微型計算機的發展

自從1946年第一臺通用計算機誕生，計算機已由電子管時代、晶體管時代、中小規模集成電路時代，發展到了大規模、超大規模集成電路時代。微處理器已 經推出了四代產品：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。在微型計算機的發展過程中，最成功也最有影響力的是IBM　PC系 列微機，其代表機型有IBM　PC/XT、PC/AT、80386微機、80486微機、Pentium（586）微機。迄今為止，微型計算機的硬件體系 結構仍采用馮・諾依曼建立的經典結構，即微型計算機的硬件由運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設備組成。過去在大型計算機上應用的一些先進技術，如流水 線技術、虛擬存儲器技術、高速緩沖技術，已經廣泛地應用到微型計算機中。

　　1.1.1　微型計算機的發展

　　微型計算 機的核心部分是微處理器。世界上的第一個微處理器Intel　4004是1971年Intel公司研制成功的，它是一個4位微處理器。Intel　 4004可尋址4096個4位寬存儲單元（4位寬的存儲單元通常稱為半字節），其指令系統只有45條指令，用P溝道MOSFET技術制造，允許以50　 KIPS（每秒千條指令）的速度執行指令。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中。這種早期微處理器的主要問題是它的速度、字寬 度和存儲器容量不足。目前，4位微處理器在低檔應用領域中依然存在，如用于微波爐和小型控制器系統中，并且仍然可以從某些微處理器廠商那里得到它們。大部 分計算器也仍然是基于4位微處理器的，它們處理4位BCD（二進制編碼的十進制）代碼。

　　1971年末，Intel公司推出了 8008，這是4004的8位擴展型微處理器。8008可尋址的存儲器空間擴大了（16KB），并且增加了指令（總計48條），這些為它在許多高級系統中 的應用提供了機會。作為改進型，1973年Intel公司又推出了8080微處理器，8080的基本指令有70多條，性能也大大優于前一代產品。8位微處 理器的其他產品有Motorola公司于1974年推出的M6800和Zilog公司設計的Z80，它們和Intel　8080成為當時微處理器的主要產 品。

　　1978年以后，各廠家陸續研制出了16位微處理器，其代表產品是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。1983年又推出了采用Intel　8088　CPU為處理器的 IBM　PC/XT。這兩種機型的內存為1MB，支持單任務的操作系統。1984年，以Intel　80286為CPU的16位增強型PC機IBM　PC /AT上市，其內存可達到16MB，并支持多任務多用戶操作系統。上述微機具有多種靈活的尋址方式和強有力的指令系統，運算速度大大提高，直接尋址的內存 空間有了大幅度擴充。

　　20世紀80年代中期，Intel公司陸續推出80386、80486、Pentium系列32位微處理器，它們是面向超高速性能、多任務處理、網絡多媒體應用領域設計的，適用于設計高性能、多功能的現代微型計算機系統。

　 　80386微處理器于1985年10月推出。它采用1.5～1.0μm工藝，集成了27.5萬個晶體管，時鐘頻率最高達到了33MHz，數據總線和地址 總線均為32位，具有4GB的物理尋址能力。由于在芯片內部集成了分段存儲管理部件和分頁存儲管理部件，它能夠管理高達64TB的虛擬存儲空間。另外，它 還提供了虛擬8086工作方式，使得芯片能夠同時模擬多個8086微處理器，以同時運行多個8086應用程序。

　　80486微處理器于 1989年4月推出。它采用1.0～0.8μm工藝，集成了120萬個晶體管，時鐘頻率最高達到了120MHz。它除了沿用了80386的體系結構外，還 把浮點運算部件、8KB的高速緩沖存儲器Cache集成在芯片內。這種集成極大地加快了CPU處理指令的速度，使指令平均執行時間從80386的約4.5 個周期降至約1.8個周期。芯片的整數處理部件采用RISC結構，以加速處理單一指令的速度。此外，80486還引進了時鐘倍頻技術，從而使主頻可以超過 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BiCMOS工藝，集成了310萬個晶體管，時鐘頻率達到了233MHz。與80486相比，在體系上做了重大改進，采用了哈佛結構的RISC（精簡指 令集計算機），實現了多項先進技術，如超標量流水線結構、分開的代碼Cache和數據Cache（哈佛結構）、流水線式高性能浮點部件，以及增加的數據整 合和出錯檢測功能、增強的調試和測試功能等。

　　Intel公司于1996年推出了新x86系列CPUPentium　Pro。 Pentium　Pro芯片內部集成了550萬個晶體管，內部時鐘頻率為133MHz，處理速度幾乎是100MHz　Pentium的2倍。高速緩沖存儲 器Cache大小為16KB，其中8KB為指令Cache，8KB為數據Cache。主頻200MHz的Pentium　Pro　CPU的L2“二級 Cache”就是運行在200MHz時鐘頻率之下，即二級Cache與處理器同頻運行。這樣的設計使Pentium　Pro達到了很高性能。