CPU的发展历程及未来发展的八大技术方面.docx
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CPU的发展历程及未来发展的八大技术方面
CPU的发展历程及未来发展的八大技术方面
CPU是CentralProcessingUnit(中央微处理器)的缩写,它是计算机中最重要的一个部分,由运算器和控制器组成。
如果把计算机比作人,那么CPU就是人的大脑。
CPU的发展非常迅速,个人电脑从8088(XT)发展到现在的Pentium4时代,只经过了不到二十年的时间。
从生产技术来说,最初的8088集成了29000个晶体管,而PentiumⅢ的集成度超过了2810万个晶体管;CPU的运行速度,以MIPS(百万个指令每秒)为单位,8088是0.75MIPS,到高能奔腾时已超过了1000MIPS。
不管什么样的CPU,其内部结构归纳起来都可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分,这三个部分相互协调,对命令和数据进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。
CPU从最初发展至今已经有二十多年的历史了,这期间,按照其处理信息的字长,CPU可以分为:
4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及正在酝酿构建的64位微处理器,可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的。
Intel4004
1971年,英特尔公司推出了世界上第一款微处理器4004,这是第一个可用于微型计算机的四位微处理器,它包含2300个晶体管。
随后英特尔又推出了8008,由于运算性能很差,其市场反应十分不理想。
1974年,8008发展成8080,成为第二代微处理器。
8080作为代替电子逻辑电路的器件被用于各种应用电路和设备中,如果没有微处理器,这些应用就无法实现。
由于微处理器可用来完成很多以前需要用较大设备完成的计算任务,价格又便宜,于是各半导体公司开始竞相生产微处理器芯片。
Zilog公司生产了8080的增强型Z80,摩托罗拉公司生产了6800,英特尔公司于1976年又生产了增强型8085,但这些芯片基本没有改变8080的基本特点,都属于第二代微处理器。
它们均采用NMOS工艺,集成度约9000只晶体管,平均指令执行时间为1μS~2μS,采用汇编语言、BASIC、Fortran编程,使用单用户操作系统。
Intel8086
1978年英特尔公司生产的8086是第一个16位的微处理器。
很快Zilog公司和摩托罗拉公司也宣布计划生产Z8000和68000。
这就是第三代微处理器的起点。
8086微处理器最高主频速度为8MHz,具有16位数据通道,内存寻址能力为1MB。
同时英特尔还生产出与之相配合的数学协处理器i8087,这两种芯片使用相互兼容的指令集,但i8087指令集中增加了一些专门用于对数、指数和三角函数等数学计算的指令。
人们将这些指令集统一称之为x86指令集。
虽然以后英特尔又陆续生产出第二代、第三代等更先进和更快的新型CPU,但都仍然兼容原来的x86指令,而且英特尔在后续CPU的命名上沿用了原先的x86序列,直到后来因商标注册问题,才放弃了继续用阿拉伯数字命名。
1979年,英特尔公司又开发出了8088。
8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输,所以都称为16位微处理器,但8086每周期能传送或接收16位数据,而8088每周期只采用8位。
因为最初的大部分设备和芯片是8位的,而8088的外部8位数据传送、接收能与这些设备相兼容。
8088采用40针的DIP封装,工作频率为6.66MHz、7.16MHz或8MHz,微处理器集成了大约29000个晶体管。
8086和8088问世后不久,英特尔公司就开始对他们进行改进,他们将更多功能集成在芯片上,这样就诞生了80186和80188。
这两款微处理器内部均以16位工作,在外部输入输出上80186采用16位,而80188和8088一样是采用8位工作。
1981年,美国IBM公司将8088芯片用于其研制的PC机中,从而开创了全新的微机时代。
也正是从8088开始,个人电脑(PC)的概念开始在全世界范围内发展起来。
从8088应用到IBMPC机上开始,个人电脑真正走进了人们的工作和生活之中,它也标志着一个新时代的开始。
Intel80286
1982年,英特尔公司在8086的基础上,研制出了80286微处理器,该微处理器的最大主频为20MHz,内、外部数据传输均为16位,使用24位内存储器的寻址,内存寻址能力为16MB。
80286可工作于两种方式,一种叫实模式,另一种叫保护方式。
在实模式下,微处理器可以访问的内存总量限制在1兆字节;而在保护方式之下,80286可直接访问16兆字节的内存。
此外,80286工作在保护方式之下,可以保护操作系统,使之不像实模式或8086等不受保护的微处理器那样,在遇到异常应用时会使系统停机。
IBM公司将80286微处理器用在先进技术微机即AT机中,引起了极大的轰动。
80286在以下四个方面比它的前辈有显著的改进:
支持更大的内存;能够模拟内存空间;能同时运行多个任务;提高了处理速度。
最早PC机的速度是4MHz,第一台基于80286的AT机运行速度为6MHz至8MHz,一些制造商还自行提高速度,使80286达到了20MHz,这意味着性能上有了重大的进步。
80286的封装是一种被称为PGA的正方形包装。
PGA是源于PLCC的便宜封装,它有一块内部和外部固体插脚,在这个封装中,80286集成了大约130000个晶体管。
IBMPC/AT微机的总线保持了XT的三层总线结构,并增加了高低位字节总线驱动器转换逻辑和高位字节总线。
与XT机一样,CPU也是焊接在主板上的。
那时的原装机仅指IBMPC机,而兼容机就是除了IBMPC以外的其它机器。
在当时,生产CPU的公司除英特尔外,还有AMD及西门子公司等,而人们对自己电脑用的什么CPU也不关心,因为AMD等公司生产的CPU几乎同英特尔的一样,直到486时代人们才关心起自己的CPU来。
