第1章 微型计算机系统概述
第1章 微型计算机系统概述
【学习目标】 了解微型计算机的发展。 了解微型计算机的特点。 认识微型计算机系统的组成。 了解微型计算机的主要性能指标。
1.1 微型计算机概况
世界上第一台电子计算机早在1946年就诞生了，然而微 型计算机在1971年才问世，它具有众多优点，其应用更 加广泛。微型计算机（见图1-1）具有体积小、重量轻、 耗电少、性价比最优、可靠性高、结构灵活等特点，其 应用深入到社会生活中的各个领域，并取得了飞速的发 展。计算机不仅能够完成数学运算，而且还可以进行逻 辑运算，同时还具有推理判断的能力。因此，人们又称 它为电脑。现在，科学家们正在研究具有思维能力的智 能计算机。随着科学技术的发展，人们对计算机的认识 也在不断地深入
操作系统方面
主流的操作系统有Linux、UNIX （System Ⅴ、UNIX BSD、SCO UNIX、 Solaris等）、Windows系列（现在主要有 Windows 98、Windows NT、Windows 2000、Windows XP、Windows 2003、 Windows CE等）等。
图1-1 现代微型计算机
1.1.1 微型计算机的发展
现将有关计算机中央处理器（CPU）的一些基本概念介绍 如下： 中央处理器（CPU）是指把运算和控制功能集成在一起的 那块芯片，这块芯片俗称主机。 微型计算机系统是由中央处理器（CPU）配上一定容量的 存储器（或内存）、接口电路以及必要的外部设备组成。 单板机是指把CPU、一定数量的存储器芯片和I/O接口芯 片装在一块印刷电路板上，并在该板上配以具有一定功能的 输入、输出设备。 单片机是指把CPU、一定容量的存储器和必要的I/O接口 电路集成在一个硅片上。有的单片机还包括模数（A/D）和 数模（D/A）转换器。
第1章 微型计算机系统概述
1.1.1 微型计算机硬件
通常在一些书中介绍，微型机的硬件由运算 器、控制器、存储器以及输入和输出设备五个部 分组成，这种划分的方法是从组成计算机的功能 模块的角度出发。对于微型机的硬件组成还可以 用另外的分解方法。图1.2给出的微型机系统硬件 组成框图更直观、更切合实际。
1.1.2 微型计算机软件
状态寄存器的6个状态标志位的含义如下： 进位标志位（Carry Flag，CF）：ALU结果的最高 位有进位或借位，CF=1；无进位或借位，CF=0。 奇偶标志位（Parity Flag，PF）：指令执行后， ALU的结果的低8位中1的个数为偶数，PF=1；若为奇数， PF=0。 辅助进位标志位（Auxiliary Carry Flag，AF）：加、 减算术指令执行后，最低4位D 3 D 0位有进位或借位， AF=1；无进位或借位，AF=0。该标志用于系统进行BCD 码的算术运算结果的调整。 零标志位（Zero Flag，ZF）：指令执行后，ALU的 结果为零，ZF=1；结果不为零，ZF=0。 符号标志位（Sign Flag，SF）：该位总是和ALU结 果的最高位相同。因为在带符号数运算时，最高位是符 号位，所以运算结果为负时，SF=1；否则SF=0。 溢出位（Overflow Flag，OF）：在带符号的加、 减算术指令执行后，ALU的结果超出数据的量程，则产生 溢出，OF=1；否则OF=0。一旦OF=1，则运算结果是错 误的。
BIU：负责从存储器或外部设备中读取指令和读/写数
据，即完成总线操作。 这两个单元处于并行工作状态，可以同时进行执行指 令和读/写操作。这样大大提高了CPU的指令执行速度， 从而提高计算机的工作速度。
由图1.3可知，Intel 8086的程序设计模型如图1.5所示。
第一章 微型计算机系统概述(戴梅萼)
1、3 微处理器、微型计算机微型计算机系统
算术逻辑部件 累加器、寄存器 控制部件 内部总线 存储器（ROM、RAM） 输入输出接口 系统总线 外围设备 系统软件 微 处 理 器
微 型 计 算 机
微 型 计 算 机 系 统
1、4 微型计算机的应用
1、科学计算和科学研究
计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出 的数学问题（数值计算）。 2、信息处理 （数据处理） 主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字 信息进行加工。 3、工业过程控制
用微型计算机实现工业生产控制。
4、计算机辅助系统 计算机辅助系统主要有计算机辅助教（CAI）、计算 机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算 机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系 统。 5、人工智能 人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能、智能行 为及其规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的 思维过程，计算机学习等等。其主要任务是建立智能 信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智 能行为的计算系统。
1、3、3 微型计算机系统的组成 一个微型计算机系统包括硬件系统和软件系统。硬件和 软件的结合，才能使计算机正常工作运行。
计算机硬件系统是一个为执行程序建立物质基础的物理 装置，称为硬件或裸机。
计算机软件系统指为运行、管理、应用、维护计算机所 编制的所有程序及文档的总和。
依据功能的不同，软件分为系统软件和应用软件两大类。
1、3、1 微处理器
微处理器（CPU）由运算器和控制器组成。
• 必须具备功能： *可以进行算术和逻辑运算 *可保存少量的数据 *能对指令进行译码并执行 *能和存储器及外设交换数据 *能提供系统所需的定时和控制 *可以相应其它部件发来的中断请求
第一章微型计算机系统概述
计算机一次能处理的二进制数字的位数。取决于微处理 器的内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度
3. 微处理器的集成度
微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 Pentium 310万管/片
4. 内存容量
是CPU可以直接访问的存储器，内存大小反映了计 算机即时存储信息的能力；
以上只是一些主要性能指标，还须综合考虑其他因素。
一、 二，八，十，十六进制数
十进制数的两个主要特点：
1. 有十个不同的数字符号：0, 1, 2, … 9。 2. 遵循“逢十进一”原则。
一般地，任意一个十进制数N都可以表示为：
N=Kn-1×10n-1+Kn-2 ×10n-2+······+K1×101+K0×100
+
m
K-1×10-1+K-2×10-2+······+K-m×10-m = Ki 10 i
i n 1
*基数：数制所使用的数码的个数
*权：数制中每一位所具有的位值.
整数部分 小数部分
式中，10称为十进制数的基数，i表示数的某一位，10i 称该位 的权，Ki 表示第I位的数码。 Ki 的范围为0~9中的任意一个数
设基数用R表示，则对于二进制，R=2, Ki为0或1， 逢二进一。
m
N= Ki 2i i n1
4. 按体积大小分：
(1) 台式机(又称桌上型) (2) 便携式(又称可移动微机、笔记本型、
膝上型、口袋型、掌上型和钢笔型)
四、微型计算机的主要性能指标
1. 运算速度
通常所说的计算机运算速度(平均运算速度)，是指每秒 钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令／秒”(MIPS) 来描述。
第1章微型计算机控制系统概述
PIO：并行I/O接口
接口电路
SIO：串行I/O接口 中断控制器
DMA
的
操作设备：由显示器、键盘、指示灯等组成
组
成
系统软件：OS、编译诊断程序、监控程序
软件 应用软件：针对过程编写的控制、管理程序
包括输入、控制、输出及显示打印程序
第一章 微型计算机控制系统概述
1.2 微型计算机控制系统的组成
4、检测元件及执行机构
在微机控制系统中，为了对生产过程进行控制，首先必须对各种数据，如 温度、压力、流量、液位、成分等进行采集。为此，必须通过检测元件，即 传感器，把非电量参数转换成电量。此外，为了控制生产过程，还必须有执 行机构。它们的作用就是控制各参数的流入量。
5、通用外部设备
主要为了扩大主机的功能而设置的，是实现微机和外界交换信息的功能的设备。 常规外部设备可分为输入设备，输出设备和存储设备，并根据控制系统的规 模和要求来配置。
第一章 微型计算机控制系统概述
1.1 微型计算机控制系统的结构原理
给定信号
微型计算机 微处理器
D\A转换器
执行机构
被控参数 被控对象
A\D转换器
1、控制过程 图1.3 计算机控制系统基本框图
从本质上看，微型计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下四 点： （1）实时数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测，并且将采样 结果输入计算机； （2）实时决策：对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理后， 按照预先规定的控制规律进行运算，则称为实时决策，或简称决策；
（3）保护重要数据的后备存贮体
Watchdog和掉电保护功能均要有能保存重要数据的存贮体支持， 后备存贮体容量不大，在系统掉电时数据不会丢失，故常采用 NOVRAM，EEPROM或常有后备电池的SRAM，为了保证可靠、安 全，系统存贮器工作期间，后备存贮体应处于上锁状态。
