微型计算机技术

摘要：微型计算机是通用计算机的一个重要发展分支,自1981年美国IBM公司推出第一代商用微型计算机以来,微型计算机迅速进入社会各个领域,且技术不断更新、产品快速换代,已成为人们工作和生活中不可缺少的基本工具。

一、微型计算机技术发展历史

1.第一代微处理器(1971-1973)：

1971年工程师霍夫发明了世界上第一个商用微处理器4004,标志着第一代微处理器问世, 4004有2300只晶体管,是个4位系统,时钟频率为108 kHz,每秒执行60000条指令(0.06 MIPS),其功能比较弱,且计算速度较慢,只能用在Busicomi算器上。紧接着,又发明了微处理器8008,8008可一次处理8位二进制数据,寻址内存空间为16KB,共有48条指令。

2.第二代微处理器(1974-1977)：

第二代微处理器有Intel公司的8080/8085, Zilog公司的Z80和Motorola公司的M6800，与第一代微处理器相比,它们采用NMOS工艺,集成度提高了1_{4倍,集成度达9000只晶体管以上,时钟频率达1}4 MHz,执行指令的速度达0.5 MIPS以上,运算速度比第一代微处理器提高了10~15倍。用它构成的微型计算机已具备典型的计算机体系结构,有中断和直接存储器存取方式(DMA)等功能;软件上除配备了汇编语言外,还有BASIC、FORTRAN等语言和简单的操作系统。

3.第三代微处理器(1978-1984)：

第三代微处理器也称16位微处理器。1978年6月,Intel公司推出4.77MHz的8086微处理器,其集成度为29000只晶体管以上,数据总线宽度为16位,地址总线为20位,可寻址内存空间达1MB。它还支持指令高速缓存或队列,可以在执行指令前预取几条指令,运算速度比8位机快2_{5倍。第三代微处理器是随着超大规模集成电路(VLSI)的研制成功而出现的。这一代微处理器采用HMOS工艺,集成度更高,扩充了指令系统,指令功能大大加强;采用多级中断技术增强了中断功能，采用流水线技术,处理速度加快;寻址方式增多,寻址范围增大(1}16 MB):配备了磁盘操作系统、数据库管理系统和多种高级语言。

4,第四代微处理器(1985-1992)：

第四代微处理器也称32位微机处理器。1985年10月17日,Intel公司划时代的产品80386DX正式发布。80386DX的内部和外部数据总线是32位,地址总线也是32位,可以寻址到4GB的内存,并可以管理64TB的虚拟存储空间。它的运算模式除了具有实地址模式(简称实模式)和保护虚拟地址模式(简称保护模式)以外,还增加了一种虚拟8086模式(简称V86模式),可以通过同时模拟多个8086微处理器来提供多任务能力。80386微处理器采用CHMOS工艺,集成度达15万_{50万只晶体管,时钟频率为16}33 MHz。它是一种与8086向上兼容的32位处理器,具有32位的数据线和31位的地址线,寻址能力达4GB,提供了容量更大的虚拟存储,其执行速度达3_{4MIPS，80486微处理器比80386微处理器性能更高,集成度达120万只晶体管,采用64位的内部数据总线,增加了片内协处理器和一个8KB容量的高速缓冲存储器,它还采用了RISC技术,这使它的处理速度大大提高,在相同时钟频率下处理速度比80386微处理器快了2}3倍。

5.五代微处理器(1993-2005)

第五代微处理器也称奔腾系列微处理器,典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的微处理器芯片。其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。1993年,Intel公司推出了全新的32位微处理器Pentium586,它采用亚微米的CMOS技术设计,集成度高达330万只晶体管,主频为60~166 MHz,处理速度达110 MIPS，Pentim系列微处理器采用了全新的体系结构,其内核中采用了RISC技术,并运用超标量流水线设计。Pentium系列微处理器共有3个执行部件:浮点执行部件和U、V两个流水线型的整数执行部件,Pentium系列微处理器具有64位数据总线,但仅有32位地址总线,内部主要的寄存器也是32位,所以仍称其为32位微处理器。

6.第六代微处理器(2005年至今)

第六代微处理器即酷睿(Core)系列微处理器。"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,提高每瓦特性能,也就是所谓的能效比2006年8月,Intel公司正式发布了Core架构的微处理器,产品命名也正式更改,并且第一次采用移动、桌面、服务器三大平台同核心架构的模式。

