简述CPU的发展史

简述Intel系列CPU的发展史CPU(CentralProcessingUnit)，中文全称中央处理器。从1971年Intel发布了全世界第一款微处理器芯片4004以来,它的发展速度之快实在令人咋舌。那么CPU从研发至今，到底经过了哪些变化呢，我们主要查询了Intel公司的芯片生产历程资料。根据微处理器的字长和功能，可将其发展划分为以下几个阶段。第1阶段第1阶段（1971——1973年）是4位和8位低档微处理器时代，通常称为第1代，其典型产品是Intel4004和Intel8008微处理器和分别由它们组成的MCS-4和MCS-8微机。众所周知，世界上第一款商用计算机微处理器是Intel公司于Intel4004微处理器（如图1）。就像当时的广告说的一样，它是一件划时代的作品；其首席执行官戈登.摩尔将4004称之为人类历史上最具革新性的产品之一。其诞生的原因是最初Intel专门为日本一家名为Busicom的公司设计制造一款用于该公司的计算器产品。但由于技术原因，Intel的延期交货让Busicom公司颇为恼怒。与此同时，计算器领域的竞争日益激烈，当Intel彻底完成4004芯片的设计和样品的生产时，Busicom公司要求Intel打折扣，Intel同意了，但是它附加了一个条件：允许Intel在除计算器芯片市场之外的其它市场上自由出售4004芯片。至此，Intel公司完成了从单一的存储器制造商向微处理器制造商的转型。为什么第一款芯片编号要叫做4004呢，因为第一个“4”是代表客户订购的产品编号，后一个“4”则是代表此芯片是Intel公司制作的第四个定制芯片，在此之前还有Intel还曾开发出4001（动态随机存储器DRAM）、4002（只读存储器ROM）、4003（寄存器（Register）），三者再加上4004，就可架构出一台微型计算机系统。虽然第一款商用计算机微处理器是作为“一件划时代的作品”，但站在今天的角度，它还是比较简单的芯片，其主要参数如表格1Intel40048008主要参数。表格1Intel40048008主要参数中文名称发布年运行频率/最高频率前端总线针脚数量核心技术/晶体管数量英特尔40041971108KHZ4Bit16针10微米/2300英特尔80081972500-800KHZ8bit16针10微米/3500图1Intel4004微处理器当4004芯片推出以后，当时的业内对其反应相当平淡，因为其处理能力相当有限。但当一年后Intel推出8008微处理器（如）时，业内的目光都几乎集中在Intel身上了。因为8008的晶体管数量已经达到了3500个，超过4004一半，工作频率200KHZ，且能处理8比特数据。更为重要的是还获得了处理器指令系统。因为最初8008原本是为德克萨斯州的DataPoint公司设计的，由于这家公司财力不足以支付费用，于是双方达成协议，Intel拥有芯片的所有知识产权并获得DataPoint公司开发的指令集。正是这套指令集奠定了英特尔公司X86系列微处理器指令集的基础。图2Intel8008微处理器第2阶段第二阶段（1974——1977年）是8位中高档微处理器时代，通常称为第2代，其典型产品是Intel8080/8085、Motorola公司、Zilog公司的Z80等。图3Intel8080Intel8080在1974年发布，是一枚8位元处理器。它集成6000只晶体管，每秒运算29万次，拥有16位地址总线和8位数据总线，这是一个相当成功的设计，有效解决了外部设备在内存寻址能力不足的问题。自1975年第一台个人电脑诞生以后，8080芯片帮助英特尔在几年后占据了电脑芯片的霸主地位。第3阶段第3阶段（1978——1984年）是16位微处理器时代，通常称为第3代，其典型产品是Intel公司的8086/8088，Motorola公司的M68000，Zilog公司的Z8000等微处理器。其特点是采用HMOS工艺，集成度（20000~70000晶体管/片）和运算速度（基本指令执行时间是0.5μs）都比第2代提高了一个数量级。指令系统更加丰富、完善，采用多级中断、多种寻址方式、段式存储机构、硬件乘除部件，并配置了软件系统。这一时期著名微机产品有IBM公司的个人计算机。1981年IBM公司推出的个人计算机采用8088CPU。紧接着1982年又推出了扩展型的个人计算机IBMPC/XT，它对内存进行了扩充，并增加了一个硬磁盘驱动器。图4Intel8086图5Intel8088图6Intel80286表格2Intel8086/808880286主要参数中文名称发布年主频内外部数据总线针脚数量核心技术/晶体管数量地址总线/寻址能力英特尔808619785MHZ16位/16位403微米/2900020位/1MB英特尔808819785MHZ16位/8位403微米/2900020位/1MB英特尔8028619826MHZ16位/16位681.5微米/13400024位/16MBIntel8086拥有四个16位的通用寄存器，也能够当作八个8位寄存器来存取，以及四个16位索引寄存器（包含了堆栈指标）。资料寄存器通常由指令隐含地使用，针对暂存值需要复杂的寄存器配置。它提供64K8位元的输出输入（或32K16位元），以及固定的向量中断。大部分的指令只能够存取一个内存位址，所以其中一个操作数必须是一个寄存器。运算结果会储存在操作数中的一个寄存器。而Intel8088则是一个以8086为基础的微处理器，拥有16位元暂存器和8位元外部资料总线。8088使用8位元的设计，所针对的是较为经济之系统。在它推出时候，大的资料总线宽度电路板还是相当地昂贵。8088的预取(prefetch)贮列(queue)是4字节，相对于8086的是6字节。1979年，英特尔公司开发出了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。