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CPU的发展历史

CPU是中央处理器(CPU)的缩写,它是计算机最重要的部分,由一个算术单元和一个控制器组成。如果把电脑比作人,那么CPU就是人脑。CPU的发展非常迅速。个人电脑从8088(XT)发展到奔腾4时代,只用了不到二十年的时间。

在生产工艺上,原8088集成了29000个晶体管,而奔腾ⅲⅲ的集成超过了2865438+万个晶体管。CPU的运行速度,以MIPS(每秒百万条指令)为单位,8088是0.75MIPS,在高能量运行时已经超过1000MIPS。无论哪种CPU,其内部结构都可以概括为三部分:控制单元、逻辑单元和存储单元,它们相互协调,对命令和数据进行分析、判断和计算,控制计算机各部分协调工作。

CPU从最初的发展到现在,已经有20多年了。在此期间,CPU可分为4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器和在建的64位微处理器。可以说,个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的。

英特尔4004

1971年,英特尔推出了世界上第一个微处理器4004,这是第一个可以在微型计算机中使用的四位微处理器,它包含2300个晶体管。随后,英特尔推出了8008,由于计算性能不佳,市场反应非常不理想。1974,8008发展成8080,成为第二代微处理器。8080作为替代电子逻辑电路的器件,用于各种应用电路和器件。没有微处理器,这些应用就无法实现。

由于微处理器可以用来完成许多过去用大型设备才能完成的计算任务,而且价格便宜,半导体公司开始竞相生产微处理器芯片。Zilog公司生产了8080增强型Z80,摩托罗拉公司生产了6800,Intel公司生产了1976中的8085,但这些芯片基本没有改变8080的基本特性,都属于第二代微处理器。均采用NMOS技术,集成约9000个晶体管,平均指令执行时间为1μs ~ 2μs,采用汇编语言、BASIC和Fortran编程,使用单用户操作系统。

英特尔8086

Intel公司生产的1978 8086是第一个16位的微处理器。不久,Zilog和摩托罗拉也宣布了生产Z8000和68000的计划。这是第三代微处理器的起点。

8086微处理器的最大时钟速度为8MHz,数据通道为16位,内存寻址能力为1MB。同时,英特尔还生产了配套的数学协处理器i8087。这两种芯片使用相互兼容的指令集,但在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。这些指令集统称为x86指令集。虽然英特尔生产了第二代、第三代等更先进、更快的新CPU,但仍然兼容原有的x86指令,英特尔在命名后续CPU时也沿用了原有的x86顺序,直到后来由于商标注册问题,放弃了用阿拉伯数字命名。

1979年,英特尔开发了8088。8086和8088都在芯片内部使用16位数据传输,所以都被称为16位微处理器,但8086每周期可以发送或接收16位数据,而8088每周期只用8位。因为原来的器件和芯片大多是8位的,所以8088的外部8位数据收发可以兼容这些器件。8088采用40针DIP封装,工作频率为6.66MHz、7.16MHz或8MHz。微处理器集成了大约29,000个晶体管。

8086和8088出来后不久,Intel就开始对它们进行改进,它们在芯片上集成了更多的功能,从而诞生了80186和80188。两个微处理器内部都使用16位工作,16位用于80186的外部输入和输出,而80188与8088一样使用8位工作。

1981年,美国IBM公司在其PC中使用了8088芯片,从而开创了一个全新的微机时代。也是从8088年开始,个人电脑(PC)的概念开始在全世界发展。自从8088被应用于IBM PC后,个人电脑真正进入了人们的工作和生活,这也标志着一个新时代的开始。

英特尔80286

1982年,Intel公司在8086的基础上,开发了80286微处理器。该微处理器最高频率为20MHz,内外数据传输为16位,采用24位内存,内存寻址容量为16MB。80286可以有两种工作方式,一种叫实模式,一种叫保护模式。

在实模式下,微处理器可以访问的内存总量限制为1兆字节;在保护模式下,80286可以直接访问16兆内存。此外,80286工作在保护模式下,可以保护操作系统在遇到异常应用时不停止系统,不像实模式或8086等无保护的微处理器。