ch01微型计算机系统概述资料
第1章微型计算机系统概述1.1微型计算机发展及应用■第一台数字式电子计算机诞生于1946年2月，简称ENIAC （电子数据和计算器）。
冯诺依曼型计算机结构及特点特点：（1） 计算机内部釆用二进制表示数据和指令。
（2） 工作原理的核心为：“存储程序”和“程 序控制”程序 数据输入设备存储器 |控制器_U指令二=＞输出设备E结果数据运算器 卜计算机发展史微型机发展过程Pentium 32・64位4004 (8008・・8位)4位第一台个人电脑8080(Z80,MC6800)8位」8086M 6809和Z800082年80286及803116位8038680486 . .—(M68020 )/1993 Pentium,隹"亠/64位32位/ 1995年11月/ Pentium Pro o1997年1月Pentium MMX 此后pn/m/41971 ・72 | 1973-74 一代70年代初1978 1985二代三代四代70任代70任代末~ 80任代初80年代1993 五代时间90任代■微型计算机体积小■价格低,耗电少和可靠性高, 主要有如下几个应用方向：□科学计算和信息处理□计算机辅助设计,辅助制造,辅助教育及计算机辅助测试多媒体应用及网络应用□过程控制□嵌入式应用方向■两个方向发展：□高性能,多功能的方向□价格低廉,功能专一的方向1.2微型计算机系统的组成■硬件系统,人设备中央MS CPU存岫RAMROMI ■出设备・出tt 口數制怠线堆址总城控制怠纹主机中央处理器■微机的核心,控制中心，中央处理器CPU ■大规模集成电路VLSI芯片，集成□控制器□运算器（整数运算器）□寄存器（高速存储单元）■高性能微处理器内部还有曰浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元□存储管理单元、代码保护机制□ Cache□ ...。
微机原理、汇编语言及接口技术教程课后习题答案
!《16/32位微机原理、汇编语言及接口技术教程》部分习题参考解答第1章微型计算机系统概述〔习题〕什么是通用微处理器、单片机（微控制器）、DSP芯片、嵌入式系统〔解答〕通用微处理器：适合较广的应用领域的微处理器，例如装在PC机、笔记本电脑、工作站、服务器上的微处理器。
单片机：是指通常用于控制领域的微处理器芯片，其内部除CPU外还集成了计算机的其他一些主要部件，只需配上少量的外部电路和设备，就可以构成具体的应用系统。
~DSP芯片：称数字信号处理器，也是一种微控制器，其更适合处理高速的数字信号，内部集成有高速乘法器，能够进行快速乘法和加法运算。
嵌入式系统：利用微控制器、数字信号处理器或通用微处理器，结合具体应用构成的控制系统，其典型的特点是把计算机直接嵌入到应用系统之中。
〔习题〕说明微型计算机系统的硬件组成及各部分作用。
〔解答〕CPU：CPU也称处理器，是微机的核心。
它采用大规模集成电路芯片，芯片内集成了控制器、运算器和若干高速存储单元（即寄存器）。
处理器及其支持电路构成了微机系统的控制中心，对系统的各个部件进行统一的协调和控制。
存储器：存储器是存放程序和数据的部件。
（外部设备：外部设备是指可与微机进行交互的输入（Input）设备和输出（Output）设备，也称I/O设备。
I/O设备通过I/O接口与主机连接。
总线：互连各个部件的共用通道，主要含数据总线、地址总线和控制总线信号。
〔习题〕什么是总线微机总线通常有哪3组信号各组信号的作用是什么〔解答〕总线：传递信息的共用通道，物理上是一组公用导线。
3组信号线：数据总线、地址总线和控制总线。
（1）地址总线：传输将要访问的主存单元或I/O端口的地址信息。
#（2）数据总线：传输读写操作的数据信息。
（3）控制总线：协调系统中各部件的操作。
〔习题〕简答如下概念：（1）计算机字长（2）取指－译码－执行周期（3）ROM-BIOS（4）中断（（5）ISA总线〔解答〕（1）处理器每个单位时间可以处理的二进制数据位数称计算机字长。
微型计算机概述
第一章微型计算机概述回顾计算机系统的基础知识，包括计算机系统的组成(包括硬件与软件)、结构、发展历程、分类及其功能实质。
本讲重点微处理器及微机系统的发展历程，微机系统与一般意义上的计算机系统的联系与差别，强调微型计算机系统是具有独特结构的计算机系统，由此决定了微机系统所具有的功能及其特点。
【讲授内容】1.1 微机发展概述计算机系统是能够自动地、快速地、准确地进行信息处理的电子工具，其工作过程的实质是电子器件状态的快速变化。
1946年，世界上出现了第一台由电子管构成的，能够按照人们事先的安排，快速完成所要求计算任务的ENIAC电子计算机，计算机及其相关技术经历了一个快速发展的过程。
一般来说，电子计算机发展历程的各个阶段，是以所采用的电子器件的不同来划分的，即电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模及超大规模集成电路计算机。
