CPU发展简史

PC机硬件学习CPUCPU简介：中央微处理器，由运算器和控制器组成1971年世界上第一款微处理器是Intel公司推出的4004，这是第一款可以用于微机的4位处理器，它包括2300个晶体管。随后Intel又推出8008由于市场反应不理想，1974年8008发展成8080成为第二代处理器，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。同时期Zilog公司生产了8080的增强型Z80，摩托罗拉公司生产了6800，Intel公司于1976年又生产了增强型8085，但这些芯片都没有改变8080的基本特点，都属于第二代处理器。它们都采用NMOS工艺，集成约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。1978年Intel公司生产的8086是第一个16位的处理器，很快Zilog公司和摩托罗拉公司也计划生产Z8000和68000。这就是第三代微处理器的起点。8086微处理器的最高主频速度为8MHZ，具有16位数据通道，内存寻址能力为1MB。同时Intel公司还生产与之相配合的数字协处理器i8087，这两种芯片使用互相兼容的指令集。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为X86指令集。虽然后来Intel公司又陆续生产出第二代，第三代，等更先进的和更快的处理器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的序列，直到后来因注册商标问题，才放弃了继续使用阿拉伯数字命名。1979年，Intel公司又开发出8088。8086和8088着芯片内部均采用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，微处理器大约集成了29000个晶体管。I801868086和8088问世后不久。INTEL公司就开始对它们进行改进，将更多的功能集成在芯片上，这样就诞生了I80186和80188这两款CUP内部均以16位工作，在外部输出上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，PC概念开始在全世界范围内发展起来，从8088应用到IBM的PC开始，个人电脑真正走进了人们的工作和生活中，这也标志这一个新时代的开始。Intel802861982年，Intel公司在8086的基础上，研制出了80286微处理器，该处理器最大主频为20MHZ。内，外部数据传输均为16位，使用24位内存的寻址，内存的寻址能力为16MB。80286可工作于两钟方式，一种叫实模式，另一种叫保护方式。在实模式下，微处理机可以访问的内存总量限制在1兆字节；而在保护方式下，80286可以直接访问16兆字节的内存，此外，80286工作在保护方式下，可以保护操作系统，使之不象实模式或8086等不受保护的微处理器那样，在遇到异常应用时会是系统停机。IBM公司将80286微处理机用在先进技术微机即AT机中，引起极大的轰动。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，一些制造商还能自行提高速度，使80286达到了20MHZ，这意味着性能上有了重大进步。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。IBMPC/AT微机的总线保持了XT的三层总线结构，并增加了高低字节总线驱动器转换逻辑和高低位字节总线。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。当时生产CPU的公司除INTEL外还有AMD公司及西门子公司等，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INTEL的一样，直到486时代人们才关心自己的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。I803861985年春天的时候，INTEL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微处理器增强浮点计算能力，开发高速缓存解决内存速度瓶颈。1985年10月17日，INTEL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20MHZ25MHZ33MHZ，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4G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每秒可以执行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80386就是指它。由于32位微处理器的强大处理能力，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预算的任务，从而顺利进入了主流的商用电脑市场，另外，80386还有其他丰富的外围配件支持，如82258（DMA控制器），8259A为8036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严格的说，80387并不是一块真正意义上的CPU，而是配合80386DX的协处理器，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。INTEL80386SX1989年INTEL公司又推出准32位微处理器芯片80386SX。这是INTEL为了扩大市场分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/80386DLINTEL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80386DS/SX的节能型，其中，80386DL是基于80386DX内核，而80386SL是基于80386SX内核的。这两种芯片，不但耗电少，而且具有电源管理功能，在CPU不工作时，自动切断电源供应，MOTORORLA680001984年MOTORORLA的680000是最早推出的32位处理器，推出后性能超群，并获得如日中天的苹果公司青睐，在自己划时代个人电脑“PC-MAC“中采用该芯片，但在80386推出后日渐没落。AMDAM386SX/DXAMD的AM386SX/DX是兼容80386DX的第三方芯片。性能上和INTEL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INTEL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。INTEL804861989年，我们大家耳熟能详的80486芯片由INTEL推出。这款经过四年开发和3亿美圆资金投入的芯片的伟大之处在于它首次突破了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33MHZ40MHZ50MHZ，80486是将80386和数字协处理器80387以及一个8K的CACHE集成在一个小芯片内，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数字协处理的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，486DX2486DX4的名字就是由此而来。INTEL80486DX常见的80486CPU有80486DX-334050。486CPU与386DX一样内外都是32位的，但是最慢的486CPU也比386要快，这是因为486SX/DX执行一条指令，只需要一个震荡周期，而386DXCPU却要两个周期。、INTEL80486SX因为80486DXCPU具有内置的浮点协微处理器，功能强大，当然价格就比较昂贵，为了适应普通用户的需要，尤其是不需要进行大量浮点运算的用户，INTEL公司推出了486SXCPU。80486SX主板上一般都有80486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-2533。INTEL80486DX2/DX4其实这种CPU的名字与频率是有关的，这种CPU的内部频率是主板频率的两/四倍，如80486DX2-66，CPU的频率是66MHZ，而主板的频率只要是33MHZ就可以了。INTEL80486SLCPU80486SLCPU最初是为笔记本电脑和其他便携机设计的，与386SL一样，这种芯片使用3.3V而不是5V电源，而且也有内部切断电路，使微处理器和其他一些可选择的部件在不工作时，处于休眠状态，这样就可以减少笔记本电脑和其他便携机的能耗，延长使用时间。INTEL486OVERDRIVE升级486SX可以在主板的协微处理器插槽上安装一个80487SX芯片使其等效与486DX，但是这样升级后，只是增加可浮点协微处理器的能力，并没有提高系统的速度，还有另外一种升级的方法，就是在协微处理器插槽上插上一个486OVERDRIVECPU，它的原理与486DX2CPU一样，其内部操作速度可以是外部速度的两倍。如一个20MHZ的主板上安插了OVERDRIVECPU之后，CPU内部的操作速度可以达到40MHZ。486OVERDRIVECPU也有浮点协微处理器的功能，常见的有：OVERDRIVE-506680。TI486DX作为全球知名的半导体厂商之一，美国德洲仪器（TI）也在486时代异军突起，它自行生产了486DX系列CPU，尤其在486DX2成为主流后，其DX2-80因较高的性价比成为当时主流产品之一，TI486最高主频为DX4-100，但其后再也没有进入过PC市场。CYRIX486DLC这是CYRIX公司生产的486CPU，说它是486CPU，是指它的效率上逼近486CPU，却不是严格意义上的486CPU，这是由486CPU的特点而定的。486DL