微型計算機的組成、類型和發展
吳國發
（2020年7月14日）
內容提要：本文先介紹微型計算機的基本概念；再介紹微型計算機系統的硬體和軟體，以及個人計算機(PC)的分類；然後，簡要敘述了微型計算機發展的歷史。
關鍵詞：微型計算機 硬體 軟體 PC x86 英特爾公司 微軟公司 IBM
（A）微型計算機的基本情況
微型計算機簡稱「微型機」、「微機」，也稱為「微電腦」。微型計算機是由大規模集成電路組成的、體積較小的電子計算機。微型機的硬體以微處理器為基礎。通用微型機的軟體主要是作業系統、辦公套件等。
微型計算機與美國英特爾(Intel)公司密切相關。
1971年11月，英特爾公司推出了世界上第一個微處理器4004。這是4位字長處理晶片。
微處理器是由一片或幾片大規模集成電路組成的中央處理單元 (Central Processing Unit，CPU）。這些電路執行控制器、運算器（算術邏輯部件）和內存儲器（又稱主存儲器）的功能。
微型計算機是使用微處理器作為CPU的計算機。微型機屬於第四代計算機。
完整的微型計算機系統包括兩大部分：硬體(Hardware)和軟體(Software)。沒有安裝任何軟體的微型機稱為裸機。
微型計算機硬體是構成微型機的所有電子器件、機械設備的總稱。微型機軟體是計算機的程序和相應的數據以及文檔的總稱。
微型機除了硬體、軟體以外，還有「固件(Firmware)」。把微型機系統啟動、運行時經常被調用並且不需要改動的程序存儲在只讀存儲器(ROM)晶片中，即把軟體固化在硬體(ROM)中，這就成為固件。
桌面計算機，筆記本電腦，平板電腦，遊戲機，嵌入式計算機，以及種類眾多的手持智能設備都屬於微型計算機。飛機、汽車、機器人等複雜的智能設備中都有嵌入式計算機。
微型計算機的大多數設備都緊密地安裝在一個單獨的機箱中，該機箱稱為主機。也有一些設備可能放置在機箱附近並與之連接，例如顯示器、鍵盤、滑鼠，等等。
通用桌面計算機可以分成個人計算機(PC)、網絡伺服器(Server)、網絡工作站(Workstation)。
個人計算機(PC)只提供單用戶服務。
如果微型機運行Windows Server（微軟伺服器，以前是Windows NT）或UNIX作業系統，那麼PC機和若干個工作站就形成一個小型計算機網絡，多個用戶共享伺服器PC上的軟體和其它資源。
與CPU一同工作的數據存儲器有兩種：內存儲器和外存儲器。內存儲器包括只讀存儲器ROM和隨機存取存儲器RAM。
完整的微型計算機的其它設備有電源和各種輸入/輸出設備。
（B）微型計算機的硬體系統
（一）微型機的硬體系統概述
典型的微型機硬體系統由控制器、運算器（算術邏輯部件）、存儲器和輸入/輸出設備組成。計算機存儲器包括主存儲器（內存儲器）和輔助存儲器（外存儲器）。
由控制器、運算器和主存儲器組成中央處理單元(CPU)。CPU電路都集成在晶片內。CPU是計算機硬體系統的核心。
國際上使用最廣的微型機晶片是美國英特爾公司的x86架構的晶片。美國AMD公司研製的晶片也具有x86架構。
中國科學院計算技術研究所研製的龍芯已經在中國得到很多應用。
計算機輸入/輸出設備與輔助存儲器合稱為計算機外圍設備。
（二）微型機硬體的部件簡介
（1）主板：主板是計算機中各個部件工作的一個平台。主板把計算機的各個部件緊密連接在一起。主板上面安裝了組成計算機的主要電路系統，有BIOS晶片、I/O控制晶片、鍵盤和面板控制開關接口、指示燈插接件、擴充插槽、主板及插卡的直流電源供電接插件等元件。
（2）CPU：CPU即中央處理器，是一台計算機的運算核心和控制核心。CPU由運算器、控制器、寄存器、高速緩存器，以及控制總線構成。
（3）內存：內存有隻讀存儲器(ROM)和隨機存取存儲器(RAM)。它由電路板和晶片組成。RAM的容量可以從1MB（100萬字節）到100多 GB（1GB=1024MB）。
（4）硬碟：硬碟屬於外部存儲器，由金屬磁片製成。磁片有記憶功能。硬碟容量很大，目前已達TB（1TB=1024GB，萬億字節）級。
（5）音效卡：音效卡將計算機中的聲音數位訊號轉換成模擬信號送到音箱上發出聲音。
