CPU的起源与发展

《CPU的起源与发展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CPU的起源与发展（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、CPU的起源与发展起源任何东西从发展到壮大都会经历一个过程，CPU 能够发展到今天这个规模和成就，其中的发展史更是耐人寻味。作为电脑之“ 芯” 的 CPU 也不例外，本文让我们进入时间不长却风云激荡的CPU 发展历程中去。在这个回顾的过程中，我们主要叙述了目前两大CPU 巨头Intel 和 AMD 的产品发展历程，对于其他的CPU 公司，例如 Cyrix 和 IDT 等，因为其产品我们极少见到在现今的 CPU 出现之前，如同埃尼阿克（Electronic Numerical Integrator and Computer）之类的计算机在执行不同程序时，必须经过一番线路调整才能启动。由于它们的线

2、路必须被重设才能执行不同的程序，这些机器通常称为 “ 固定程序计算机 ” （fixed-program computer ）。而由于 CPU 这个词指称为执行软件（计算机程序 ）的设备，那些最早与储存程序型计算机（ stored-program computer ）一同登场的设备也可以被称为CPU 。储存程序型计算机的主意早已体现在ENIAC 的设计上，但最终还是被省略以期早日完成。 在 1945 年 6 月 30 日， ENIAC完成之前，著名 数学家 冯纽曼发表名为 “First Draft of a Report on the EDVAC“的论文。它揭述储存程序型计算机的计划将在 194

3、9 年正式完成 (冯纽曼 1945)。EDVAC 的目标是执行一定数量与种类的指令（或操作），这些指令结合产生出可以让 EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）执行的有用程序。特别的是，为EDVAC 而写的程序是储存在高速 计算机内存 中，而非由实例线路组合而成。这项设计克服了ENIAC 的某些局限 即花费大量时间与精力重设线路以执行新程序。在冯纽曼的设计下， EDVAC 可以藉改变内存储存的内容，简单更换它执行的程序（软件）。1 值得注意的是，尽管冯纽曼由于设计了EDVAC ，使得他在发展储存程序型计算机上的贡献最为显著，但

4、其他早于他的研究员 如 Konard Zuse 也提出过类似的想法。另外早于EDVAC 完成，利用哈佛架构制造的马克一号，也利用打孔纸带而非电子内存实作储存程序的概念。冯纽曼架构与哈佛架构最主要的不同在于后者将CPU 指令与数据分开存放与处置，而前者使用相同的内存位置。大多近代的CPU 依照冯纽曼 架构设计 ，但哈佛架构一样常见。身为数码设备，所有CPU 处理不连续状态，因此需要一些转换与区分这些状态的基础组件。在市场接受晶体管 前，继电器与真空管 常用在这些用途上。虽然这些材料速度上远优于纯粹的机械构造，但是它们有许多不可靠的地方。例如以继电器 建造直流 时序逻辑 回路需要额外的硬件以应付接

5、触点跳动问题。而真空管 不会有接触点跳动问题，但它们必须在启用前预热，也必须同时停止运作。2通常当一根 真空管坏了， CPU 必须找出损坏组件以置换新管。因此早期的电子真空管式计算机快于电子继电器 式计算机，但维修不便。类似EDVAC 的真空管计算机每隔八小时便会损坏一次，而较慢较早期的马克一号却不常故障(Weik 1961:238) 。但在最后，由于速度优势，真空管计算机支配当时的计算机世界 ，尽管它们需要较多的维护照顾。大多早期的同步CPU，其时钟频率 （clock rate ）低于近代的微 电子设计 （见下列对于 时钟频率 的讨论）。那时常见的 时钟频率 为 100 千赫兹到 4百万赫兹

6、，大大受限于内置切换设备的的速度。发展X86 时代的 CPUCPU 的溯源可以一直去到1971 年。 在那一年，当时还处在发展阶段的INTEL 公司推出了世界上第一台微处理器4004。这不但是第一个用于计算器的4 位微处理器，也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器！ 4004 含有 2300 个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢，被当时的蓝色巨人IBM 以及大部分商业用户不屑一顾，但是它毕竟是划时代的产品，从此以后， INTEL 便与微处理器结下了不解之缘。可以这么说，CPU 的历史发展历程其实也就是INTEL 公司 X86 系列CPU 的发展历程，我们就通过它来展开我们的“CPU 历史之旅

7、 ” 。1978 年，Intel 公司再次领导潮流，首次生产出16 位的微处理器，并命名为i8086 ，同时还生产出与之相配合的数学协处理器 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指令。由于这些指令集应用于i8086 和 i8087 ， 所以人们也这些指令集统一称之为X86 指令集。虽然以后 Intel又陆续生产出第二代、第三代等更先进和更快的新型CPU，但都仍然兼容原来的X86 指令，而且 Intel 在后续 CPU 的命名上沿用了原先的X86 序列，直到后来因商标注册问题，才放弃了继续用阿拉伯数字命名。至于在后来

8、发展壮大的其他公司，例如 AMD 和 Cyrix 等，在 486 以前（包括 486）的 CPU 都是按 Intel 的命名方式为自己的X86 系列 CPU 命名，但到了 586 时代，市场竞争越来越厉害了，由于商标注册问题，它们已经无法继续使用与Intel 的 X86 系列相同或相似的命名，只好另外为自己的586、686 兼容 CPU 命名了。1979 年，INTEL 公司推出了 8088 芯片，它仍旧是属于 16 位微处理器，内含 29000 个晶体管，时钟频率为 4.77MHz ，地址总线为 20 位，可使用 1MB 内存。8088 内部数据总线都是16 位，外部数据总线是8 位，而它的

