微型计算机原理：绚丽惊人的世界改变

按照传统的分类方法，数字式电子计算机（以下简称计算机）可以根据其性能、规模和造价分为四类：大型计算机（Main Frame），中型计算机（Medium-scale Computer），小型计算机（Mini-computer）和微型计算机（Micro-computer）。由于中型计算机和大型计算机之间的界限比较模糊，人们通常笼统地将其称为“大中型计算机”。

大型计算机一般情况下被用于大型计算中心、大型信息处理中心的核心系统，其主机运算能力强，存储容量大，数据输入/输出的吞吐率高，可以为众多用户提供服务。目前大型计算机均采用并行计算体系结构，通过将多个处理机连接在一起协同完成任务的方式取得相当高的计算性能。其中一些投资和规模巨大的大型计算机具备极其强大的处理能力，被称作“超级计算机”（Super Computer）。这些超级计算机一般被用于解决诸如全球气候变化、湍流计算、飞行动力学、海洋环境模拟、超导建模、长期天气预报、核武器模拟等极具挑战性的科学与工程难题，代表了当前计算机科学、技术与工程的最高水平，是一个国家技术实力的象征和国家安全的重要保障力量。根据高性能计算领域的权威机构Top500在2012年6月公布的记录，当时世界上最强大的超级计算机是IBM公司于2011年制造的Sequoia（BlueGene/Q），其运算速度为每秒2013万亿次浮点运算，相当于公认的第一台数字式电子计算机ENAIC运算速度的的4000亿倍。

最早的小型计算机是由DEC公司推出的PDP-1，当时推出的目的在于抢占大中型计算机无法占领的低端市场，所以其规模与性能和大中型计算机相比要低得多。但是，随着技术的不断发展，到20世纪70年代末期，这类计算机的指令功能、存储容量、事务处理能力和输入/输出能力都已经能够和大中型计算机的中低端产品相媲美，性价比相当高，被称作“超级小型机”（Super Minicomputer），如DEC公司的VAX-11/780就是其中的代表。小型计算机的应用相当广泛，大学的中心实验室、大型企业或单位组织的信息中心、金融机构的信息中心等部门还有相当数量的小型机在使用，提供一定用户规模的信息服务。IBM System i系列（旧称AS/400系列）产品就是其中的代表。

在计算机的发展历史上，有一个很有趣的现象，被称作“小鱼吃大鱼”，那就是在微电子等相关技术的推动下，计算机越来越向小型化、微型化方向发展。大中型计算机市场被小型计算机不断地蚕食，把市场的霸主地位拱手让给小型机。随着微型计算机系统的性能和可靠性不断提高，其应用范围不断扩展到小型机和大中型计算机的传统应用领域，凭着其低廉的成本迅速占领了市场，成为目前计算机市场的主流，甚至于用于超级计算的超级计算机都要使用微型计算机中所使用的商用微处理器，以降低其成本和提高可靠性。

微型计算机是计算机家族中的新生代，其产生与发展是和集成电路，尤其是和大规模集成电路的发展分不开的。1971年，Intel发布第一种采用MOS集成电路技术的单片微处理器4004。Intel 4004微处理器集成了2250个晶体管，每个晶体管的距离是10 μm，它能够处理4 bit的数据，每秒运算6万次，运行的频率为108 kHz，成本不到100美元。后来，Intel推出了4位通用微处理器4040。1972年，8位微处理器8008推出，频率提高到200 kHz，晶体管总数提高到3500个；1974年，8位微处理器8080推出，复杂指令集、40引脚封装的8080具有29万条指令/秒的处理能力，是8008的10倍。在同期，Motorola公司推出MC6800，Zilog公司推出Z80，加上稍后MOS公司推出的6502/6502A等处理器，处理器在市场上百花齐放。与此同时，各厂家也推出与其微处理器相配套的外围支持芯片，设计并装配成为通用的微型计算机，并依靠低廉的价格和优秀的性价比在市场上占有一席之地。尤其是20世纪80年代初，蓝色巨人IBM以Intel 8088为基础设计和推出了IBM PC，开放的架构、平易近人的价格、丰富的应用软件使得PC在各行各业得到了广泛的应用，同时也给自己培养了两个重量级的竞争对手——Intel和Mi-crosoft。三十多年以来，随着微型计算机的运算能力不断提高，体积不断缩小，价格不断降低，应用也越来越广泛。现在，微型计算机已经成为人们日常生活不可缺少的一个组成部分。

在微型计算机的发展历史中，有几个事件是我们必须记住的，首当其冲的应该是1959年集成电路（IC）的发明。集成电路的发明对于计算机的微型化，对于微型计算机的出现和发展具有非常重要的意义。不断提高的电路集成度和制造工艺使得计算机的体积得以不断减小，性能和稳定性不断提高。图1-1所示为集成电路的两位发明者。

图1-1 集成电路的两位发明者

a）杰克·基尔比 b）罗伯特·诺伊斯

1971年对于微型计算机的发展也是非常重要的一年。在这一年里，成立于1968年，当时以存储器器件为主业的Intel公司推出了第一款微处理器芯片Intel 4004，实现了将计算机放在一个芯片上的梦想（computer on a chip），为微型计算机的诞生开辟了道路，引发了计算机产业界根本性的革命，Intel公司股票的价值也在两年之内猛涨了3倍。

微型计算机历史上另外一个传奇来自于史蒂夫·乔布斯父母家的车库。1976年，两个史蒂夫（史蒂夫·乔布斯和史蒂夫·沃兹尼亚克）共同创办了著名的苹果电脑公司，推出了Apple I，后来又推出了闻名遐迩的AppleⅡ，揭开了微型计算机的序幕（见图1-2）。在IBM推出PC以前，AppleⅡ一直是微型计算机市场上的“风云人物”。除此之外，苹果电脑公司在80年代推出的Macintosh，以及后来推出的iMac等微型计算机都可以称作典范。

图1-2 AppleⅡ和它的缔造者们

a）史蒂夫·乔布斯 b）史蒂夫·沃兹尼亚克 c）AppleⅡ微型计算机

1981年，IBM组织了一支以唐·埃斯特利奇（Don Estridge）为首的队伍，实施了研制IBM PC的“西洋棋”项目（又译作“象棋计划”）。经过一年多的努力，1981年8月12日推出了IBM PC（见图1-3）。IBM PC绝不仅仅是一种新型号的微型计算机，它带来的是一个产业，一个时代，一次风起云涌的革命。开放式的架构，包括从Intel采购的微处理器等芯片，从Microsoft采购的操作系统（PC-DOS，后来的MS-DOS），公开除BIOS之外的全部技术资料，使得IBM PC取得了意想不到的成功。1982年的《时代》周刊将IBM PC评选为“年度风云人物”，而1984年IBM PC的收入已达到40亿美元，这意味着光是IBM PC部门就可以成为仅次于IBM自己和DEC的美国第三大计算机公司。而且，开放式架构不仅仅给IBM PC带来了销售上的辉煌，更培育了包括Intel、Microsoft、AMD、Compaq、Dell等业界巨头，开启了微型计算机时代的大门。可惜的是，唐·埃斯特利奇这位“PC之父”于1985年8月2日和他的夫人一起去世于达美航空（Delta Airline）191号班机空难，未能看到微型计算机时代的真正来临。

图1-3 IBM PC(www.xing528.com)

a）唐·埃斯特利奇 b）IBM PC c）IBM PC中使用的8086

对于微型计算机的发展，还有几个事件不能不提，其中之一就是1985年Intel 80386的推出（见图1-4a）。集成了27.5万个晶体管的80386不仅仅是Intel的第一款32位微处理器，同时也是Intel第一款提供完善的虚拟存储管理和处理器保护模式的芯片，从80386开始，Intel的X86系列芯片可以支持段页式内存管理，加上功能强大的保护模式，使得PC上的操作系统不再局限于单用户单任务的MS-DOS，而拥有了支持包括Windows、UNIX等在内的多种多用户多任务操作系统的能力。从此，微机服务器开始不断蚕食小型机甚至大中型计算机的市场，逐渐成为业界的主流。

除此之外，奔腾CPU也是Intel X86系列CPU中一个重要的里程碑（见图1-4b），这不仅仅因为它是第一款Intel不使用数字来命名的CPU，而是因为奔腾CPU在80486转向RISC架构之后，第一次使用了超标量流水线技术，在处理器中设计了两条可以并行操作的功能流水线，将历来只用于高性能处理机的指令级并行技术引入到了微处理机的设计之中，大大提高了微处理机的性能，扩展了微型计算机的应用领域。

图1-4 部分X86系列处理机

a）Intel 80386 b）Intel Pentium

1993年，苹果公司推出了“Newton”掌上电脑（见图1-5a），虽然由于种种原因未能获得市场的认可，但Newton掌上电脑实际上开启了掌上电脑的时代。1996年，Palm公司推出了第一部Palm掌上电脑Pilot 1000（见图1-5b），并在其后推出了PalmⅢ、Palm V、m515等一系列经典机型。2000年，微软正式发布Pocket PC，其后康柏（Compaq）、惠普、Dell等公司陆续推出一系列成功的Pocket PC掌上电脑（见图1-5c）。从此，微型计算机不再仅仅是摆在桌子上或是放在公文包里，而是进入了人们的口袋。

图1-5 掌上电脑

a）Apple Newton b）Palm Pilot 1000 c）iPAQ h1910

对于微型计算机的发展和推广应用，软件革新的推动作用一点儿也不弱于硬件方面的突破。1984年，苹果公司推出了首个在商用领域成功的图形用户界面（GUI）——Mac OS，令人耳目一新。随后，Microsoft推出了我们耳熟能详的Windows操作系统（见图1-6），并逐渐战胜了诸多的竞争对手，成就了PC操作系统上的霸主地位。PC之所以能够发展到今天，和图形用户界面带来的简单易用是分不开的。

图1-6 早期Windows的界面

a）Windows 1.0 b）Windows 3.0

微型计算机自产生至今已经走过了三十多年的路程，从1981年PC正式发布算起也已经过了三十多年。三十多年的发展历程不仅仅给我们带来了一个规模巨大的产业，同时也极大地改变了我们的生活。PC的影响已经远远超过了计算机制造业本身，它使互联网得到了广泛的应用，而互联网最终又使全球的人们以一种特有的方式连接在了一起，可以说，微型计算机深深地改变了人们工作、生活和交往的方式。