成为人们工作和生活不可缺少的工具，从而将人类社会推进到了信息时代。