9、兄弟8086 是 16位。1981 年 8088 芯片首次用于 IBM PC 机中，开创了全新的微机时代。也正是从8088 开始， PC 机（个人电脑）的概念开始在全世界范围内发展起来。1982 年，许多年轻的读者尚在襁褓之中的时候，INTE 已经推出了划时代的最新产品枣80286 芯片，该芯片比8006和 8088 都有了飞跃的发展，虽然它仍旧是16 位结构，但是在 CPU 的内部含有 13.4 万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz 逐步提高到 20MHz 。其内部和外部数据总线皆为16 位，地址总线 24 位，可寻址 16MB 内存。从 80286 开始，CPU 的工作方式也演变出两种来：

10、实模式和保护模式。1985 年 INTEL 推出了 80386 芯片，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，时钟频率为12.5MHz ，后提高到 20MHz，25MHz ，33MHz。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8086 处理器来提供多任务能力。除了标准的80386 芯片，也就是我们以前经常说的80386DX 外，出于不同的市场和应用考虑，I

11、NTEL 又陆续推出了一些其它类型的80386 芯片：80386SX 、80386SL 、80386DL 等。1988 年推出的 80386SX 是市场定位在 80286 和 80386DX 之间的一种芯片，其与 80386DX 的不同在于外部数据总线和地址总线皆与80286 相同，分别是 16 位和 24 位(即寻址能力为 16MB) 。1990年推出的 80386 SL 和 80386 DL 都是低功耗、节能型芯片，主要用于便携机和节能型台式机。80386 SL 与 80386 DL的不同在于前者是基于80386SX 的， 后者是基于 80386DX 的， 但两者皆增加了一种新的工作方式：

12、 系统管理方式 (SMM)。当进入系统管理方式后，CPU 就自动降低运行速度、控制显示屏和硬盘等其它部件暂停工作，甚至停止运行，进入“ 休眠” 状态，以达到节能目的。1989 年，我们大家耳熟能详的80486 芯片由 INTEL 推出，这种芯片的伟大之处就在于它实破了100 万个晶体管的界限，集成了 120 万个晶体管。 80486 的时钟频率从 25MHz 逐步提高到 33MHz 、50MHz 。80486 是将 80386 和数学协处理器 80387 以及一个 8KB 的高速缓存集成在一个芯片内，并且在80X86 系列中首次采用了RISC（精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令

13、。它还采用了突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度。由于这些改进，80486 的性能比带有 80387 数学协处理器的 80386DX 提高了 4倍。80486 和 80386 一样，也陆续出现了几种类型。上面介绍的最初类型是80486DX 。1990 年推出了 80486SX ，它是 486 类型中的一种低价格机型，其与80486DX 的区别在于它没有数学协处理器。80486 DX2 由系用了时钟倍频技术， 也就是说芯片内部的运行速度是外部总线运行速度的两倍，即芯片内部以 2 倍于系统时钟的速度运行，但仍以原有时钟速度与外界通讯。80486 DX2 的内部时钟频率主要有40MHz、50

14、MHz 、66MHz 等。80486 DX4 也是采用了时钟倍频技术的芯片，它允许其内部单元以2 倍或 3 倍于外部总线的速度运行。为了支持这种提高了的内部工作频率，它的片内高速缓存扩大到16KB。80486 DX4 的时钟频率为100MHz ，其运行速度比 66MHz 的 80486 DX2 快 40%。80486 也有 SL 增强类型，其具有系统管理方式，用于便携机或节能型台式机。离散晶体管 与 IC CPU 由于许多科技大厂投入更小更可靠的电子设备 ， 设计 CPU 变得越来越复杂。晶体管 的面世便是第一个CPU 的飞跃进步。1950 到 60 年代的晶体管 CPU 不再以体积庞大、不可

15、靠与易碎的切换组件（例如继电器与真空管）建造。借由这项改良，更复杂与可靠的CPU 便被建造在一或多个包含离散（独立）组件的印制电路板 上。在此时期，将许 多晶体 管放置在拥挤空间中的方法大为普及。集成电路 （IC）将大量的晶体管集中在一小块半导体 片，或芯片（ chip）上。刚开始只有非常基本、非特定用途的数码回路小型化到IC 上（例如 NOR 逻辑门 ）。以这些预组式IC 为基础的 CPU 称为小规模集成电路 （SSI）设备。SSI IC，例如设备在 阿波罗 导航计算机上的那些，通常包含数十个晶体管。以 SSI IC 建构整个 CPU 需要数千个独立的芯片， 但与之前的离散晶体管设计相比，依

16、然省下很 多空间与电力。肇因于 微电子 科技的进步，在 IC 上的晶体管数量越来越大，因此减少了建构一个完整CPU 需要的独立 IC 数量。 “ 中规模集成电路 ” （MSI）与“ 大规模集成电路 ” （LSI）将内含的晶体管数量增加到成百上万。1964 年 IBM 推出了 System/360 计算机架构，此架构让一系列速度与效能不同的IBM 计算机可以跑相同的程序。此诚为一项创举，因为当时的计算机大多互不兼容，甚至同一家厂商制造的也是如此。为了实践此项创举，IBM 提出了 微程序（microprogram 或 microcode ）概念，此概念依然广泛使用在现代CPU 上(Amdahl et al. 1964) 。System/360 架构由于太过成功，因此支配了大型计算机 数十年之久 ，并留下一系列使用相似架构，名为IBM zSeries 的现代主机产品。同一年（ 1964），迪吉多（ DEC ）推出另一个深具影响力且瞄准科学与研究市场的计算机，明为PDP-8。DEC 稍后推出非常有名的 PDP-11 ，此产品原先计划以SSI IC 构组，但在 LSI 技术成熟后