2022年微型计算机和微处理器的发 .pdf

微型计算机和微处理器的发展本篇报告的目的讲述微型计算机和微处理器的发展史，以此来深化对计算机功能结构的认识，并进一步了解计算机工作的模式，在此基础上对未来的计算机发展做一个合理的推测和预期。 其实微型计算机的发展和微处理器的发展其实是紧密结合，密不可分的， 微型计算机的发展主要表现在其核心部件微处理器的发展上，每当一款新型的微处理器出现时，就会带动微机系统的其他部件的一并发展，比如在微机体系结构上，存储器存取容量、存取速度上， 以及外围设备都在不断改进，在此基础上新设备也在不断出现并推动微型计算机的进一步发展。第一篇微机的发展上根据微处理器的字长和功能，将微型计算机的发展简单划分为以下几个阶段。第一阶段 ：概述： 4 位和 8 位低档微处理器（第1 代）基本特点：采用PMOS 工艺，集成度低（4000 个晶体管 / 片） ，指令系统 : 系统结构和指令系统简单，主要采用机器语言或简单的汇编语言，指令数目少，基本指令周期为2050s，用于简单的控制场合。举例： Intel4004和 Intel8008微处理器和分别由它们组成的MCS-4和 MCS-8微机第二阶段：概述： 8 位中高档微处理器（第二代）特点：采用NMOS 工艺，集成度提高约4 倍，运算速度提高约1015 倍指令系统：比较较完善，具有典型的计算机体系结构和中断、DMA 等控制功能软件方面：除汇编语言外，还有BASIC 、FORTRAN 等高级语言和相应的解释程序和编译程序，在后期出现操作系统。举例： Intel8080/8085、Motorola公司、 Zilog公司的 Z80 第三阶段：概述： 16 位微处理器（第三代）特点：用 HMOS 工艺，集成度（ 2000070000 晶体管 / 片）和运算速度都比第2 代提高了一个数量级指令系统：指令系统更加丰富、完善，采用多级中断、多种寻址方式、段式存储机构、硬件乘除部件，并配置了软件系统产品举例： Intel公司的 8086/8088 ， Motorola公司的 M68000 ，Zilog公司的 Z8000 第四阶段 ：概述： 32 位微处理器（第四代）产品举例： Intel公司的 80386/80486 ，Motorola公司的 M69030/68040 基本特点： 采用 HMOS 或 CMOS 工艺， 集成度高达100 万个晶体管 / 片，具有 32 位地址线和 32 位数据总线评价： 微型计算机的功能已经达到甚至超过超级小型计算机，完全可以胜任多任务、多用户的作业第五阶段：概述：奔腾系列微处理器（第5 代）产品举例： Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD 的 K6 系列微处理器芯片特点：AMD 与 Intel分别推出来时钟频率达1GHz的 Athlon和 Pentium。00 年 11 月，Intel又推出了Pentium4 微处理器，集成度高达每片4200 万个晶体管， 主频为 1.5GHz。 2002名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 年 11 月， Intel推出的 Pentium4 微处理器的时钟频率达到3.06GHz 新突破： MMX 微处理器的出现，使微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶第六阶段：概述：酷睿系列微处理器的时代（第六代）特点：“酷睿”是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所谓的能效比优势：酷睿 2 是一个跨平台的构架体系，包括服务器版、桌面版、移动版三大领域，它的推出提高了两个核心的内部数据交换效率采取共享式二级缓存设计，2 个核心共享高达4MB的二级缓存。以上是对微型计算机发展的简要概述，下面对微处理器的发展史，以时间为依据， 在对其参数性能方面分类并做一下详细介绍。第二篇微处理器也称为CPU ，微处理器的历史可追溯到1971 年，当时INTEL 公司推出了世界上第一台微处理器4004。 它是用于计算器的4位微处理器， 含有 2300 个晶体管。下面以 INTEL公司的 80X86系列为例详细介绍一下微处理器的发展历程。1978 和 1979 年， INTEL 公司先后推出了8086 和 8088 芯片，它们都是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。它们的内部数据总线都是16 位，外部数据总线8088 是 8 位， 8086 是 16 位。1981 年， 8088 芯片首次用于IBMPC机中，开创了全新的微机时代。1982 年，Intel推出 80286 芯片， 它比 8086 和 8088 都有了飞跃的发展，虽然它仍旧是16 位结构，但在CPU的内部集成了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。 80286 也是应用比较广泛的一块CPU 。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，内含27.5 万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后提高到20MHz ，25MHz ，33MHz 。其内部和外部数据总线都是32 位，地址总线也是32 位，可寻址4GB内存。1990 年推出的80386SL 和 80386DL 都是低功耗、节能型芯片，主要用于便携机和节能型台式机。 1989 年， INTEL 推出了 80486 芯片，这种芯片实破了100 万个晶体管的的界限，集成了 120 万个晶体管。其时钟频率从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 技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。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。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。80486DX2 由系用了时钟倍频技术，其芯片内部的运行速度是外部总线运行速度的两倍。80486DX2 的内部时钟频率主要有40MHz 、50MHz 、66MHz等。 80486DX4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。