1.1.1 微型计算机的发展
微型计算 机的核心部分是微处理器。世界上的第一个微处理器Intel 4004是1971年Intel公司研制成功的,它是一个4位微处理器。Intel 4004可寻址4096个4位宽存储单元(4位宽的存储单元通常称为半字节),其指令系统只有45条指令,用P沟道MOSFET技术制造,允许以50 KIPS(每秒千条指令)的速度执行指令。4位微处理器用于早期的视频游戏和基于微处理器的小型控制系统中。这种早期微处理器的主要问题是它的速度、字宽 度和存储器容量不足。目前,4位微处理器在低档应用领域中依然存在,如用于微波炉和小型控制器系统中,并且仍然可以从某些微处理器厂商那里得到它们。大部 分计算器也仍然是基于4位微处理器的,它们处理4位BCD(二进制编码的十进制)代码。
1971年末,Intel公司推出了 8008,这是4004的8位扩展型微处理器。8008可寻址的存储器空间扩大了(16KB),并且增加了指令(总计48条),这些为它在许多高级系统中 的应用提供了机会。作为改进型,1973年Intel公司又推出了8080微处理器,8080的基本指令有70多条,性能也大大优于前一代产品。8位微处 理器的其他产品有Motorola公司于1974年推出的M6800和Zilog公司设计的Z80,它们和Intel 8080成为当时微处理器的主要产 品。
1978年以后,各厂家陆续研制出了16位微处理器,其代表产品是Intel 8086/8088和Intel 80286。 1982年,IBM公司推出了以Intel 8086 CPU为处理器的IBM PC机。1983年又推出了采用Intel 8088 CPU为处理器的 IBM PC/XT。这两种机型的内存为1MB,支持单任务的操作系统。1984年,以Intel 80286为CPU的16位增强型PC机IBM PC /AT上市,其内存可达到16MB,并支持多任务多用户操作系统。上述微机具有多种灵活的寻址方式和强有力的指令系统,运算速度大大提高,直接寻址的内存 空间有了大幅度扩充。
20世纪80年代中期,Intel公司陆续推出80386、80486、Pentium系列32位微处理器,它们是面向超高速性能、多任务处理、网络多媒体应用领域设计的,适用于设计高性能、多功能的现代微型计算机系统。
80386微处理器于1985年10月推出。它采用1.5~1.0μm工艺,集成了27.5万个晶体管,时钟频率最高达到了33MHz,数据总线和地址 总线均为32位,具有4GB的物理寻址能力。由于在芯片内部集成了分段存储管理部件和分页存储管理部件,它能够管理高达64TB的虚拟存储空间。另外,它 还提供了虚拟8086工作方式,使得芯片能够同时模拟多个8086微处理器,以同时运行多个8086应用程序。
80486微处理器于 1989年4月推出。它采用1.0~0.8μm工艺,集成了120万个晶体管,时钟频率最高达到了120MHz。它除了沿用了80386的体系结构外,还 把浮点运算部件、8KB的高速缓冲存储器Cache集成在芯片内。这种集成极大地加快了CPU处理指令的速度,使指令平均执行时间从80386的约4.5 个周期降至约1.8个周期。芯片的整数处理部件采用RISC结构,以加速处理单一指令的速度。此外,80486还引进了时钟倍频技术,从而使主频可以超过 100MHz。
Pentium是Intel公司于1993年推出的全新一代高性能x86系列微处理器。它采用0.8~0.6μm的静 态BiCMOS工艺,集成了310万个晶体管,时钟频率达到了233MHz。与80486相比,在体系上做了重大改进,采用了哈佛结构的RISC(精简指 令集计算机),实现了多项先进技术,如超标量流水线结构、分开的代码Cache和数据Cache(哈佛结构)、流水线式高性能浮点部件,以及增加的数据整 合和出错检测功能、增强的调试和测试功能等。
Intel公司于1996年推出了新x86系列CPUPentium Pro。 Pentium Pro芯片内部集成了550万个晶体管,内部时钟频率为133MHz,处理速度几乎是100MHz Pentium的2倍。高速缓冲存储 器Cache大小为16KB,其中8KB为指令Cache,8KB为数据Cache。主频200MHz的Pentium Pro CPU的L2“二级 Cache”就是运行在200MHz时钟频率之下,即二级Cache与处理器同频运行。这样的设计使Pentium Pro达到了很高性能。