（6）顯卡：顯卡在工作時與顯示器配合輸出圖形，文字。
（7）網卡：網卡的作用是充當計算機與網線之間的橋樑。它是用來建立局網並連接到Internet的重要設備之一。
（8）數據機：它的作用是將計算機上處理的數位訊號轉換成電話線傳輸的模擬信號。數據機逐漸退出了市場。
（9）軟盤驅動器（軟碟機）：軟碟機用來讀取軟盤中的數據。軟盤現已被淘汰。
（10）光碟驅動器（光碟機）：用來讀寫光碟內容的部件。隨著多媒體的應用越來越廣泛，使得光碟機在計算機諸多配件中已經成為標準配置。
（11）顯示器：顯示器的作用是把計算機處理完的結果顯示出來。顯示器分為CRT、LCD、LED三大類。
（12）鍵盤：鍵盤是主要的輸入設備，通常為104鍵或105鍵，用於把文字、數字等輸到計算機上。
（13）滑鼠：當人們移到滑鼠時，能夠快速地在屏幕上定位。鍵盤滑鼠接口有PS/2和USB兩種。
（14）音箱：通過它可以把計算機中的聲音播放出來。
（15）印表機：通過它可以把計算機中的文件列印到紙上。印表機分成針式印表機、噴墨印表機、雷射印表機三大類。多功能印表機具有列印、複印、掃描等功能。
（16）視頻設備，如攝像頭、掃描儀、數位相機、數碼攝像機、電視卡等設備，用於處理視頻信號。
（17）快閃記憶體盤：通常也被稱作優盤、U盤、閃盤。快閃記憶體盤一般包括快閃記憶體（Flash Memory）、控制晶片和外殼。快閃記憶體盤可以多次擦寫。快閃記憶體盤的存儲容量從1GB至64GB。
（18）移動存儲卡：又稱為快閃記憶體卡，一般應用在掌上電腦、智慧型手機、數位相機等產品中作為存儲介質。快閃記憶體卡有SmartMedia（SM卡）、Compact Flash（CF卡）、Multi Media Card（MMC卡）、Secure Digital（SD卡）、Memory Stick（記憶棒）、TF卡等多種類型。
（19）移動存儲卡的讀卡器：由於快閃記憶體卡本身並不能被計算機直接辨認，必須有讀卡器（Card Reader）才能辨認、讀取快閃記憶體卡的內容。
（20）電源供應器件（Power Supply Unit，PSU），一般安裝在主機內部。PSU的作用是將220V交流電轉換為電腦中使用的5V、12V、3.3V直流電。手提電腦中有鋰電池，為手提電腦提供電能。
（C）微型計算機的軟體系統
微型機的軟體系統包括系統軟體和應用軟體。
（一）微型機的系統軟體
微型機的系統軟體包括作業系統、計算機語言編譯器和解釋器、資料庫管理系統、系統工具等。
（a）作業系統
微型機的系統軟體包括作業系統(OS)、語言編譯程序、系統工具、資料庫管理系統(DBMS)等。
微型機系統軟體的核心是作業系統(Operating System，OS)。作業系統分成單用戶OS和多用戶OS。
使用最廣的單用戶微型機作業系統是微軟(Microsoft)公司的Windows（視窗），占全球微型機市場份額的大約90%；其次是蘋果公司的Mac OS和開源的單用戶Linux（讀音「萊訥克斯」或「里尼克斯」）。
當微型機作為網絡伺服器時，必須使用多用戶作業系統。常用的多用戶OS有Windows Server，UNIX（包括Linux，Solaris，BSD Unix，HP-UX，AIX）。
（b）計算機語言編譯器和解釋器
要把用計算機語言編寫的程序轉換成機器語言（有2進位數字0、1表示），才能被計算機識別、執行。根據電腦程式設計語言的特徵，分別用編譯器和解解釋器把程序轉換成機器語言。
微型機的程序設計語言有彙編語言、高級程序設計語言。
高級程序設計語言又分成面向過程的程序設計（Process Oriented Programming，POP）語言和面向對象的程序設計（Object Oriented Programming，OOP）語言。
常用的面向過程的高級程序設計語言有C，BASIC，FORTRAN，COBOL，Pascal，等等。
常用的面向對象的高級程序設計語言有Java，SmallTack，Eiffel（源於著名的法國艾菲爾鐵塔）。
Java兼有POP和OOP的功能。