微型计算机属于第四代电子计算机产品，即大规模及超大规模集成电路计算机，是电路技术不断发展，芯片集成度不断提高的产物。
主机按体积、性能和价格分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类，从其工作原理上来讲，微型机与其它几类计算机并没有本质上的差别。
所不同的是由于采用了集成度较高的器件，使得其在结构上具有独特的特点，即将组成计算机硬件系统的两大核心部分—运算器和控制器，集成在一片集成电路芯片上，显然该芯片是整个微机系统的核心，称为中央处理器CPU，或者微处理器MPU。
微处理器是微机系统的核心部分，自70年代初出现第一片微处理器芯片以来，微处理器的性能和集成度几乎每两年翻一番，其发展速度大大超过了前几代计算机。
微机系统及相关技术的发展，主要涉及到以下几个方面：CPU、主频、缓存、新技术。
一、微机的发展微机系统的核心部件为CPU，因此我们主要以CPU的发展、演变过程为线索，来介绍微机系统的发展过程，主要以Intel公司的CPU为主线。
第一代：4位及低档8位微处理器✧1971年，Intel公司推出第一片4位微处理器Intel4004，以其为核心组成了一台高级袖珍计算机。
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1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080
主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存 取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管， 处理速度为0.64MIPS。
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微型计算机的发展大致分为五代
第三代 16位机发展阶段 从1978年到1985年 代表产品：Intel 8086/8088、80186、80286、 MC 68000、 Z 8000 字长：16位
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计算机的应用领域
科学计算、数据处理和管理、计算机控制、 辅助技术、人工智能、网络技术
计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。提供 各种软、硬件资源的共享 。
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微型计算机的诞生
微型计算机诞生于20世纪70年代 微型计算机的特点：体积小、重量轻、功耗低、 可靠性高、价格便宜、使用方便、软件丰富 微型计算机的核心：微处理器（CPU）
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计算机的应用领域
科学计算、数据处理和管理、计算机控制、 辅助技术、人工智能、网络技术
数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、 统计、加工、利用、传播等，占80％以上应用。
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计算机的应用领域
科学计算、数据处理和管理、计算机控制、 辅助技术、人工智能、网络技术
计算机控制是利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅 速地对控制对象进行自动调节或自动控制。 领域：军事制导、机器人、工业生产线
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按性能、价格、体积的不同分类
计算机的分类： 巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机
规模小、结构简单、设计试制周期短，软件开发成本 低，易于操作维护。广泛应用于工业自动控制、大型分 析仪器、测量设备、企业管理、大学和科研机构等，也 可以作为大型与巨型计算机系统的辅助计算机。小型机 主要采用的是基于RISC技术的CPU和类UNIX操作系统。
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1971：微处理器时代的开端
1971年1月，Intel公司的 霍夫研制成功世界上第一 块4位微处理器芯片 Intel4004，标志着第一 代微处理器问世，微处理 器和微机时代从此开始。 因发明微处理器，霍夫被 英国《经济学家》杂志列 为“二战以来最有影响力 的7位科学家”之一。
