微机的发展与单片机原理及应用

随着大规模集成电路的发展，计算机分别朝着巨型（或大型）机和超小型（或微型）机两个方向发展。以微处理器MPU（Micro Processing Unit）为核心，配上大容量的半导体存储器及功能强大的可编程接口芯片，连上外部设备及电源所组成的计算机，称作微型计算机，简称微型机或微机。在计算机中人们接触最多的是微机。

微机的诞生和发展是伴随着大规模集成电路的发展而发展起来的。微机在系统结构和基本工作原理上，与其他计算机（巨、大、中、小型的计算机）并无本质差别，主要差别在于微机采用了集成度相当高的器件和部件，它的核心部分是微处理器。微处理器（或称微处理机）是指一片或几片大规模集成电路组成的、具有运算器和控制器功能的中央处理器（CPU）。按CPU字长位数和功能来划分，并以时间来排序，微处理器的发展过程分为8个时代。

（1）第1代（1971～1973年）4位和8位低档的微处理器和微机时代。典型CPU产品为Intel 4004/8008等。它们采用PMOS工艺、集成度低（1200～2000个晶体管/片）、时钟频率低（＜1MHz）、速度慢、运算能力弱、系统结构和指令系统简单，采用机器语言或简单的汇编语言编程，4004、8008分别只有45、48条指令，基本指令执行时间10～20μs，适用于家用电器和简单的控制场合。

（2）第2代（1973～1978年）8位中高档微处理器和微机时代。典型CPU产品为Intel 8080/8085、Motorola MC6800和Zilog Z80等。它们采用NMOS工艺，集成度提高了约4倍（5000～9000个晶体管/片），时钟频率达1～4MHz，执行指令的速度达0.5百万条指令/秒（MIPS）以上，运算速度提高了10～15倍，指令系统比较完善，已具有典型计算机体系结构以及中断、直接存储器存取方式（DMA）等功能，软件除配备汇编语言外，还有BASIC、FORTRAN等语言和简单操作系统（如CP/M）。

（3）第3代（1978～1985年）16位微处理器和微机时代。典型产品为Intel 8086/8088/80286、Zilog Z8000和Motorala 68000/68010等。它们采用HMOS工艺，集成度（20000～70000只晶体管/片）和运算速度（基本指令执行时间约0.5μs）提高了一个数量级，指令系统更加丰富和完善，采用多级中断技术、流水线技术、段式存储器结构和硬件乘除部件，处理速度加快，寻址方式增多，寻址范围增大（1～16MB）。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4代（1985～1993）32位微机处理器和微机时代。典型产品为Intel 80386/80486和Motorola 68040等。它们采用HMOS/CMOS/CHMOS工艺，集成度高达15万～100万只晶体管/片，时钟频率达25MHz以上，具有32位的数据和地址总线，执行速度可达25MIPS，片内还增加协处理器和高速缓冲存储器（Cache），并采用了精减指令集（RISC）技术，使它的处理速度大大提高。这一代微机的功能已达到以前的超级小型机功能，完全可胜任多任务、多用户的作业。

（5）第5代（1993～1995年）32位P5高档微处理器和微机时代。典型产品为Intel Pentium 586（奔腾）等。它采用亚微米（粒度直径100nm～1.0μm）的CMOS技术设计，集成度达330万只晶体管/片，采用了两条超标量流水线结构，并具有相互独立的指令和数据RISC，主频为60～166MHz，处理速度达110MIPS。(www.xing528.com)

（6）第6代（1995～1999年）32位P6高档微处理器和微机时代。典型产品为Intel Pentium Pro/Pentium MMX/PentiumⅡ/PentiumⅢ等。它们内部采用了3条超标量指令流水线结构，工作频率越来越高，总线频率也大大提高。支持MMX、SSE多媒体扩展指令集（SIMD）。集成度达550万～950万只晶体管/片。

（7）第7代（2000～2007年）32位P4高档微处理器和微机时代。典型产品为Intel Pentium 4（如5××/6××/7××等）。它们的集成度高达4200万～1.78亿管/片，主频为1.3～3.6 GHz，采用超级管道技术，使用长达20级的分支预测/恢复管道，其动态执行技术（程序执行）中的指令池能容下126条指令。它支持SSE2、SSE3等SIMD指令。

（8）第8代（2007年至今）32/64位Core双核高档微处理器和微机时代 典型产品为Intel Core2 Duo/Core2 Quard/Core2 Extreme等。它们采用双核结构的Core/Core2系列处理器，兼顾32位和EM64T技术，是典型的32/64位处理器。支持64位存储器访问，支持SSE2、SSE3、SSSE3和SSE4等SIMD指令，集成度达2.91亿只晶体管/片以上。

与第5代之后的32位处理器同步并行发展的还有纯64位处理器，如Intel Itanium/ItaniumⅡ等处理器，它们采用IA-64结构。

微处理器发展特点是速度越来越快、集成度越来越高、功能越来越强。