C++語言具有OOP的功能。C++是C語言的一個向上兼容的擴充，而不是一種新語言。
（c）資料庫管理系統
資料庫管理系統(Database Management System，DBMS)分成單用戶DBMS和多用戶DBMS兩種。
常用的單用戶微型機DBMS有dBase，FoxPro，Access，Personal Oracle，mSQL。
在作為網絡伺服器的微型機上，必須用多用戶DBMS。常用的多用戶DBMS有Oracle，Sybase，DB2，Informix，SQL Server，MySQL（開源、免費DBMS）。
（二）微型機的應用軟體
微型機的應用軟體分成下列兩類：
（1）通用軟體：用途很廣的通用的應用軟體如下：
辦公套件 Microsoft Office；企業管理軟體SAP；繪圖工具 Adobe PhotoShop，CorelDraw；網站設計工具 Adobe Dreamweaver；電腦輔助設計 AutoCAD；電腦輔助製造 StartCAM；統計分析軟體SAS，SPSS；數據分析與圖像處理軟體MATLAB；等等。
（2）專用軟體：各個領域和各行各業的計算機專用軟體不計其數。
（D）個人計算機（PC）的類型
1、台式計算機（Desktop）
台式計算機也叫桌面機，其主機、顯示器等設備是相對獨立的。台式計算機一般放置在電腦桌或者專門的工作檯上，因此命名為台式機。台式機是近30年來最流行的微型計算機。但是，近幾年台式機正在逐步被電腦一體機取代。
2、電腦一體機
電腦一體機，是由一台顯示器、一個電腦鍵盤和一個滑鼠組成的電腦。它的主板與顯示器集成在一起。顯示器就是一台電腦。電腦一體機的鍵盤、滑鼠與顯示器可實現無線連結，機器只有一根電源線。有的電腦一體機還具有電視接收功能。
3、筆記本電腦（Notebook或Laptop）
筆記本電腦也稱手提電腦或膝上型電腦，是一種小型、可攜帶的個人電腦。它和台式機架構類似，但是提供了更好的便攜性。筆記本電腦可以大體上分為六類：商務型，時尚型，多媒體應用型，上網型，學習型，特殊用途型。
4、平板電腦
平板電腦是一種無須翻蓋、沒有鍵盤、大小不等、形狀各異，卻功能完整的電腦。平板電腦的構成組件與筆記本電腦基本相同，但它是利用觸筆在屏幕上書寫，而不是使用鍵盤和滑鼠輸入。它除了擁有筆記本電腦的所有功能外，還支持手寫輸入和語音輸入。
5、掌上電腦（PDA）
掌上電腦是一種小巧、輕便、易帶、實用、價廉的手持式計算設備，運行嵌入式作業系統和內嵌式應用軟體。掌上電腦可以用來管理個人信息（如通訊錄，計劃等），上網瀏覽，收發電子郵件；可以當作手機使用；還具有錄音機功能、英漢漢英詞典功能、全球時鐘對照功能、休閒娛樂功能，等等。
目前，世界上使用最廣的掌上電腦是蘋果公司的iPad。
（E）微型計算機的發展歷程
微型計算機的發展歷程與美國英特爾(Intel)公司密切相關，可以說微型計算機的發展史基本上就是英特爾公司的發展史。
美國英特爾(Intel)公司於1968年7月18日在美國加利福尼亞州矽谷創建。
至今，微處理器和微型機的發展經歷了五代。
第一代：1971-1972年，4位微處理器和微型計算機。
1971年，英特爾公司研製出採用微處理器4040的MCS-4微型計算機。它的字長為4位，平均指令執行時間為20μs，電晶體數目約為2300個。當年，Intel 4004處理器每個售價為200美元。
第二代：1972-1977年，8位微處理器和微型計算機。
1972年4月，英特爾公司推出了第一個8位微處理器8008，其運算能力是4004的兩倍。Intel 8008電晶體數目約為3500個。
1974年，英特爾公司推出8080處理器。Intel 8080電晶體數目約為6000個。
1974年，摩托羅拉(Motorola)公司推出了8位微處理器M6800。晶片中集成了6800個電晶體。
1975年，以Intel 8080為中央處理器(CPU)的世界第一台微型計算機Altair問世。Altair是微型儀器與自動測量系統公司(MITS)研製的。Altair在《星艦奇航》電視影集中是企業號太空船的目的地。Altair組件在幾個月內賣出了數萬套，售價每套395美元。該計算機帶有1KB存儲器。Altair沒有作業系統。