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第一代：电子管计算机时代 第二代：晶体管计算机时代 第三代：集成电路计算机时代 第四代：大规模集成电路计算机时代
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计算机已发展了四代
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第一代：电子管计算机时代 第二代：晶体管计算机时代 第三代：集成电路计算机时代 第四代：大规模集成电路计算机时代
20世纪60年代，诺伊斯和基尔比分别发明了集成电路。 1968年，诺伊斯和摩尔、格鲁夫成立了英特尔公司，开始了 IT业的一段传奇。 1964年，IBM360标志着第三代电脑正式登上了历史舞台。
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按性能、价格、体积的不同分类
计算机的分类： 巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机
工作站是一种高档的微型计算机，是一种以个人计算机 和分布式网络计算为基础，主要面向专业应用领域，具 备强大的数据运算与图形、图像处理能力，为满足工程 设计、动画制作、软件开发、模拟仿真等专业领域。如 电影动画特技制作和制造业机械CAD就广泛使用了图形工 作站。
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8088：IBM PC的御用之选
1979年，Intel推出4.77MHz的准16位微处理器8088。 它在内部以16位运行，但支持8位数据总线，采用现有的 8位设备控制芯片，包含29000个3微米技术的晶体管， 可访问1MB内存地址，速度为0.33MIPS。
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第一台IBM PC
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按性能、价格、体积的不同分类
计算机的分类： 巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机
微型机标志着一个国家的计算机普及程度。 伴随着超大规模集成电路的应用，小型计算机微型化。 微型机又分通用机（又称PC机或个人计算机）和专用机 微型机已经应用于办公自动化、数据库管理、网络应用、 多媒体技术、工业控制、家用电器等领域。 美国的IBM和苹果公司为PC机的普及起到了重要作用，现 在PC机开始成为普通家庭的一种常规电器。
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计算机的应用领域
科学计算、数据处理和管理、计算机控制、 辅助技术、人工智能、网络技术
计算机辅助技术包括CAD、CAM和CAI等。
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计算机的应用领域
科学计算、数据处理和管理、计算机控制、 辅助技术、人工智能、网络技术
人工智能是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、 理解、学习、问题求解和图像识别等。
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Intel 80286
1983年，Intel推出6MHz的Intel 80286微处理 器，采用16位数据总线。它提供了保护模式操作功能， 最初的批发价为360美元。
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微型计算机的发展大致分为五代 第四代 32位机发展阶段 从1985年到1992年 代表产品：Intel 80386、80486 字长：32位 特点：内存容量已达1MB以上，硬盘技术不断提高， 发展了32位的总线结构，各种品牌机涌向市场，如 COMPAQ，DELL等，这些微型机在性能上已赶上传 统的超级小型机，可执行多任务、多用户操作。 应用：办公自动化，网络环境
早在1980年7月，一个 负责“跳棋计划”的13 人小组秘密来到佛罗里 达州波克罗顿镇的IBM 研究发展中心，开始开 发后来被称为IBM PC的 产品。一年后的8月12日， IBM公司在纽约宣布第 一台IBM PC诞生。
第一台IBM PC采用了主频为4.77MHz的Intel 8088，操 作系统是Microsoft提供的MS-DOS。IBM将其命名为“个人 电脑（Personal Computer）”，不久“个人电脑”的缩写“PC” 成为所有个人电脑的代名词。