7.个人观点：

从微型计算机技术的发展历史可以看出：处理器的处理位数在不断增加，从最初的4位的4044微处理器到现在64位的酷睿(Core)系列微处理器，这很好地证实了摩尔定律；微处理器的集成度也在不断完善，现在一块指甲盖大小的芯片就能装下几百万只晶体管，这对相关的设计能力和制造设备有着极高的要求，这也同时带动了光刻机等的设备的发展；微处理器时钟频率也在不断增加，执行指令的速度越来越快；结构布局也越来越合理；使用也越来越人性化。

二、微型计算机技术的应用

1、科学计算

许多现代微型计算机系统具有较强的运算能力，这是在过去只有大、中、小型机才具有的。特别是多个微处理器构成的系统，其功能往往可与大型机相匹敌，而成本却低到足以使大型机趋于淘汰。比如，美国Seguent公司用30个Intel 80386集合起来，构成Symmetry计算机，速度为120 MIPS，达到IBM 3090系列最高档大型机的性能，价格却不到后者的十分之一。用更多的微处理器构成的并行处理机甚至可以超过大型机的速度和性能。比如，Intel 公司用128个微处理器构成的IPSC机，速度达512 MIPS，这比任何一种商用大型机的速度都高。Intel 公司用一台32个微处理器构成的IPSC机运行一个广泛使用的科学计算程序，结果比Cray公司的大型机X-MP/2快40%。

2、信息处理和事务管理

短时间内完成对大量信息的处理是信息时代的必然要求。微型计算机配上数据库管理软件以后，可以很灵活地对各种信息按不同的要求进行分类、检索、转换、存储和打印，加上一些专用部件（如传感器）后，还可以处理光、热、力、声等物理信号。

3、过程控制

过程控制是微机系统应用最多，也是最有效的方面之一。现在，在制造工业和日用品生产厂家中都可以看到微机控制的自动化生产线，微机在这些部门的应用为生产能力和产品质量的迅速提高开辟了广阔前景。

4、仪器仪表控制

在仪器仪表，特别是电子设备中，已逐步用微处理器取代了传统的机械部件或分离的电子部件，这大大提高了产品的性能/价格比。此外，微处理器的应用还导致了一些新仪器——智能仪器的诞生。如智能示波器、逻辑分析仪等，它使得人们能同时观察众多的信号波形及它们之间的时序关系。在医学领域，出现了以微处理器为核心控制部件的CT扫描仪、超声扫描仪等智能化的医疗设备，这就大大提高了对疾病的确诊速度和确诊率。

5、计算机辅助教学、辅助设计等

随着微机系统软、硬件的不断丰富，逐步改善着人们的生活和生产方式。比如，用微机辅助设计（CAD）机械、电子等产品，可以降低成本、缩短研制周期；用微机辅助测试（CAT）数字设备、集成电路性能指标或检查设备故障等，可以节约测试时间、提高测试准确率及避免重大事故的发生；用微机辅助教学（CAI），可提高学习者的学习兴趣和学习效率。

6、计算机网络与通信

计算机网络是指把若干台地理位置不同，且具有独立功能的计算机通过通信设备和线路互连起来，以实现信息传输和资源共享的一种计算机系统。

计算机技术和通信技术的迅速发展与紧密结合使计算机不仅用于科学计算、工业控制等，也更多的用于信息的收集、加工、处理和传输。计算机网络使人们能将计算机“群集”起来，快速而有效的发挥系统的整体效益。

7、个人观点

微型计算机技术应用广泛，它的身影已经渗透到我们生活中的方方面面，不管是手机，笔记本，甚至一个小小的玩具都与他有着密不可分的关系，可以说，微型计算机技术改变了我们的生活，这种改变将持续进行着，未来的发展不可估量，以前的人们不也不知道现在的生活是怎么样的，未来是我们的，我们可以畅想未来微机技术的发展，也可以投身到这发展当中！

三、微型计算机技术未来十年发展方向：

未来的微型计算机大多数都应该朝着这些方向发展：高性能化、网络化、大众化、智能化、人性化、功能综合化、虚拟现实，但是传统计算机在数值处理方面已经到达较高的速度和精度,而随着非数值处理应用领域对计算机性能的要求越来越高,传统体系结构的计算机已经难以达到这些要求, 还不能满足人工智能能技术发展的要求，所以需要寻求新的体系结构来解决问题