1975年，年僅19歲的比爾·蓋茨（Bill Gates）創立了微軟（MIcrosoft）公司。微軟公司的第一件產品BASIC是在Altair上運行的。
第二代微型機通常配備了高級程序設計語言BASIC、FORTRAN、Algol等。
第三代：1978-1984年，16位微處理器和微型計算機。
1978年，英特爾公司推出了16位微處理器8086。晶片中集成了29000多個電晶體，時鐘頻率為4MHz。
1981年8月，IBM公司推出個人微型機IBM PC（Personal Computer）。
1982年，英特爾公司推出了80286微處理器。從此，「x86」系列微處理器逐步發展，更新換代：80386，80486，等等。
80286晶片內部含有13.4萬隻電晶體，時鐘頻率提高到20MHz，平均指令執行時間為0.2μs，可尋址16MB內存。80286 CPU在硬體設計上支持多用戶、多任務的處理。
第三代微型機的作業系統是DOS。
第四代：1985-1992年，32位微處理器和微型計算機。
1985年10月，英特爾公司發布了第一款32位微處理器80386，其晶片內含27.5萬隻電晶體，時鐘頻率逐步提高到33MHz，可尋址4GB內存。
1985年，微軟公司推出Windows 1.0，作為使用微處理器Intel 80386 作CPU的微型機的作業系統。1987年12月，Windows 2.0發布。
1989年，英特爾公司推出了80486微處理器。Intel 80486晶片集成的電晶體數量為120萬個。
第五代：1992年-現在，64位微處理器和微型計算機。
1992年，美國數據設備公司(DEC)率先推出第一個64位微處理器Alpha 21064，意思是21世紀的64位微處理器。
1993，英特爾公司推出第一代32位Pentium（奔騰）微處理器。為了擺脫486時代處理器名稱混亂的困擾，英特爾公司把自己新一代產品命名為Pentium（奔騰），拉丁文Pent表示「第五」。Intel Pentium處理器電晶體數目為310萬顆。1997年，英特爾公司推出Intel Pentium II；1999年，Intel Pentium III；2000年，Intel Pentium 4，頻率達到2 GHz。2002年，公司推出Intel Pentium 4HT；2003年，Intel Pentium 4HT處理器頻率達到3.2 GHz（每秒32億次）。
1995年，IBM公司和摩托羅拉(Motorola)公司聯合推出64位微處理器Power PC 620。2003年，AMD推出了x86架構的首款64位處理器Athlon 64。2007年，IBM公司推出64位微處理器Power 6。
1995年，微軟公司推出了Windows 95，它是第一個不要求先安裝DOS的32位作業系統。從此，DOS退出了歷史舞台。
2001年，英特爾公司與惠普公司（Hewlette-Pachard，HP）聯合推出64位微處理器Itanium（安騰）。2002年，他們推出Itanium -2；2003年他們推出Itanium-3。
2001年，IBM公司率先推出集成2個Power 3核心的Power 4雙核處理器，開闢了微處理器的多核時期。
2005年，IBM、AMD和SUN公司分別推出雙核處理器Power5、Opteron、UltraSPARC IV。
2005年10月，英特爾公司推出內含2個處理核心的Intel Pentium D 處理器，開始了x86處理器多核心時期。
2006年，英特爾公司推出Core微架構桌面處理器Core 2 Duo，處理器內含2.91億個電晶體。同年12月，公司推出4和處理器Clovertown。
多核微處理器是在一個晶片中集成2個或多個處理內核的微處理器。
在微型機的第五代，系統軟體和應用軟體在不斷發展、更新。尤其是各行各業的應用軟體，層出不窮。在「微型計算機的軟體系統」那一節所述的軟體，大部分都是在第五代時期開發、應用的。