微型計算機

微型計算機簡稱微機，俗稱電腦，其準確的稱謂應該是微型計算機系統。它可以簡單地定義為：在微型計算機硬件系統的基礎上配置必要的外部設備和軟件構成的實體 ^[2]  。

微型計算機系統從全局到局部存在三個層次：微型計算機系統、微型計算機、微處理器（CPU）。單純的微處理器和單純的微型計算機都不能獨立工作，只有微型計算機系統才是完整的信息處理系統，才具有實用意義 ^[2]  。

一個完整的微型計算機系統包括硬件系統和軟件系統兩大部分。硬件系統由運算器、控制器、存儲器（含內存、外存和緩存）、各種輸入輸出設備組成，採用“指令驅動”方式工作 ^[3]  。

軟件系統可分為系統軟件和應用軟件。系統軟件是指管理、監控和維護計算機資源（包括硬件和軟件）的軟件。它主要包括：操作系統、各種語言處理程序、數據庫管理系統以及各種工具軟件等。其中操作系統是系統軟件的核心，用户只有通過操作系統才能完成對計算機的各種操作。應用軟件是為某種應用目的而編制的計算機程序，如文字處理軟件、圖形圖像處理軟件、網絡通信軟件、財務管理軟件、CAD軟件、各種程序包等 ^[3]  。

微型計算機的特點是體積小、靈活性大、價格便宜、使用方便。自1981年美國IBM公司推出第一代微型計算機IBM-PC以來，微型機以其執行結果精確、處理速度快捷、性價比高、輕便小巧等特點迅速進入社會各個領域，且技術不斷更新、產品快速換代，從單純的計算工具發展成為能夠處理數字、符號、文字、語言、圖形、圖像、音頻、視頻等多種信息的強大多媒體工具。如今的微型機產品無論從運算速度、多媒體功能、軟硬件支持還是易用性等方面都比早期產品有了很大飛躍 ^[4]  。

工作站是一種高端的通用微型計算機，以個人計算機和分佈式網絡計算為基礎，主要面向專業應用領域，具備強大的數據運算與圖形、圖像處理能力，是為滿足工程設計、動畫製作、科學研究、軟件開發、金融管理、信息服務、模擬仿真等專業領域而設計開發的高性能計算機。它屬於一種高檔的計算機，一般擁有較大的屏幕顯示器和大容量的內存和硬盤，也擁有較強的信息處理功能和高性能的圖形、圖像處理功能以及聯網功能 ^[4]  。

服務器專指某些高性能計算機，能通過網絡對外提供服務。相對於普通計算機來説，穩定性、安全性、性能等方面都要求更高，因此在CPU、芯片組、內存、磁盤系統、網絡等硬件和普通計算機有所不同。服務器是網絡的結點，存儲、處理網絡上80%的數據和信息，在網絡中起到舉足輕重的作用。服務器是為客户端計算機提供各種服務的高性能的計算機，其高性能主要在高速度的運算能力、長時間的可靠運行、強大的外部數據吞吐能力等方面。服務器的構成與普通計算機類似，也有處理器、硬盤、內存、系統總線等，但因為它是針對具體的網絡應用特別定製的，因而服務器與微型機在處理能力、穩定性、可靠性、安全性、可擴展性、可管理性等方面存在很大差異。服務器主要有網絡服務器(DNS、DHCP)、打印服務器、終端服務器、磁盤服務器、郵件服務器、文件服務器等 ^[4]  。

工業控制計算機是一種採用總線結構，對生產過程及其機電設備、工藝裝備進行檢測與控制的計算機系統總稱，簡稱控制機。它由計算機和過程輸入/輸出（I/O）兩大部分組成。計算機由主機、輸入/輸出設備和外部磁盤機、磁帶機等組成。在計算機外部又增加一部分過程輸入/輸出通道，用來將工業生產過程的檢測數據送入計算機進行處理；另一方面，將計算機要行使對生產過程控制的命令、信息轉換成工業控制對象的控制變量信號，再送往工業控制對象的控制器中。由控制器行使對生產設備的運行控制 ^[4]  。

①台式機：台式機是應用非常廣泛的微型計算機，也叫桌面機，是一種獨立分離的計算機，體積相對較大，主機、顯示器等設備一般都是相對獨立的，需要放置在電腦桌或者專門的工作台上，因此命名為台式機。台式機的機箱空間大、通風條件好，具有很好的散熱性；獨立的機箱方便用户進行硬件升級，如光驅、硬盤；台式機機箱的開關鍵、重啓鍵、USB、音頻接口都在機箱前置面板中，方便用户的使用 ^[4]  。

②電腦一體機：電腦一體機是由一台顯示器、一個鍵盤和一個鼠標組成的計算機。它的芯片、主板與顯示器集成在一起，顯示器就是一台計算機，因此只要將鍵盤和鼠標連接到顯示器上，機器就能使用。隨着無線技術的發展，電腦一體機的鍵盤、鼠標與顯示器可實現無線連接，機器只有一根電源線，在很大程度上解決了一直為人詬病的台式機線纜多而雜的問題 ^[4]  。

③筆記本式計算機：筆記本式計算機是一種小型、可攜帶的個人計算機，通常質量為1-3kg。它和台式機架構類似，但是它具有更好的便攜性。筆記本式計算機除了鍵盤外，還提供了觸控板（TouchPad）或觸控點（Pointing Stick），提供了更好的定位和輸入功能 ^[4]  。

④掌上電腦（PDA）：PDA（Personal Digital Assistant），是個人數字助手的意思。顧名思義就是輔助個人工作的數字工具，主要提供記事、通訊錄、名片交換及行程安排等功能。可以幫助人們在移動中工作、學習、娛樂等。按使用來分類，分為工業級PDA和消費品PDA。工業級PDA主要應用在工業領域，常見的有條形碼掃描器、RFID讀寫器、POS機等；消費品PDA包括的比較多，比如智能手機、手持的遊戲機等 ^[4]  。

⑤平板電腦：平板電腦也叫平板式計算機（Tablet Personal Computer，簡稱 Tablet Pc、 Flat Pc、Tablet、 Slates），是一種小型、方便攜帶的個人計算機，以觸摸屏作為基本的輸入設備。它擁有的觸摸屏（也稱為數位板技術）允許用户通過觸控筆或數字筆來進行作業而不是傳統的鍵盤或鼠標。用户可以通過內置的手寫識別、屏幕上的軟鍵盤、語音識別或者一個真正的鍵盤（如果該機型配備的話）實現輸入 ^[4]  。

個人計算機(3張)

嵌入式計算機即嵌入式系統，是一種以應用為中心、以微處理器為基礎，軟硬件可裁剪的，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統及用户的應用程序四個部分組成。它是計算機市場中增長最快的領域，也是種類繁多、形態多種多樣的計算機系統。嵌入式系統幾乎包括了生活中的所有電器設備，如計算器、電視機頂盒、手機、數字電視、多媒體播放器、汽車、微波爐、數字相機、家庭自動化系統、電梯、空調、安全系統、自動售貨機、消費電子設備、工業自動化儀表與醫療儀器等 ^[4]  。

1971年1月，Intel公司的霍夫工程師研製成功世界上第1個字長為4位的微處理器芯片Intel 4004，標誌着第1代微處理器問世，微型計算機時代從此開始 ^[5]  。

該階段是4位和8位低檔微處理器時代，通常稱為第1代，其典型產品是Intel 4004和Intel 8008微處理器和分別由它們組成的MCS-4和MCS-8微機。該階段產品的基本特點是採用PMOS工藝，集成度低，系統結構和指令系統都比較簡單，主要採用機器語言或簡單的彙編語言，指令數目較少，多用於家電和簡單控制場合 ^[5]  。

該階段通常稱為第2代，典型產品有Intel公司的Intel 8080/8085、Motorola公司的MC6800及美國Zilog公司的Z80等，以及各種8位單片機，如Inte公司的8048、Motorola公司的MC6801、Zilog公司的Z8等。該階段產品的基本特點是採用NMOS工藝，集成度提高約4倍，運算速度提高約10~15倍，指令系統比較完善，具有典型的計算機體系結構和中斷、DMA等控制功能。軟件方面除了彙編語言外，還有BASIC、FORTRAN等高級語言和相應的解釋程序和編譯程序，在後期還出現了操作系統，如CP/M就是當時流行的操作系統 ^[5]  。

