CPU的起源与发展

CPU的起源与发展起源任何东西从发展到壮大都会经历一个过程，CPU能够发展到今天这个规模和成就，其中的发展史更是耐人寻味。作为电脑之“芯”的CPU也不例外，本文让我们进入时间不长却风云激荡的CPU发展历程中去。在这个回顾的过程中，我们主要叙述了目前两大CPU巨头——Intel和AMD的产品发展历程，对于其他的CPU公司，例如Cyrix和IDT等，因为其产品我们极少见到在现今的CPU出现之前，如同埃尼阿克（ElectronicNumericalIntegratorandComputer）之类的计算机在执行不同程序时，必须经过一番线路调整才能启动。由于它们的线路必须被重设才能执行不同的程序，这些机器通常称为“固定程序计算机”（fixed-programcomputer）。而由于CPU这个词指称为执行软件（计算机程序）的设备，那些最早与储存程序型计算机（stored-programcomputer）一同登场的设备也可以被称为CPU。储存程序型计算机的主意早已体现在ENIAC的设计上，但最终还是被省略以期早日完成。在1945年6月30日，ENIAC完成之前，著名数学家冯纽曼发表名为FirstDraftofaReportontheEDVAC的论文。它揭述储存程序型计算机的计划将在1949年正式完成(冯纽曼1945)。EDVAC的目标是执行一定数量与种类的指令（或操作），这些指令结合产生出可以让EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer）执行的有用程序。特别的是，为EDVAC而写的程序是储存在高速计算机内存中，而非由实例线路组合而成。这项设计克服了ENIAC的某些局限—即花费大量时间与精力重设线路以执行新程序。在冯纽曼的设计下，EDVAC可以藉改变内存储存的内容，简单更换它执行的程序（软件）。[1]值得注意的是，尽管冯纽曼由于设计了EDVAC，使得他在发展储存程序型计算机上的贡献最为显著，但其他早于他的研究员如KonardZuse也提出过类似的想法。另外早于EDVAC完成，利用哈佛架构制造的马克一号，也利用打孔纸带而非电子内存实作储存程序的概念。冯纽曼架构与哈佛架构最主要的不同在于后者将CPU指令与数据分开存放与处置，而前者使用相同的内存位置。大多近代的CPU依照冯纽曼架构设计，但哈佛架构一样常见。身为数码设备，所有CPU处理不连续状态，因此需要一些转换与区分这些状态的基础组件。在市场接受晶体管前，继电器与真空管常用在这些用途上。虽然这些材料速度上远优于纯粹的机械构造，但是它们有许多不可靠的地方。例如以继电器建造直流时序逻辑回路需要额外的硬件以应付接触点跳动问题。而真空管不会有接触点跳动问题，但它们必须在启用前预热，也必须同时停止运作。[2]通常当一根真空管坏了，CPU必须找出损坏组件以置换新管。因此早期的电子真空管式计算机快于电子继电器式计算机，但维修不便。类似EDVAC的真空管计算机每隔八小时便会损坏一次，而较慢较早期的马克一号却不常故障(Weik1961:238)。但在最后，由于速度优势，真空管计算机支配当时的计算机世界，尽管它们需要较多的维护照顾。大多早期的同步CPU，其时钟频率（clockrate）低于近代的微电子设计（见下列对于时钟频率的讨论）。那时常见的时钟频率为100千赫兹到4百万赫兹，大大受限于内置切换设备的的速度。发展X86时代的CPUCPU的溯源可以一直去到1971年。在那一年，当时还处在发展阶段的INTEL公司推出了世界上第一台微处理器4004。这不但是第一个用于计算器的4位微处理器，也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器！！4004含有2300个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢，被当时的蓝色巨人IBM以及大部分商业用户不屑一顾，但是它毕竟是划时代的产品，从此以后，INTEL便与微处理器结下了不解之缘。可以这么说，CPU的历史发展历程其实也就是INTEL公司X86系列CPU的发展历程，我们就通过它来展开我们的“CPU历史之旅”。1978年，Intel公司再次领导潮流，首次生产出16位的微处理器，并命名为i8086，同时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，但在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指令。由于这些指令集应用于i8086和i8087，所以人们也这些指令集统一称之为X86指令集。虽然以后Intel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Intel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。至于在后来发展壮大的其他公司，例如AMD和Cyrix等，在486以前（包括486）的CPU都是按Intel的命名方式为自己的X86系列CPU命名，但到了586时代，市场竞争越来越厉害了，由于商标注册问题，它们已经无法继续使用与Intel的X86系列相同或相似的命名，只好另外为自己的586、686兼容CPU命名了。1979年，INTEL公司推出了8088芯片，它仍旧是属于16位微处理器，内含29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz，地址总线为20位，可使用1MB内存。8088内部数据总线都是16位，外部数据总线是8位，而它的兄弟8086是16位。1981年8088芯片首次用于IBMPC机中，开创了全新的微机时代。也正是从8088开始，PC机（个人电脑）的概念开始在全世界范围内发展起来。1982年，许多年轻的读者尚在襁褓之中的时候，INTE已经推出了划时代的最新产品枣80286芯片，该芯片比8006和8088都有了飞跃的发展，虽然它仍旧是16位结构，但是在CPU的内部含有13.4万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位，可寻址16MB内存。