IBM公司在先进技术微型计算机,即at计算机中使用了80286微处理器,引起了很大轰动。80286在以下四个方面比其前辈有显著改进:支持更大的内存;能够模拟内存空间;可以同时运行多个任务;并且提高了处理速度。最早的PC速度是4MHz,基于80286的第一台AT机速度是6MHz到8MHz。有的厂商还自己提高了速度,让80286达到了20MHz,也就是说性能有了很大的进步。

80286的封装是方形封装,叫PGA。PGA是一种源自PLCC的廉价封装,具有内部和外部实心引脚。在这种封装中,80286集成了大约130000个晶体管。

IBM PC/AT微机的总线保持了XT的三层总线结构,增加了高低字节总线驱动程序和高字节总线的转换逻辑。和XT机一样,CPU是焊在主板上的。

当时原装机只指IBM PC,兼容机是除IBM PC以外的其他机器。当时除了英特尔,还有其他生产CPU的公司,比如AMD和西门子,人们并不关心他们的电脑用的CPU,因为AMD等公司生产的CPU和英特尔的几乎一样,直到486年人们才关心自己的CPU。

8086 ~ 80286时代是个人电脑起步的时代。那时候国内很少有人使用甚至看到PC,在人们心目中是一个很神秘的东西。直到20世纪90年代初,计算机才在中国普及。

英特尔80386

1985年春天,英特尔已经成为一流的芯片公司,决心全力研发新一代32位核心CPU——80386。Intel为80386设计了三个技术点:采用“286类”结构,开发80387微处理器增强浮点计算能力,开发cache解决内存速度瓶颈。

1985 65438+10月17日,英特尔划时代产品80386DX正式发布。它包含了275000个晶体管,时钟频率是12.5MHz,然后逐渐提高到20MHz,25MHz,33MHz,最后还有少数40MHz的产品。

80386DX具有32位内外数据总线和32位地址总线,可寻址4GB内存,管理64TB虚拟存储空间。其运行模式除了实模式和保护模式外,还增加了一种“虚86”工作模式,可以通过同时模拟多个8086微处理器来提供多任务能力。

80386DX的指令比80286多。12.5MHz频率的80386每秒可执行600万条指令,比16MHz频率的80286快2.2倍。80386最经典的产品就是80386 DX-33 MHz,也就是我们通常所说的。

由于32位微处理器强大的计算能力,PC机的应用已经扩展到许多领域,如商务办公和计算、工程设计和计算、数据中心和个人娱乐等。80386使32位CPU成为PC行业的标准。

虽然80386当时还没有一个完善强大的浮点运算单元,但是有了80387协处理器,80386就可以顺利完成很多需要大量浮点运算的任务,从而成功进入主流商用计算机市场。此外,30386还有其他丰富的外设配件,如82258(DMA控制器)、8259A(中断控制器)、8272(磁盘控制器)、82385(缓存控制器)、82062(硬盘控制器)。针对内存的速度瓶颈,Intel为80386设计了一个Cache,采用预读内存的方法来缓解这种速度瓶颈。从此,缓存和CPU变得密不可分。

英特尔80387/80287

严格来说,80387并不是真正的CPU,而是与80386DX的协处理芯片,也就是说80387只能辅助80386完成浮点运算,功能非常简单。

英特尔80386SX

1989年,Intel推出准32位微处理器芯片80386SX。这是英特尔为了扩大市场份额而推出的一款廉价且受欢迎的CPU。其内部数据总线为32位,外部数据总线为16位。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,受到了市场的广泛欢迎,因为80386SX的性能比80286好很多,而价格只有80386的三分之一。

英特尔80386SL/80386DL

1990年,Intel推出了笔记本电脑的80386SL和80386DL 386芯片。这两类芯片可以说是80386DX/SX的节能,其中80386DL基于80386DX核,80386SL基于80386SX核。这两类芯片不仅功耗更低,而且具有电源管理功能,在CPU不工作时自动切断电源。