我国的天河-1A 和星云，2012年进入世界前十。
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按性能、价格、体积的不同分类
计算机的分类： 巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机
具有极强的综合处理能力，一般用于大型事务处理 系统，采用主机+终端的方式，可同时支持上万个用户 ，可支持几十个大型数据库。主要应用在政府、银行、 大公司、大企业等。
巨型机、大型机、小型机、工作站和微型机
巨型机是国家科技发展水平和综合国力的重要标志 。 通常有极高的速度、极大的容量。 核物理研究、核武器设计、航空航天器设计、国民经 济预测和决策、能源开发、中长期天气预报、卫星图像处 理等。
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国际TOP500组织2011年6月20日 在网站上公布了最新全球超级计 2010 年10月28日消息，中国高性能计算机 算机 500强排行榜，日本超级计 2008年，美国已研制出新一代全 TOP100 组织今天发布数据，“天河一号” 算机“京”以每秒 8162万亿次的 球最快计算机，最大运算速度每 超级计算机二期工程系统峰值性能达到每 实测运算速度跻身榜首，中国的 秒 1000 万亿次，比此前全球最快 秒 4700 万亿次，其运算速度与能效达到国 “天河一号”排名降至第二，但 计算机、ＩＢＭ研制的“蓝色基 际领先水平，此举将为我国科学研究和经 中国进入榜单的超级计算机总数 因／Ｌ”快1倍多。 ，“走鹃” 济发展注入强大动力。一个形象的比喻： 在全球仅次于美国。 一天的计算量相当于地球上 60亿 如果说用 4700万次的“天河一号”来计算 人每周7天、每天24小时不吃不 一天时间，这一天时间所产生的计算量， 喝用计算器算 46年。 2012年世界第一， IBM红杉超级计算机，美国加利福尼亚 用一个双核的台式 PC机来算的话，要算 州，160万颗CPU ，16.32千万亿次/秒 。 620年。
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80386进入了32位计算机的时代
1985年10月，Intel推出16MHz 80386DX微处理器
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Intel 80486（1988）
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微型计算机的发展大致分为五代
第五代 64位机产生及发展阶段 从1992年到现在 代表产品：Intel Pentium、Itanium 字长：64位 特点：外部数据线64位字长，32位以上地址总线， 增加了虚拟现实等多媒体能力和通信上的应用 应用：办公自动化，网络服务器
ENIAC描述
18000多个电子管 1500个继电器 10000只电容和7000个电阻 重量30吨 占地面积170平方米 耗电150千瓦 运算速度每秒5万次 当时价值48万美元
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1946：ENIAC永载史册
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按性能、价格、体积的不同分类
计算机的分类：
1989年由IEEE巨型机委员会提出 的运算速度分类法
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微型计算机的发展大致分为五代
第二代 8位机发展阶段 从1973年到1977年 代表产品：Intel 8080/8085、MC 6800、 Z 80、R 6502 字长：8位
特点：指令系统比较完善，运算速度提高一个数量级，寻 址能力有所增强 应用：面向家电、智能仪表、工业控制
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计算机已发展了四代
第一代：电子管计算机时代 第二代：晶体管计算机时代 第三代：集成电路计算机时代 第四代：大规模集成电路计算机时代
1972 年以后的计算机习惯上被称为第四代计算机。基 于大规模集成电路及后来的超大规模集成电路。这一 时期的计算机功能更强，体积更小。 1972年，Intel公司推出8008微处理器，八位机。 1978年，十六位机8086是现代个人电脑微处理器的最 初架构。
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计算机发展年代划分依据
计算机发展的年代划分依据其硬件特征和软件特征：
硬件特征指电子计算机采用的物理器件 软件特征指计算机使用的软件环境