计算机硬件系统架构的演变

硬件设计知识分享，尽在微信号：超硬工程师计算机硬件系统架构的演变计算机系统架构自IBMPC问世以来发生了巨大的变化。可以这么说，自上世纪80年代初后面的30年里，在摩尔定律的推动下，硬件系统的技术进步和创新主导了计算机工业的发展。作为硬件系统设计从业人员，有必要了解一下X86系统架构的演变史。上世纪80年代早期，IBM开发最早期的PC系统，从此开启了个人计算机辉煌发展的时代。当时的PC/XT使用Intel8088微处理器，PC/AT使用Intel80286微处理器。8088支持8位数据线，16位地址线寻址，4.77MHz主频，有1M存储和64KBIO空间。80286的数据线扩展到16位，主频6MHz,存储空间发展到16M。早期的PC系统里没有现在那么多芯片组和总线。众多的控制器和I/O设备大多连接到微处理器的数据和地址线上。为了避免地址和数据线的冲突，要使用不少总线驱动器。故而当时的主板设计是非常复杂的，使用很多的分立器件实现寻址，数据传输，以及相关信号之间的时序控制。系统大致架构如下图。硬件设计知识分享，尽在微信号：超硬工程师为了简化系统的设计，并提高系统性能，开始出现一些新技术。IntelCPU更新到386/486，可支持32位数据线和32位地址线寻址。内存空间进一步扩展，最多可访问4GB的内存空间。386的主频16~33MHz，486则达到32~160MHz。486还集成了8/16KB一级缓存和64~512KB二级缓存。这时也出现一些芯片组的设计，把总线驱动器和时序控制逻辑集成在一起，比如ISA总线控制芯片，内存控制芯片，集成串口，并口，键盘控制器等功能的早期superI/O芯片，以及集成CMOS,定时器，中断发生器，DMA控制器等功能的芯片。大致的系统架构如下。硬件设计知识分享，尽在微信号：超硬工程师486之后就进入很多朋友都熟悉的奔腾（Pentium）系统的时代。早期的奔腾处理器主频为60/66MHz。发展到第三代奔腾时，主频最高可达300MHz，连接处理器的总线频率可达60/66MHz。奔腾处理器可支持64位数据接口，以及32位地址寻址。其内部集成指令和数据两个8KB/16KB的L1高速缓存，外部有512KB的L2高速缓存，大大提高系统的运行性能。此时的系统总线也由ISA演变成PCI总线，总线的频率33MHz，带宽为133MB/s。芯片组也分化成北桥芯片（northbridge，又称MCH）和南桥芯片（southbridge，又称ICH）。北桥主要集成SDRAM和PCI控制器以及与处理器之间通讯，南桥则集成IDE硬盘控制器，USB1.0，SMB（系统管理总线），BIOS，CMOS，中断控制器，Audio，串并口，鼠标键盘等功能。系统架构如下：硬件设计知识分享，尽在微信号：超硬工程师然后为了提升视觉显示效果，又发展了AGP总线技术作为专用的总线传输video数据。该总线控制器也集成在北桥芯片中。初始的AGP1.0分为1x和2x两种模式，数据传输带宽分别达到266MB/s和533MB/s。系统架构如下图。硬件设计知识分享，尽在微信号：超硬工程师为进一步提升视觉3D性能，AGP也发展到2.0以及后来的3.0阶段，工作在4X和8X两种模式，带宽可达到1.06GB/s和2.1GB/s。英特尔在其北桥芯片中也集成数字显示控制器，满足一般的显示需求，从而降低系统成本。PCI扩展IO控制器集成到了南桥内部。声音部分出现AC97Audio技术。LPC总线被开发出来，完全取代了以前的ISA总线。英特尔还在其南桥芯片中集成100M网络控制器。系统架构如下图。硬件设计知识分享，尽在微信号：超硬工程师处理器+北桥+南桥的系统架构一直延用了很长一段时间。到奔腾4时，处理器的型号非常复杂。总体而言，此时处理器的主频已进入到GHz时代，最高可达3.4GHz。连接处理器的前端总线(FrontSideBus)频率可达533/800MHz。其内部集成32KB的L1高速缓存，外部有1MB/2MB的L2高速缓存。此时的系统总线虽然继续保留了PCI，同时也出现PCIExpressGen1串行总线。内存也发展到DDR以及DDR2。北桥主要集成DDRmemory和PCIExpress控制器,自带的显示接口以及FSB接口（与处理器之间通讯）。南桥则集成SATA硬盘控制器，USB2.0控制器，SMB（系统管理总线），BIOS，CMOS，中断控制器，Audio，串并口，鼠键盘等功能。一些扩展IO(PCiex1，以及PCI)也由南桥接出。系统架构如下：硬件设计知识分享，尽在微信号：超硬工程师为了进一步提升系统性能，内存控制器逐步由北桥芯片中移出来，集成到处理器的封装中，从而降低处理器读写内存延迟。因而MCH也改称IOH。IOH与处理器之间的连接总线也由以前的并行FSB发展到串行QPI。PCIExpress发展到Gen2.0，同时也开始作为多种IO得到普遍使用。系统架构如下图。硬件设计知识分享，尽在微信号：超硬工程师再之后，处理器使用CORE架构，进入到大家都很熟悉的酷睿时代。PCIExpress发展到Gen3.0，其控制器也被集成到处理器封装中。这样传统意义上的北桥功能已完全被集成到处理器封装中。以前的南桥也改称为PCH，其功能大抵和ICH南桥类似，集成SATA，USB2.0控制器，SMB（系统管理总线），BIOS，CMOS，中断控制器，Audio，串并口，鼠键盘等功能，以及一些扩展PCIExpressIO（PCI已完全被PCIExpress所取代）。系统架构如下图。硬件设计知识分享，尽在微信号：超硬工程师现在内存已发展到DDR4，也出现内存条上使用flash的技术。相信随着时间的推移，还会有很多新技术涌现，让我们拭目以待。学习了解更多计算机/电脑硬件系统设计知识和经验，请搜索并关注微信公众号：超硬工程师。