摩托罗拉68000

摩托罗拉的68000是最早的32位微处理器,是1984。上市后性能优异,获得了苹果公司的青睐,并在其划时代的个人电脑“PC-MAC”中采用了该芯片。但80386推出后,逐渐没落。

AMD Am386SX/DX

AMD的Am386SX/DX是兼容80386DX的第三方芯片,性能上和Intel的80386DX差不多,成为当时的主流产品之一。

IBM 386SLC

这是IBM在研究80386的基础上设计的,完全兼容80386,由Intel制造。386SLC基本上是在80386SX的基础上内置缓存的指令集,还包含80486SX,性能不错。

英特尔80486

1989,我们都很熟悉的80486芯片是Intel推出的。这款历时四年研发、投资3亿美元的芯片的伟大之处在于,它实际上首次打破了654.38+0万个晶体管的边界,集成了654.38+0.2万个晶体管,并采用了654.38+0微米的制造工艺。80486的时钟频率从25MHz逐渐提高到33MHz、40MHz、50MHz。

80486在一个芯片上集成了80386、数学协处理器80387和8KB缓存。80486中集成的80487的数字运算速度是之前80387的两倍,内部缓存缩短了微处理器和慢速DRAM的等待时间。而且80x86系列首次采用RISC(精简指令集)技术,一个时钟周期可以执行一条指令。它还采用了突发总线模式,大大提高了与存储器的数据交换速度。由于这些改进,80486的性能比带有80387数学协处理器的80386 DX高4倍。

随着芯片技术的不断发展,CPU的主频越来越快,而PC的外部设备受到技术的限制,阻碍了CPU主频的进一步提升。在这种情况下,出现了CPU倍频技术,使得CPU内部工作频率是微处理器外部频率的2 ~ 3倍,因此得名486 DX2和486 DX4。

英特尔80486 DX

常见的80486 CPU有80486 DX-33、40和50。和386 DX一样,486 CPU内外都是32位,但最慢的486 CPU也比最快的386 CPU快。这是因为486 SX/DX执行一条指令只需要一个振荡周期,而386DX CPU需要两个周期。

英特尔80486 SX

因为80486 DX CPU内置了浮点协处理器,所以功能强大,当然也很贵。为了满足普通用户的需求,尤其是那些不需要做大量浮点运算的用户,英特尔推出了486 SX CPU。80486 SX主板一般有80487协处理器插槽。如果需要浮点协处理器的功能,可以插一个80487协处理器芯片,相当于486 DX。常见的80486SX CPUs有:80486SX-25,33。

英特尔80486 DX2/DX4

其实这个CPU的名字和频率有关。这个CPU的内部频率是主板频率的四分之二,比如80486DX2-66。CPU频率66MHz,而主板频率只有33MHz。

英特尔80486 SL CPU

80486 SL CPU最初是为笔记本电脑和其他便携式电脑设计的。这款芯片和386SL一样,使用3.3V而不是5V电源,还内置了切断电路,使微处理器和其他可选部件在不工作时处于休眠状态,可以降低笔记本电脑和其他便携式电脑的能耗,延长使用时间。

英特尔486超速驱动

升级486 SX可以在主板的协处理器插槽中安装一个80487SX芯片,相当于486 DX。但升级后只是增加了浮点协处理器的能力,并没有提高系统的速度。为了提高系统速度,还有一种升级方法,就是在协处理器的插槽里插一个486的OverDrive CPU。其原理与486 DX2 CPU相同,内部运行速度可以达到外部速度的两倍。比如一个OverDrive的CPU插在20MHz的主板上之后,CPU内部的运行速度可以达到40MHz。486 OverDrive CPU也有浮点协处理器的功能,常见的有:overdrive-50、66、80。

TI 486 DX

作为世界知名的半导体厂商之一,美国德州仪器(TI)也是在486时代异军突起,生产了自己的486 DX系列CPU。尤其是486DX2成为主流后,其DX2-80因为性价比高,成为当时的主流产品之一。TI 486最高主频是DX4-100,但再也没有进入CPU市场。

Cyrix 486DLC

这是Cyrix公司生产的486 CPU。我们说它是486 CPU,指的是它的效率。