該階段通常稱為第3代。1978年6月，Intel公司推出主頻為4.77MHz的字長16位的微處理器芯片Intel 8086。8086微處理器的誕生標誌着第3代微處理器問世。該階段的典型產品包括Intel公司的8086/8088、80286，Motorola公司的M68000，Zilog公司的Z8000等微處理器。其特點是採用HMOS工藝，集成度和運算速度都比第2代提高了一個數量級。指令系統更加豐富、完善，採用多級中斷、多種尋址方式、段式存儲結構、硬件乘除部件，並配置了軟件系統 ^[5]  。

這一時期的著名微機產品有IBM公司的個人計算機PC。1981年推出的IBM-PC機採用8088 CPU。緊接着1982年又推出了擴展型的個人計算機IBM-PC/XT，它對內存進行了擴充，並增加了一個硬盤驅動器。1984年IBM推出了以80286處理器為核心組成的16位增強型個人計算機IBM-PC/AT。由於IBM公司在發展PC機時採用了技術開放的策略，使PC機風靡世界 ^[5]  。

該階段通常稱為第4代。1985年10月，Intel公司推出了80386DX微處理器，標誌着進入了字長為32位的數據總線時代。該階段典型產品包括Intel公司的80386/80486，Motorola公司的M68030/68040等。其特點是採用HMOS或CMOS工藝，集成度高達100萬晶體管/片，具有32位地址線和32位數據總線。每秒鐘可完成600萬條指令。微機的功能已經達到甚至超過超級小型計算機，完全可以勝任多任務、多用户的作業。同期，其他一些微處理器生產廠商(如AMD、TEXAS等)也推出了80386/80486系列的芯片 ^[5]  。

5、Pentium系列微處理器時代（1993年以後）

該階段通常稱為第5代。典型產品是Intel公司的奔騰系列芯片及與之兼容的AMD的K6系列微處理器芯片。該階段產品內部採用了超標量指令流水線結構，並具有相互獨立的指令和數據高速緩存。隨着MMX（Multi media eXtended）微處理器的出現，使微機的發展在網絡化、多媒體化和智能化等方面跨上了更高的台階。2000年3月，AMD與Intel分別推出了時鐘頻率達1GHz的Athlon和Pentium Ⅲ。2000年11月，Intel又推出了Pentium Ⅳ微處理器，集成度高達每片4200萬個晶體管，主頻1.5GHz，400MHz的前端總線，使用全新SSE2指令集。2002年11月，Intel推出的Pentium Ⅳ微處理器的時鐘頻率達到3.06GHz，而且微處理器還在不斷地發展，性能也在不斷提升 ^[5]  。

2001年Intel公司發佈第一款64位的產品Itanium（安騰）微處理器。2003年4月，AMD公司推出了基於64位運算的Opteron（皓龍）微處理器。2003年9月，AMD公司的Athlon（速龍）微處理器問世，標誌着64位計算時代的到來 ^[5]  。

計算機的性能指標涉及體系結構、軟硬件配置、指令系統等多種因素，一般説來主要有下列技術指標 ^[6]  。

字長是指計算機運算部件一次能同時處理的二進制數據的位數。字長越長，如果用作存儲數據，則計算機的運算精度就越高；如果用作存儲指令，則計算機的處理能力就越強。通常字長總是8的整數倍，如8、16、32、64位等。Intel 486機和Pentium 4機均屬32位機 ^[6]  。

時鐘主頻是指CPU的時鐘頻率，它的高低在一定程度上決定了計算機速度的高低。主頻以兆赫茲（MHz）為單位，一般來説，主頻越高，速度就越快。由於微處理器發展迅速，微機的主頻也在不斷提高 ^[6]  。

計算機的運算速度通常是指每秒鐘所能執行指令的數目，常用百萬次/秒（MIPS，MillionInstructions Per Second）來表示。這個指標更能直觀地反映機器的速度 ^[6]  。

存儲容量通常分內存容量和外存容量，這裏主要指內存儲器的容量。顯然，內存容量越大，機器所能運行的程序就越大，處理能力就越強。尤其是當前多媒體PC應用多涉及圖像信息處理，要求存儲容量越來越大，甚至沒有足夠大的內存容量就無法運行某些軟件。大多數微機的內存容量已達到4GB ^[6]  。

內存儲器的存取週期也是影響整個計算機系統性能的主要指標之一。簡單地講，存取週期就是CPU從內存儲器中存取數據所需的時間。內存的存取週期在7-70ns之間 ^[7]  。

此外，計算機的可靠性、可維護性、平均無故障時間和性能價格比也都是計算機的技術指標 ^[7]  。