Intel1982年推出80286芯片（如图6）是英特尔首款能执行所有旧款处理器专属软件的处理器。该芯片相比8086和8088有了飞跃式发展，虽然它仍是16位结构，但在CPU内部含有13.4万个晶体管，时钟频率由最初6MHz逐步提高到20MHz。内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位，可寻址内存大小达到16Mb。80286兼容了8086所有功能，并且是8086的向上兼容的微处理器，使8086的汇编语言程序可以不做任何修改地在80286上运行。同时80286的推出也是实模式和保护模式CPU的分水岭。80286微处理器内部有4个功能部件，即地址部件AU，指令部件IU，执行部件EU和总线部件BU。这四个部件的并行操作，提高了吞吐率，加快了处理速度。而68000处理器则是Motorola公司680x0微处理器的鼻祖，采用CISC结构，于1979年推出，用于最早的AppleMacintosh计算机，以及AppleLaserWriterⅡSC和Hewlett-Packard公司的LaserJet打印机。68000具有32位内部寄存器，但只能在16位数据总线上传送数据。处理器能访问16兆内存，是IBMPC中Intel8088的16倍。68000系列处理器广泛应用于街机中，我们所熟悉的日本街机厂商Capcom、SNK和台湾的IGS，他们生产的街机主板都是采用的68000系列的处理器。图7Motorola公司68000第4阶段第4阶段（1985——1992年）是32位微处理器时代，又称为第4代。其典型产品是Intel公司的80386/80486，Motorola公司的M69030/68040等。其特点是采用HMOS或CMOS工艺，集成度高达100万个晶体管/片，具有32位地址线和32位数据总线。每秒钟可完成600万条指令（MillionInstructionsPerSecond，MIPS）。微型计算机的功能已经达到甚至超过超级小型计算机，完全可以胜任多任务、多用户的作业。同期，其他一些微处理器生产厂商（如AMD、TEXAS等）也推出了80386/80486系列的芯片。80386是Intel公司在1985年推出的CPU芯片，让Intel公司的微处理器开启了32位时代。80386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，超过4004芯片的一百多倍。时钟频率为12.5MHz，后提高到20MHz，25MHz，33MHz。每秒可处理500万条指令。同时也是第一款具有“多任务”功能的处理器。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80x86处理器来提供多任务能力。总的来说80386的重要特点是：1)首次在x86处理器中实现了32位系统（IA-32）。2)可配合使用80387数字辅助处理器增强浮点运算能力。3)首次采用高速缓存（外置）解决内存速度瓶颈问题。除了标准的80386芯片，也就是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。80386-DX：主流版本。内外部数据总线都是32位，地址总线也是32位。80386-SX：1988年末推出的廉价版本。外部数据总线16位，地址总线24位，与80286相同，从而方便80286电脑的升级。由于内部的32位结构及其他优化设计，80386-SX性能仍大大优于80286，而价格只相当于80386-DX的三分之一，因而很受市场的欢迎。与之相配的数学辅助处理器型号为80387-SX。80386-SL：1990年推出的低功耗版本，基于80386-SX。增加了系统管理方式（SMM）工作模式，具有电源管理功能，可以自动降低运行速度乃至休眠状态以实现节能。80386-DL：1990年推出的低功耗版本，基于80386-DX。与80386-SL类似。图8Intel80386处理器还有一款微处理器被很多人忽视，这就是IntelRapidCAD。RapidCAD是英特尔有史以来第一款为旧款个人计算机所提供的升级套件（也就是OverDrive的始祖）。原386的使用者不需要更换主机板，只要把RapidCAD买回来将主机板上旧有的中央处理器芯片（CPU）替换掉，就可以享受接近486的运算能力。RapidCAD其实就是把486DX芯片去掉内部高速缓存然后装入386的封装里面，RapidCAD也不支持486增加的新指令。不过由于386封装的频宽限制，RapidCAD对整体的效能提升比不上直接升级到486DX。相同频率下，486DX可以有比386/387快上两倍的速度，而RapidCAD在整数运算方面最多只能提升35%，在浮点运算方面，则可以提升将近70%。IntelRapidCAD特殊的地方在于，它是由两颗芯片组成，缺一不可。这归咎于486DX内建浮点运算器（FPU），而386则是将浮点运算器分开（就是387）。由于RapidCAD-1本身就含有浮点运算器（因为它就是486DX阉割版），根本不需要387，所以RapidCAD-2就是用来替代原来主机板上的387芯片。RapidCAD-1负责所有的运算，而RapidCAD-2则是负责假装浮点运算器，以防止旧有主机板以为没有安装浮点运算功能（尤其在执行286/287的程序时）。市面上有时候把RapidCAD-1与RapidCAD-2分开卖，这是就是不了解RapidCAD运作方式的结果。图9IntelRapidCAD表格3Intel386和486相关参数中文名称发布年主频内外部数据总线针脚数量核心技术/晶体管数量地址总线/寻址能力英特尔80386198516MHZ16位/16位132