INTEL 公司于 1993 年又推出了80586 其正式名称为PENTIUM 。PENTIUM 含有 310 万个晶体管， 时钟频率最初为60MHZ 和 66MHZ ，后提高到200MHZ 。66MHZ 的 PENTIUM 微处理器的性能比 33MHZ 的 80486DX提高了 3 倍多，而 100MHZ的 PENTIUM 则比 33MHZ 的 80486DX快 6至 8 倍。PENTIUM 引起的轰动尚未结束，INTEL 公司又推出了新一代微处理器-P6 。P6含有 550万个晶体管， 时钟频率为133MHZ ， 处理速度几乎是100MHZ的 PENTIUM 的 2 倍。 P6 的一级 ( 片内) 缓存为 8KB指令和 8KB数据。值得注意的是在P6的一个封装中除P6 芯片外还包括有一名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 个 256KB的二级缓存芯片，两个芯片之间用高频宽的内部通讯总线互连。P6 最引人注目的是具有一项称为 动态执行 的创新技术，这是继PENTIUM 在超标量体系结构上实现实破之后的又一次飞跃。1997 年，在奔腾 (P54C) 和 P6 的基础上又有了新的发展，一块奔腾(P54C)，加上 57 条多媒体指令，就得到了多能奔腾(P55C) ，相对 P54C，P55C在以下几方面做了改进：(1) 支持称为 MMX 多媒体扩展的新指令集，有 57 条新指令， 用于高效地处理图形、视频、音频数据；(2) 内部 Cache从 16KB增加到 32KB 。(3) 优化了 CPU的执行核心。1998年 7 月， Intel推出了用于服务器和工作站的Pentium II 至强器（Pentium IIXeon),它采用新的P6微处理器结构，0.25 微米制造，最低主频400MHz,内部带有512K或 1M二级高速缓存。 Pentium II至强使用的是330 线的 SLOT2插槽，使L2 高速缓存与CPU主频同步运行，系统性能有很大的提高，当然，体积也比SLOT1的 Pentium II稍大。 Pentium II赛扬是 Intel在 1998 年 4 月针对低端市场发布的Pentium II 级处理器，它采用了 PII 的内核，去掉了 PII处理器上的二级缓存，从而降低了成本, 但同时也使其整数性能税减。Inter公司也意识到了这一点， 在随后推出的300MHz和 333MHz的赛扬中集成了128K二级高速缓存，虽然比 Pentium II的 512K少，但由于赛扬的128K二级缓存是与CPU同频运行的， 所以性能几乎和同主频Pentium II持平 . 有时甚至比Pentium II还要好。而其价格非常超值，只不过是同频Pentium II的二分之一， 。1999 年 1月 5 日， Intel推出了 Socket370 赛扬， 它仍然使用了Slot1架构的赛扬内核，只不过 , 采用了新的PPGA封装，降低了生产成本。1999 年 2 月 26 日， Intel正式发布了Pentium III处理器，打响了1999 年 CPU大战的第一枪。 Pentium III的内核和Pentium II大致一样，只有新增加了70 条 SSE （ Streaming SIMD Extensions,单指令对数据流扩展）指令集，使CPU的浮点运算能力得到增强，提高了CPU对浮点运算密集型应用程序的执行效率。Pentium III推出不久，Intel推出了 Pentium III至强处理器， 频率有 500MHz和 550MHz两种， 核心电压 2.0V, 使用 Slot2 插槽， L2 级 Cache 内置于片内， 有 1M 、2M或 2M以上的版本。在微处理器的市场中，虽然 Intel公司以其绝对的规模，生产能力和杰出的工作设计成为业界领袖，但它的产品还是有隙可乘的，许多具有实力的公司正挤身微处理器这一市场，向 Intel发出了强有力的挑战，AMD 的 K6-2、K6-III处理器，还有K7处理器，它们在某些方面的性能完全可以和Pentium 、Pentium III相媲美，使微处理器市场形成了一种错踪复杂的状态。2005 年至今是酷睿（core ）系列微处理器时代。“酷睿”是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所谓的能效比。微处理器的出现是一次伟大的工业革命，从 1971年到 1999年， 在短短四分之一世纪内，微处理器的发展日新月异，令人难以置信。目前的PENTIUM 比 1981 年用于第一台PC机的8088 要快 300 倍以上。可以说，人类的其它发明都没有微处理器发展得那么神速、影响那么深远。现代的微处理器已经达到了相当高的水平，芯片已经集成了十亿只晶体管，最高的时钟频率达 5GHz最先进的微处理器使用了65nm CMOS 技术。许多结构都通过采用多媒体指令扩充带来了巨大的性能提高随着应用需求和工艺技术的不断发展，单片集成电路的资源已达到现代微处理器无法用完的程度，在我看来以后CPU可能的发展趋势有以下三个方面：（1）减小晶体管体积所有的芯片都是由很多的晶体管组成的，在英特尔最新发布的Sandy Bridge中的处理器接近有十亿个晶体管组成其系统的内部构造，在芯片上晶体管的数量越多，体积越小， 就可以提升其自身的使用性能，但是目前的技术依然停留在32nm 上，所以在以后要突破这名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 个技术难关，创造出新的晶体管结构。（2）降低功耗英特尔在 2013 年推出一款新的3D 晶体管技术， 会在电脑和手机终端上进行优化和操作，但是由于英特尔Atom的处理器在使用的过程中会比ARM 更加的费电，所以在很多的移动设备终端上不会使用Atom 处理器，虽然ARM 的 CPU 构造更加简单集成，在移动终端上能够减少功耗，但是随着CPU 技术的不断进步，在新的晶体管内使用的Atom 处理器中会减少最大负荷时释放的热量，提高系统的使用性能。（3）提升移动终端的使用性能在智能手机上已经推出了40nm 的四个处理器，运行的速度非常的快。微软在发出WIN8 的 ARM 构架处理器设计的同时，英伟达也发布了八核心的ARM 处理器的生产计划，所以未来CPU的发展趋势不仅可以满足功耗低的功能要求，而且还能生产出ARM 构架的超轻薄笔记本电脑，为用户带来高速的科技体验相信在不久的将来，CPU的新发展会赶超现在的发展水平，给我们带来飞一般的体验，在现代化的21 世纪中期， CPU 的发展将会是一道亮丽的风景线！名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -