微處理器史話

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作者：時間：2007-08-03 來源：

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   1946年在美國賓夕法尼亞大學(xué)由J.W.Mauchley及J.P.Eckert等人合作研制成功世界上第一臺由程序控制的電子計算機ENIAC(Electronic Numcrical Integrator And Calculator)誕生，標(biāo)志著人類進入了電子計算機時代，它的字長為12位，使用了18800多只電子管和1500只繼電器，它的體積有一座房子那么大，占地150m²，重量30多噸，耗資百萬美元，耗電量需要由一個小型發(fā)電廠供電(150kW)，這便是第一臺電子計算機，這樣一臺龐然大物，當(dāng)時的運算能力只有每秒鐘5000次的加法運算，但它對后來幾十年計算機的發(fā)展影響是深遠(yuǎn)的，例如程序存儲和數(shù)字編碼技術(shù)為以后的計算機發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
    1946--1958年計算機的組成仍以電子管為主，計算機的內(nèi)存儲器先是采用了汞延遲線，后來采用了磁鼓和磁芯，由于磁帶記錄技術(shù)已經(jīng)成熟，所以外存儲已經(jīng)使用了磁帶記錄器，軟件普遍采用機器語言，后期才開始使用匯編語言，主要應(yīng)用于科學(xué)計算。
    1958--1964年，晶體管的誕生帶動了計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機逐步以晶體管取代了電子管，邏輯元件基本上采用了體積小耗電省的晶體管，內(nèi)存儲器仍采用磁芯，但外存儲器已開始使用磁盤，軟件也開始出現(xiàn)了一些高級語言，以科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理及一些工業(yè)控制為主要應(yīng)用。

1969年，INTEL公司受日本Busicom計算器公司委托，要求為其一個計算器研制一套程序控制器(如左圖)，Busicom公司提出一個方案是采用12片專用的集成芯片，而INTEL公司的一位叫Ted hoff的電氣工程師則大膽地提出了一種新的理念，即采用通用型的數(shù)據(jù)處理芯片，正是這一理論帶來了微處理器的誕生。

隨著集成電路的產(chǎn)生，集成度朝著中規(guī)模方向發(fā)展，使得計算機也朝著小型化、微型化方向發(fā)展，1971年，INTEL公司發(fā)布了具有4位并行處理能力的微處理器4004(如右圖)，標(biāo)志著人類史上第一塊微處理器誕生，它內(nèi)部集成了約2000多個晶體管，采用P-MOS工藝技術(shù)制造，雖然的它的面積不足1cm²，但它卻具有比ENIAC強大的計算能力，同時開創(chuàng)了集成電路計算機的新時代。

雖然在中規(guī)模集成電路單片上的4004還不能算是一臺完善的電子計算機，但它集成了作為中央處理單元大量的邏輯電路，一塊集成芯片代替了電子管或晶體管時代構(gòu)成計算機的幾千個單元電路。4004雖然只包含了46條基本指令，系統(tǒng)相對簡單，但作為簡單的控制還是合適，因為當(dāng)時并非需要太復(fù)雜的算術(shù)運算，況且在當(dāng)時并不容易找到可編程的邏輯器件。

由于4004采用的是P-MOS(P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝制造，工作頻率低，用于構(gòu)成真正的計算機，功能仍很差，為此，INTEL公司于1972年發(fā)布了第二代微處理器8008，8008仍沿用4004的P-MOS生產(chǎn)工藝，集成了3500個晶體管，但它的數(shù)據(jù)寬度已經(jīng)提高到了8位，指令也增加到了48條，所以8008比起4004指令進行周期明顯加快，并允許8位的操作數(shù)，同時8008可尋址16384個存儲單元，具備7個寄存器、存儲器堆棧以及簡單的中斷功能，形成了現(xiàn)代微處理器的雛形。

8008與4004的指令系統(tǒng)并不兼容，但8008發(fā)布以后，很快投放市場，并在其它領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

1973年,INTEL公司又相繼發(fā)布了8080微處理器，可以這樣說，8080是8008的升級改進型，指令系統(tǒng)兼容8008微處理器，8008上的軟件基本上都可以在8080上運行。更驕傲的是8080放棄了以前處理器所使用的P-MOS生產(chǎn)工藝，改用全新的N-MOS生產(chǎn)技術(shù)，從而使處理器的運行速度有了質(zhì)的飛躍，達到了2MHz，兩個8位操作數(shù)的加法運算速度達到了50萬次/每秒。顯然，8080比8008的數(shù)據(jù)傳送周期短了許多。

8080硬件上在8008的基礎(chǔ)上作了很大的改進，存儲器的尋址空間達到了64k，為克服CPU內(nèi)部的7級堆棧的限制，8080在存儲器本身也設(shè)置了堆棧。此外，CPU還具備了處理BCD碼的能力，即可以實現(xiàn)兩個BCD碼間的加法操作。另外，8080還具備允許對外部存儲器進行直接尋址的擴展尋址能力，這使其得到更廣泛的應(yīng)用。
8080的研制成功，并廣泛投放市場之后，微處理器才真正在電子領(lǐng)域得到了應(yīng)用，8080比8008多了30條指令,達到了78條，使該處理能力進一步加強。

1976年，INTEL公司在8080的基礎(chǔ)上又推出了幾個增強型微處理器芯片，8085在原基礎(chǔ)上增加了輸入輸出功能，使之的電源供電和時鐘源更為簡化，只需單一的時鐘和電源，在此之前，4004和8080均需要兩到三個電源或時鐘源，這使得它們的硬件電路復(fù)雜。增加了輸入輸出功能使之能連接多種外圍設(shè)備，如可編程、中斷控制器和CRT控制器等幾個插件都可以適應(yīng)更多的應(yīng)用，并且8085具有更強的計算處理能力和更快的運算速度。

8085兼容8080指令系統(tǒng)，原來在8080上的軟件完全可以在8085上運行，在8080指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上僅新增了兩條指令，一是“讀”串行和中斷數(shù)據(jù)指令，而是“寫”串行和中斷數(shù)據(jù)指令，顯然8085在8080的版本上作了許多改進，使之功能進一步增強。

8085的高位機種，16位的8086(如左圖)于1978年開發(fā)出來，它在性能上有了更大的提高，不久，INTEL公司又發(fā)布了8088，8088除了外部數(shù)據(jù)總線為8位外，其它與8086是一致的，同樣具有16位數(shù)據(jù)的處理能力，并且8086已被廣泛應(yīng)用于個人電腦上，晶體管的集成度已達到了29000個，運行速度達到了10MHz，應(yīng)當(dāng)說8086是現(xiàn)代個人電腦微處理器的最初架構(gòu)。

8086和性能上的提高取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)的改進，它們采用了新的硅柵H-MOS技術(shù)，使用4微米的工藝制造，并在場效應(yīng)管置上偏置以提高晶體管的工作速度，開關(guān)速度近似于STTL(Schottky TTL電路)，達到了2ns，它們的時鐘頻率可達5-10MHz。

1981年,美國IBM公司采用了8088微處理器推出了個人電腦PC(personal computer)，即我們熟悉的IBM PC和IBM PC/XT機，此個人電腦的最大特點是，其基本軟件(如操作系統(tǒng)和BASIC)是由其他廠商引進的，當(dāng)時IBM公司已經(jīng)注重了軟件的兼容性，后來為IBM PC/XT機配置的軟件日益增多，從而使IBM PC/XT機得到進一步的發(fā)展，以至后來出現(xiàn)了所謂的IBM兼容機產(chǎn)業(yè)。

隨后，INTEL公司又相繼發(fā)布了80186性能更勝一籌的16位微處理器，1982年80286(如左圖)隆重登場，這是計算機發(fā)展史上重要的里程碑，80286最主要的特征是它完全兼容以前推出微處理器所用的程序，正是它的誕生預(yù)示著真正個人電腦時代的到來，經(jīng)過數(shù)年的銷售，80286微處理器個人電腦超過了1500萬臺。

80286屬于超大規(guī)模集成電路，集成的晶體管數(shù)達到13萬只，工作頻率最高也達到了12.5MHz。80286雖然與現(xiàn)在的Pentium(奔騰)的P4相比，性能相差甚遠(yuǎn)，但當(dāng)時的286電腦卻是貴族的奢侈品哦！

1985年,INTEL公司開發(fā)出了32位微處理器80386，它是第一個可以同時處理多個任務(wù)的微處理器，由于它的數(shù)據(jù)寬度擴充到了32位，運算處理速度就不是以前16位微處理器可同日而語，同時它的集成度也比8028翻了一番，達到27萬只晶體管/片，工作頻率也更高，達到33MHz，這些性能的提高均依賴于微電子工業(yè)超大規(guī)模集成電路技術(shù)工藝的進步。雖然80386微處理器已廣泛應(yīng)用于家用個人電腦，但是，當(dāng)時的銷售價格仍然很高，還是難以進入發(fā)展中國家的平民百姓家庭，大多數(shù)作為企事業(yè)單位的辦公設(shè)備。

80386及以前的個人電腦，均以命令方式進行人機對話，這從一定程度上限制了個人電腦的普及，聰明的人們開始把命令模式向圖形界面操作模式轉(zhuǎn)變，由于圖形操作界面需要的微處理器運算速度更快，處理能力更強，INTEL公司于1989年發(fā)布的40486被廣泛地應(yīng)用于個人電腦，80486比起80386有了更長足進步，集成度高達120萬晶體管，運行頻率也比80386高了一倍多，達75MHz，這樣的性能在當(dāng)時的年代卻是相當(dāng)喜人的。正是微處理器性能的不斷提升，個人電腦才真正走進了平民百姓家。

1992年，INTEL公司的微處理器又上了一個新臺階，發(fā)布了新一代的微處理器Pentium，這一新型處理器，INTEL公司沒有命名為80586，而是Pentium（中文的譯音為“奔騰”），正是這一響亮的名字，使INTEL公司的個人電腦的微處理器今后獲得了飛速的發(fā)展。
Pentium微處理器比起80486有著更強的功能，更快的速度，集成度已達到了300多萬個晶體管，主頻達到了75MHz。這個時期，已有Cristy公司和AMD公司相繼的微處理器與INTEL公司搶占家用電腦的微處理機器市場，如5x86和k5系列等等。

隨著圖形操作軟件的不斷推出和多媒體處理的需要，要求微處理器的處理功能更強，運算速度更快，特別對是浮點運算性能要求更高，1996年INTEL公司發(fā)布了性能優(yōu)越的微處理器，例如PentiumMMX166和MMX233（MMX意為多媒體擴展指令集），MMX曾被玩家們戲稱為“媽媽叉”，Pentiu166被稱之為“黑金剛”。同時AMD公司也欲與INTEL公司分享一杯美羹，推出了高性價比的K6系列微處理器。

1997年，INTEL公司又發(fā)布了PentiumII處理器，集成度達到了驚人的750萬個晶體管，主頻更高達450MHz，性能更高，功能更強。同時PentiumII還一改過去的封裝形式，采用SEC（單邊接觸的封裝方式，如左圖），插座接口自然也由原來的socket7該成了socket1。這個時候，Microsoft公司的Windows95操作系統(tǒng)已經(jīng)占據(jù)了個人電腦操作系統(tǒng)的大半江山，家用電腦時代迎來了又一個春天。

1997年，INTEL公司的新一代微處理器PentiumIII隆重登場，這一新型處理器采用P6動態(tài)執(zhí)行架構(gòu)，主頻從具450MHz-1.3GHz，外頻達133MHz，多任務(wù)系統(tǒng)總線及MMX^TM 媒體增強技術(shù)，完全可以勝任商用、Internet和娛樂需要。是一款理想的家用和商用處理器。
同時，INTEL公司為與AMD公司爭奪微處理器的低價市場，推出了賽揚(Celeron)系列低價位處理器。賽揚系列處理器除了外頻稍低，內(nèi)部Cache容量稍小外，其他與PentiumIII沒有多大區(qū)別，真可謂窮人的“寶馬”，特別是其出群超頻性能，電腦玩家玩得不亦樂乎！

2000年以后，INTEL的微處理制造技術(shù)到了登峰造極的地步，相繼發(fā)布了1.4-3.06GHz系列超高速處理器，系統(tǒng)總線更高達400Mhz和533MHz！512kB的高速二級緩存，采用INTEL公司的Netburst^TM 微體系結(jié)構(gòu)，0.13nm制程。Pentium4處理器可為您提供卓越的性能和系統(tǒng)響應(yīng)性能，支持當(dāng)今音視頻數(shù)據(jù)流、游戲，圖象等多媒體處理和多任務(wù)操作。
2002年春季，INTEL首席執(zhí)行官貝瑞特在美國的舊金山會展中心宣布：不久的將來，INTEL將推出集成20億個晶體管，運行頻率達30GHz的新一代CPU。而新一代的桌面CPU—Prescott，基于NetBrust架構(gòu)，采用90nm技術(shù)制造，這個產(chǎn)品將于2003年下半年投放市場。