从80286开始，CPU的工作方式也演变出两种来：实模式和保护模式。1985年INTEL推出了80386芯片，它是80X86系列中的第一种32位微处理器，而且制造工艺也有了很大的进步，与80286相比，80386内部内含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后提高到20MHz，25MHz，33MHz。80386的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址高达4GB内存。它除具有实模式和保护模式外，还增加了一种叫虚拟86的工作方式，可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。除了标准的80386芯片，也就是我们以前经常说的80386DX外，出于不同的市场和应用考虑，INTEL又陆续推出了一些其它类型的80386芯片：80386SX、80386SL、80386DL等。1988年推出的80386SX是市场定位在80286和80386DX之间的一种芯片，其与80386DX的不同在于外部数据总线和地址总线皆与80286相同，分别是16位和24位(即寻址能力为16MB)。1990年推出的80386SL和80386DL都是低功耗、节能型芯片，主要用于便携机和节能型台式机。80386SL与80386DL的不同在于前者是基于80386SX的，后者是基于80386DX的，但两者皆增加了一种新的工作方式：系统管理方式(SMM)。当进入系统管理方式后，CPU就自动降低运行速度、控制显示屏和硬盘等其它部件暂停工作，甚至停止运行，进入“休眠”状态，以达到节能目的。1989年，我们大家耳熟能详的80486芯片由INTEL推出，这种芯片的伟大之处就在于它实破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管。80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、50MHz。80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，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数学协处理器的80386DX提高了4倍。80486和80386一样，也陆续出现了几种类型。上面介绍的最初类型是80486DX。1990年推出了80486SX，它是486类型中的一种低价格机型，其与80486DX的区别在于它没有数学协处理器。80486DX2由系用了时钟倍频技术，也就是说芯片内部的运行速度是外部总线运行速度的两倍，即芯片内部以2倍于系统时钟的速度运行，但仍以原有时钟速度与外界通讯。80486DX2的内部时钟频率主要有40MHz、50MHz、66MHz等。80486DX4也是采用了时钟倍频技术的芯片，它允许其内部单元以2倍或3倍于外部总线的速度运行。为了支持这种提高了的内部工作频率，它的片内高速缓存扩大到16KB。80486DX4的时钟频率为100MHz，其运行速度比66MHz的80486DX2快40%。80486也有SL增强类型，其具有系统管理方式，用于便携机或节能型台式机。离散晶体管与ICCPU由于许多科技大厂投入更小更可靠的电子设备，设计CPU变得越来越复杂。晶体管的面世便是第一个CPU的飞跃进步。1950到60年代的晶体管CPU不再以体积庞大、不可靠与易碎的切换组件（例如继电器与真空管）建造。借由这项改良，更复杂与可靠的CPU便被建造在一或多个包含离散（独立）组件的印制电路板上。在此时期，将许多晶体管放置在拥挤空间中的方法大为普及。集成电路（IC）将大量的晶体管集中在一小块半导体片，或芯片（chip）上。刚开始只有非常基本、非特定用途的数码回路小型化到IC上（例如NOR逻辑门）。以这些预组式IC为基础的CPU称为小规模集成电路（SSI）设备。SSIIC，例如设备在阿波罗导航计算机上的那些，通常包含数十个晶体管。以SSIIC建构整个CPU需要数千个独立的芯片，但与之前的离散晶体管设计相比，依然省下很多空间与电力。肇因于微电子科技的进步，在IC上的晶体管数量越来越大，因此减少了建构一个完整CPU需要的独立IC数量。“中规模集成电路”（MSI）与“大规模集成电路”（LSI）将内含的晶体管数量增加到成百上万。1964年IBM推出了System/360计算机架构，此架构让一系列速度与效能不同的IBM计算机可以跑相同的程序。此诚为一项创举，因为当时的计算机大多互不兼容，甚至同一家厂商制造的也是如此。为了实践此项创举，IBM提出了微程序（microprogram或microcode）概念，此概念依然广泛使用在现代CPU上(Amdahletal.1964)。System/360架构由于太过成功，因此支配了大型计算机数十年之久，并留下一系列使用相似架构，名为IBMzSeries的现代主机产品。同一年（1964），迪吉多（DEC）推出另一个深具影响力且瞄准科学与研究市场的计算机，明为PDP-8。DEC稍后推出非常有名的PDP-11，此产品原先计划以SSIIC构组，但在LSI技术成熟后改为LSIIC。与之前SSI和MSI的祖先相比，PDP-11的第一个LSI产品包含了一个只用了4个LSIIC的CPU(DigitalEquipmentCorporation1975)。晶体管计算机有许多前一代产品没有的优点。除了可靠度与低耗电量之外，由于晶体管的状态转换时间比继电器和真空管短得多，CPU也就拥有更快的速度。幸亏可靠度的提升与晶体管转换器的切换时间缩短，CPU的时钟频率在此时期达到十几百万赫兹。另外，由于离散晶体管与ICCPU的使用量大增，新的高效能设计，例如SIMD（单指令复数数据）、向量处理器（vectorprocessor）开始出现。这些早期的实验性设计，刺激了之后超级计算机，（例如克雷公司）的崛起。