8086~80286这个时代是个人电脑起步的时代,当时在国内使用甚至见到过PC机的人很少,它在人们心中是一个神秘的东西。
到九十年代初,国内才开始普及计算机。
Intel80386
1985年春天的时候,英特尔公司已经成为了第一流的芯片公司,它决心全力开发新一代的32位核心的CPU—80386。
Intel给80386设计了三个技术要点:
使用“类286”结构,开发80387微处理器增强浮点运算能力,开发高速缓存解决内存速度瓶颈。
1985年10月17日,英特尔划时代的产品——80386DX正式发布了,其内部包含27.5万个晶体管,时钟频率为12.5MHz,后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz,最后还有少量的40MHz产品。
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模式和保护模式以外,还增加了一种“虚拟86”的工作方式,可以通过同时模拟多个8086微处理器来提供多任务能力。
80386DX有比80286更多的指令,频率为12.5MHz的80386每秒钟可执行6百万条指令,比频率为16MHz的80286快2.2倍。
80386最经典的产品为80386DX-33MHz,一般我们说的80386就是指它。
由于32位微处理器的强大运算能力,PC的应用扩展到很多的领域,如商业办公和计算、工程设计和计算、数据中心、个人娱乐。
80386使32位CPU成为了PC工业的标准。
虽然当时80386没有完善和强大的浮点运算单元,但配上80387协处理器,80386就可以顺利完成许多需要大量浮点运算的任务,从而顺利进入了主流的商用电脑市场。
另外,30386还有其他丰富的外围配件支持,如82258(DMA控制器)、8259A(中断控制器)、8272(磁盘控制器)、82385(Cache控制器)、82062(硬盘控制器)等。
针对内存的速度瓶颈,英特尔为80386设计了高速缓存(Cache),采取预读内存的方法来缓解这个速度瓶颈,从此以后,Cache就和CPU成为了如影随形的东西。
Intel80387/80287
严格地说,80387并不是一块真正意义上的CPU,而是配合80386DX的协处理芯片,也就是说,80387只能协助80386完成浮点运算方面的功能,功能很单一。
Intel80386SX
1989年英特尔公司又推出准32位微处理器芯片80386SX。
这是Intel为了扩大市场份额而推出的一种较便宜的普及型CPU,它的内部数据总线为32位,外部数据总线为16位,它可以接受为80286开发的16位输入/输出接口芯片,降低整机成本。
80386SX推出后,受到市场的广泛的欢迎,因为80386SX的性能大大优于80286,而价格只是80386的三分之一。
Intel80386SL/80386DL
英特尔在1990年推出了专门用于笔记本电脑的80386SL和80386DL两种型号的386芯片。
这两个类型的芯片可以说是80386DX/SX的节能型,其中,80386DL是基于80386DX内核,而80386SL是基于80386SX内核的。
这两种类型的芯片,不但耗电少,而且具有电源管理功能,在CPU不工作的时候,自动切断电源供应。
Motorola68000
摩托罗拉的68000是最早推出的32位微处理器,当时是1984年,推出后,性能超群,并获得如日中天的苹果公司青睐,在自己的划时代个人电脑“PC-MAC”中采用该芯片。
但80386推出后,日渐没落。
AMDAm386SX/DX
AMD的Am386SX/DX是兼容80386DX的第三方芯片,性能上和英特尔的80386DX相差无己,也成为当时的主流产品之一。
IBM386SLC
这个是由IBM在研究80386的基础上设计的,和80386完全兼容,由英特尔生产制造。
386SLC基本上是一个在80386SX的基础上配上内置Cache,同时包含80486SX的指令集,性能也不错。
Intel80486
1989年,我们大家耳熟能详的80486芯片由英特尔推出。
这款经过四年开发和3亿美元资金投入的芯片的伟大之处在于它首次实破了100万个晶体管的界限,集成了120万个晶体管,使用1微米的制造工艺。
80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。
80486是将80386和数学协微处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内。
80486中集成的80487的数字运算速度是以前80387的两倍,内部缓存缩短了微处理器与慢速DRAM的等待时间。
并且,在80x86系列中首次采用了RISC(精简指令集)技术,可以在一个时钟周期内执行一条指令。
它还采用了突发总线方式,大大提高了与内存的数据交换速度。
由于这些改进,80486的性能比带有80387数学协微处理器的80386DX性能提高了4倍。
随着芯片技术的不断发展,CPU的频率越来越快,而PC机外部设备受工艺限制,能够承受的工作频率有限,这就阻碍了CPU主频的进一步提高。
在这种情况下,出现了CPU倍频技术,该技术使CPU内部工作频率为微处理器外频的2~3倍,486DX2、486DX4的名字便是由此而来。
Intel80486DX
常见的80486CPU有80486DX-33、40、50。
486CPU与386DX一样内外都是32位的,但是最慢的486CPU也比最快的386CPU要快,这是因为486SX/DX执行一条指令,只需要一个振荡周期,而386DXCPU却需要两个周期。
Intel80486SX
因为80486DXCPU具有内置的浮点协微处理器,功能强大,当然价格也就比较昂贵。
为了适应普通的用户的需要,尤其是不需要进行大量浮点运算的用户,英特尔公司推出了486SXCPU。
80486SX主板上一般都有80487协微处理器插座,如果需要浮点协微处理器的功能,可以插上一个80487协微处理器芯片,这样就等同于486DX了。
常见的80486SXCPU有:
80486SX-2
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