微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展

自從1946年第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)誕生，計(jì)算機(jī)已由電子管時(shí)代、晶體管時(shí)代、中小規(guī)模集成電路時(shí)代，發(fā)展到了大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路時(shí)代。微處理器已 經(jīng)推出了四代產(chǎn)品：4位微處理器、8位微處理器，16位微處理器和32位以上微處理器。在微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，最成功也最有影響力的是IBM　PC系 列微機(jī)，其代表機(jī)型有IBM　PC/XT、PC/AT、80386微機(jī)、80486微機(jī)、Pentium（586）微機(jī)。迄今為止，微型計(jì)算機(jī)的硬件體系 結(jié)構(gòu)仍采用馮・諾依曼建立的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，即微型計(jì)算機(jī)的硬件由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出設(shè)備組成。過(guò)去在大型計(jì)算機(jī)上應(yīng)用的一些先進(jìn)技術(shù)，如流水 線技術(shù)、虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)、高速緩沖技術(shù)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到微型計(jì)算機(jī)中。

　　1.1.1　微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展

　　微型計(jì)算 機(jī)的核心部分是微處理器。世界上的第一個(gè)微處理器Intel　4004是1971年Intel公司研制成功的，它是一個(gè)4位微處理器。Intel　 4004可尋址4096個(gè)4位寬存儲(chǔ)單元（4位寬的存儲(chǔ)單元通常稱為半字節(jié)），其指令系統(tǒng)只有45條指令，用P溝道MOSFET技術(shù)制造，允許以50　 KIPS（每秒千條指令）的速度執(zhí)行指令。4位微處理器用于早期的視頻游戲和基于微處理器的小型控制系統(tǒng)中。這種早期微處理器的主要問(wèn)題是它的速度、字寬 度和存儲(chǔ)器容量不足。目前，4位微處理器在低檔應(yīng)用領(lǐng)域中依然存在，如用于微波爐和小型控制器系統(tǒng)中，并且仍然可以從某些微處理器廠商那里得到它們。大部 分計(jì)算器也仍然是基于4位微處理器的，它們處理4位BCD（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制）代碼。

　　1971年末，Intel公司推出了 8008，這是4004的8位擴(kuò)展型微處理器。8008可尋址的存儲(chǔ)器空間擴(kuò)大了（16KB），并且增加了指令（總計(jì)48條），這些為它在許多高級(jí)系統(tǒng)中 的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。作為改進(jìn)型，1973年Intel公司又推出了8080微處理器，8080的基本指令有70多條，性能也大大優(yōu)于前一代產(chǎn)品。8位微處 理器的其他產(chǎn)品有Motorola公司于1974年推出的M6800和Zilog公司設(shè)計(jì)的Z80，它們和Intel　8080成為當(dāng)時(shí)微處理器的主要產(chǎn) 品。

　　1978年以后，各廠家陸續(xù)研制出了16位微處理器，其代表產(chǎn)品是Intel　8086/8088和Intel　80286。 1982年，IBM公司推出了以Intel　8086　CPU為處理器的IBM　PC機(jī)。1983年又推出了采用Intel　8088　CPU為處理器的 IBM　PC/XT。這兩種機(jī)型的內(nèi)存為1MB，支持單任務(wù)的操作系統(tǒng)。1984年，以Intel　80286為CPU的16位增強(qiáng)型PC機(jī)IBM　PC /AT上市，其內(nèi)存可達(dá)到16MB，并支持多任務(wù)多用戶操作系統(tǒng)。上述微機(jī)具有多種靈活的尋址方式和強(qiáng)有力的指令系統(tǒng)，運(yùn)算速度大大提高，直接尋址的內(nèi)存 空間有了大幅度擴(kuò)充。

　　20世紀(jì)80年代中期，Intel公司陸續(xù)推出80386、80486、Pentium系列32位微處理器，它們是面向超高速性能、多任務(wù)處理、網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，適用于設(shè)計(jì)高性能、多功能的現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　 　80386微處理器于1985年10月推出。它采用1.5～1.0μm工藝，集成了27.5萬(wàn)個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率最高達(dá)到了33MHz，數(shù)據(jù)總線和地址 總線均為32位，具有4GB的物理尋址能力。由于在芯片內(nèi)部集成了分段存儲(chǔ)管理部件和分頁(yè)存儲(chǔ)管理部件，它能夠管理高達(dá)64TB的虛擬存儲(chǔ)空間。另外，它 還提供了虛擬8086工作方式，使得芯片能夠同時(shí)模擬多個(gè)8086微處理器，以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)8086應(yīng)用程序。

　　80486微處理器于 1989年4月推出。它采用1.0～0.8μm工藝，集成了120萬(wàn)個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率最高達(dá)到了120MHz。它除了沿用了80386的體系結(jié)構(gòu)外，還 把浮點(diǎn)運(yùn)算部件、8KB的高速緩沖存儲(chǔ)器Cache集成在芯片內(nèi)。這種集成極大地加快了CPU處理指令的速度，使指令平均執(zhí)行時(shí)間從80386的約4.5 個(gè)周期降至約1.8個(gè)周期。芯片的整數(shù)處理部件采用RISC結(jié)構(gòu)，以加速處理單一指令的速度。此外，80486還引進(jìn)了時(shí)鐘倍頻技術(shù)，從而使主頻可以超過(guò) 100MHz。

　　Pentium是Intel公司于1993年推出的全新一代高性能x86系列微處理器。它采用0.8～0.6μm的靜 態(tài)BiCMOS工藝，集成了310萬(wàn)個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率達(dá)到了233MHz。與80486相比，在體系上做了重大改進(jìn)，采用了哈佛結(jié)構(gòu)的RISC（精簡(jiǎn)指 令集計(jì)算機(jī)），實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，如超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)、分開(kāi)的代碼Cache和數(shù)據(jù)Cache（哈佛結(jié)構(gòu)）、流水線式高性能浮點(diǎn)部件，以及增加的數(shù)據(jù)整 合和出錯(cuò)檢測(cè)功能、增強(qiáng)的調(diào)試和測(cè)試功能等。

　　Intel公司于1996年推出了新x86系列CPUPentium　Pro。 Pentium　Pro芯片內(nèi)部集成了550萬(wàn)個(gè)晶體管，內(nèi)部時(shí)鐘頻率為133MHz，處理速度幾乎是100MHz　Pentium的2倍。高速緩沖存儲(chǔ) 器Cache大小為16KB，其中8KB為指令Cache，8KB為數(shù)據(jù)Cache。主頻200MHz的Pentium　Pro　CPU的L2“二級(jí) Cache”就是運(yùn)行在200MHz時(shí)鐘頻率之下，即二級(jí)Cache與處理器同頻運(yùn)行。這樣的設(shè)計(jì)使Pentium　Pro達(dá)到了很高性能。