1.智能计算机

随着人工智能技术的不断发展 其应用的逐步增大,对知识库的搜索要求计算机的速度越来越快,推理机制也要求计算机具有较高的智能水平,并进行并行推理对系统中复杂的情况和各种可能进行判断和决策,用它来部分模拟,代替和延伸人的智能,而传统的冯讲依曼计算机还不能满足人工智能能技术发展的要求。智能计算机将具有渊博的知识,能推理、会学习,其有自组织、自适应和容错能力的计算机。智能计算机使知识工程程化,也就是对知识进行工程化处理,是人脑的模拟。它将是计算机的软件从数值处理向非数值(符号)处理过渡。。

2.光子计算机

光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机。光的并行、高速天然地决定了光子计算机的并行处理能力很强,具有超高的运算速度。光子计算机以光子作为传递信息的载体,以光互连代替导线互连,以光硬件代替电子硬件以光运算代替电运算,利用激光来传送信号,并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路,从而进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中,不同波长、频率、偏振态及相位的光代表不同的数据,这远胜于电子计算机中通过0和1的状态变化进行的二进制运算,可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度呈指数级上升。光子计算机还具有与人脑相似的容错性,系统中某一元件损坏或出错时,并不影响最终的计算结果。光子在光介质中传输所造成的信息畸变和失真极小,光传输、转换时能量消耗和热量散发极低,而且对环境条件的要求比电子计算机低得多。

3.量子计算机

不同于传统二进制位的非0即1,量子位理论上可以表达无穷个状态

顾名思义,量子计算机就是实现量子计算的机器,是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。不同于电子计算机,量子计算机用来在储数据的对象是量子比特,它使用量子算法来进行数据操作；量子计算机在20世纪80年代多处于理论推导的纸上谈兵状态。一直到1994年彼得·秀尔(Peter Shor)提出量子质因子分解算法后,因其对通行于银行及网络等处的RSA加密算法的破解而构成威胁后,量子计算机变成了热门的话题。中国科学技术大学的潘建伟院士于2017年5月3日在上海宣布,我国科研团队成功构建的光量子计算机首次演示了超越早期经典计算机的量子计算能力。通过和经典算法比较,也比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机的运行速度快10倍至100倍。但是迄今为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是,世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。

4、个人观点：

寻求新的微型计算机体系结构确实能打开一扇大门，这将是颠覆传统的改变，并且带来的改变可能是传统计算机所给我们带来的改变的几倍甚至几十倍，光子计算机、量子计算机、生物计算机都是未来的研究热门，一旦出现相关的技术突破，势必会影响着这个世界的方方面面。

四、关于微型计算机技术的技术瓶颈：

1、微型计算机技术的技术瓶颈

现代计算机发展所遵循的基本结构形式始终是冯·诺依曼机结构。这种结构的特点是:程序存储,共享数据,顺序执行。这种结构需要CPU从存储器取出指令和数据进行相应的计算,因此CPU与共享存储器间信息交换的速度（随机存储器RAM存储速度目前与CPU的速度相差一个数量级）成为影响系统性能的主要因素和瓶颈,而信息交换速度的提高又受制于存储元件的速度、存储器的性能和结构等诸多条件。

2.个人观点

冯・诺依曼的串行“瓶颈”问题，造成数据输入与处理需要耗费大量的时间，使电子计算机的计算处理速度不能进一步提升，就像一个小口瓶里面的水，只能从瓶口慢慢地流出。当下，如何提高CPU与共享存储器间信息交换速度是一个亟待解决的问题，这可以增加CPU与存储器之间的传输线的数目，发掘合理的布线和制造工艺，研制利用新型材料作为传输介质等方法来解决。而这种种问题需要前线科技人员夜以继日地攻关研发新方法，找到新途径。

五、国产CPU的发展历程现状和发展：

1、国产CPU

我国自主研制芯片的工作,尤其是自主微处理器的研发工作很早就已经启动。多年以来,虽然经历了诸多坎坷,但也取得了一些可喜的成果。

1973年,第四机械工业部决定由清华大学、安徽无线电厂、第四机械工业部电子技术推广应用研究所(六所)组成联合设计组,参考Intel-8008,研制DJS-050微型计算机。1977年,联合设计组成功研制出样机,并通过了国家计算机工业总局主持的鉴定。DIS050的字长为8位,基本指令为64条,时钟主频为150kHz,拥有2KB的ROM空间。在此基础上,以电子工业部六所为主研发了长城0520计算机。1978年、1980年又率先研制成功uS085A微处理器、8086微处理器,分别获得电子工业部一等奖。1984年,《中国计算机工业概览》将DIS-050列为我国自制的第一台微型计算机。20世纪80年代初期,上海元件五厂等单位对Intel-8080进行伤制,生产出名为SG8080的微处理器,属于大规模集成电路,约4000只晶体管,这是我国仿制的第一块严格意义上的芯片。

进入21世纪后,我国自主的CPU品牌主要有龙芯、申威、飞腾,被业界称为国产CPU的“三驾马车”。龙芯是中国科学院计算所自主研发的MIPS架构的通用高性能CPU,2001年开始研制2010年正式成立龙芯中科技术有限公司,目前已经推出多个系列的龙芯处理器。最新的龙芯处理器采用自主高性能处理器核架构GS464E,以及自主指令集LoongISA,具有自主知识产权。龙芯处理器主要用于政府办公、军事设备、航空航天等。申威(SW)处理器源自于DEC的Alpha架构,由江南计算机所在国家“核高基”重大专项支持下研制,采用自主指令集,具有完全自主知识产权。另外,基于ARM架构,在移动通信芯片领域,华为海思、紫光展讯、小米松果等自主品牌也都在构建自己的核心处理器平台,在某些方面甚至已经取得了国际领先的研发成果。

2、个人观点：

虽然我国的国产CPU起步也不晚，而且还有很多的企业在各自的细分领域研发自主知识产权的微处理器。但是当前国产品牌基本上都是基于架构授权进行自主内核设计,在总体综合性能上和国际最先进的微处理器还有明显的差距。国产CPU基本上都是军用或者国家机密处使用，规模都不太大。虽然国产CPU在某些方面的性能能够比得上甚至超过国外的CPU，但是大规模的民用CPU都没有很好的发展，因为还没有形成一系列的生态，市场都被国外的给抢占了。

六、人工智能NPU的作用、现状和发展：

1、NPU介绍：

嵌入式神经网络处理器（NPU）采用“数据驱动并行计算”的架构，特别擅长处理视频、图像类的海量多媒体数据。NPU处理器专门为物联网人工智能而设计，用于加速神经网络的运算，解决传统芯片在神经网络运算时效率低下的问题。NPU处理器包括了乘加、激活函数、二维数据运算、解压缩等模块。乘加模块用于计算矩阵乘加、卷积、点乘等功能，NPU内部有64个MAC，SNPU有32个。激活函数模块采用最高12阶参数拟合的方式实现神经网络中的激活函数，NPU内部有6个MAC，SNPU有3个。二维数据运算模块用于实现对一个平面的运算，如降采样、平面数据拷贝等，NPU内部有1个MAC，SNPU有1个。解压缩模块用于对权重数据的解压。为了解决物联网设备中内存带宽小的特点，在NPU编译器中会对神经网络中的权重进行压缩，在几乎不影响精度的情况下，可以实现6-10倍的压缩效果。

芯片巨头英特尔公司发布了 Movidius 神经计算棒(Movidius Neural Compute Stick) ，称这是“世界上第一台”独立的人工智能加速器，可以在USB闪存驱动器上使用。这种设备就像人工智能加速器，不需要连接到基于云的系统上，而且更容易在现有的计算平台上添加深度学习功能。

2、个人观点：

21世纪注定是人工智能的世纪，人工智能相关技术的发展及应用在过去几年里得到了很快的发展，生活中随处可见人工智能的身影，例如：停车场的车牌识别、人脸检测、智能语音助手等；而运用传统的CPU，GPU等的处理器来跑一个神经网络已经不能满足人们对速度的要求，因此专用的芯片NPU就及时出现了，其很好地满足了人们对于速度和效率的要求，可以说人工智能技术的发展催化了NPU的发展，而更快、更高效的NPU也会加速人工智能技术的发展，两者共同影响着这个世界

七、参考文献：

https://zhidao.baidu.com/question/747916062712349212.html

https://zhidao.baidu.com/question/2271745271935295548.html

http://www.docin.com/p-1229102101.html

https://web.archive.org/web/20170811193632/https://www.v3.co.uk/v3-uk/news/3014293/intel-unveils-movidius-compute-stick-usb-ai-accelerator

https://www.sohu.com/a/287189958_732351

[1]魏权利,微型计算机技术的发展与瓶颈[A].2000.3.

[2] 沈绪榜,微型计算机应用简介[J]

[3]汪洋.光子计算机[J].国际技术经济研究，2000(04).