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)展影響是深遠的，例如程序存儲和數(shù)字編碼技術為以后的計算機發(fā)展奠定了技術基礎。
    1946--1958年計算機的組成仍以電子管為主，計算機的內存儲器先是采用了汞延遲線，后來采用了磁鼓和磁芯，由于磁帶記錄技術已經成熟，所以外存儲已經使用了磁帶記錄器，軟件普遍采用機器語言，后期才開始使用匯編語言，主要應用于科學計算。
    1958--1964年，晶體管的誕生帶動了計算機技術的發(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，以科學計算、數(shù)據處理及一些工業(yè)控制為主要應用。

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)，標志著人類史上第一塊微處理器誕生，它內部集成了約2000多個晶體管，采用P-MOS工藝技術制造，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，因為當時并非需要太復雜的算術運算，況且在當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體)工藝制造，工作頻率低，用于構成真正的計算機，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生產工藝，集成了3500個晶體管，但它的數(shù)據寬度已經提高到了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，并在其它領域獲得應用。

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生產工藝，改用全新的N-MOS生產技術，從而使處理器的運行速度有了質的飛躍，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)據傳送周期短了許多。

8080硬件上在8008的基礎上作了很大的改進，存儲器的尋址空間達到了64k，為克服CPU內部的7級堆棧的限制，8080在存儲器本身也設置了堆棧。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域得到了應用，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的基礎上又推出了幾個增強型微處理器芯片，8085在原基礎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雜。增加了輸入輸出功能使之能連接多種外圍設備，如可編程、中斷控制器和CRT控制器等幾個插件都可以適應更多的應用，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)的基礎上僅新增了兩條指令，一是“讀”串行和中斷數(shù)據指令，而是“寫”串行和中斷數(shù)據指令，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)據總線為8位外，其它與8086是一致的，同樣具有16位數(shù)據的處理能力，并且8086已被廣泛應用于個人電腦上，晶體管的集成度已達到了29000個，運行速度達到了10MHz，應當說8086是現(xiàn)代個人電腦微處理器的最初架構。

8086和性能上的提高取決于系統(tǒng)結構和工藝技術的改進，它們采用了新的硅柵H-MOS技術，使用4微米的工藝制造，并在場效應管置上偏置以提高晶體管的工作速度，開關速度近似于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，當時IBM公司已經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，正是它的誕生預示著真正個人電腦時代的到來，經過數(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，但當時的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的微處理器，由于它的數(shù)據寬度擴充到了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)模集成電路技術工藝的進步。雖然80386微處理器已廣泛應用于家用個人電腦，但是，當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，這樣的性能在當時的年代卻是相當喜人的。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)已經占據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，主頻從具450MHz-1.3GHz，外頻達133MHz，多任務系統(tǒng)總線及MMX^TM 媒體增強技術，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 微體系結構，0.13nm制程。Pentium4處理器可為您提供卓越的性能和系統(tǒng)響應性能，支持當今音視頻數(shù)據流、游戲，圖象等多媒體處理和多任務操作。
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，采用90nm技術制造，這個產品將于2003年下半年投放市場。