原创微处理器史话

 2007-6-9 15:45  3283 2 2 分类: MCU/ 嵌入式

    1946年在美国宾夕法尼亚大学由J.W.Mauchley及J.P.Eckert等人合作研制成功世界上第一台由程序控制的电子计算机ENIAC(Electronic Numcrical Integrator And Calculator)诞生，标志着人类进入了电子计算机时代，它的字长为12位，使用了18800多只电子管和1500只继电器，它的体积有一座房子那么大，占地150m²，重量30多吨，耗资百万美元，耗电量需要由一个小型发电厂供电(150kW)，这便是第一台电子计算机，这样一台庞然大物，当时的运算能力只有每秒钟5000次的加法运算，但它对后来几十年计算机的发展影响是深远的，例如程序存储和数字编码技术为以后的计算机发展奠定了技术基础。
    1946--1958年计算机的组成仍以电子管为主，计算机的内存储器先是采用了汞延迟线，后来采用了磁鼓和磁芯，由于磁带记录技术已经成熟，所以外存储已经使用了磁带记录器，软件普遍采用机器语言，后期才开始使用汇编语言，主要应用于科学计算。
    1958--1964年，晶体管的诞生带动了计算机技术的发展，计算机逐步以晶体管取代了电子管，逻辑元件基本上采用了体积小耗电省的晶体管，内存储器仍采用磁芯，但外存储器已开始使用磁盘，软件也开始出现了一些高级语言，以科学计算、数据处理及一些工业控制为主要应用。

1969年，INTEL公司受日本Busicom计算器公司委托，要求为其一个计算器研制一套程序控制器(如左图)，Busicom公司提出一个方案是采用12片专用的集成芯片，而INTEL公司的一位叫Ted hoff的电气工程师则大胆地提出了一种新的理念，即采用通用型的数据处理芯片，正是这一理论带来了微处理器的诞生。

随着集成电路的产生，集成度朝着中规模方向发展，使得计算机也朝着小型化、微型化方向发展，1971年，INTEL公司发布了具有4位并行处理能力的微处理器4004(如右图)，标志着人类史上第一块微处理器诞生，它内部集成了约2000多个晶体管，采用P-MOS工艺技术制造，虽然的它的面积不足1cm²，但它却具有比ENIAC强大的计算能力，同时开创了集成电路计算机的新时代。

虽然在中规模集成电路单片上的4004还不能算是一台完善的电子计算机，但它集成了作为中央处理单元大量的逻辑电路，一块集成芯片代替了电子管或晶体管时代构成计算机的几千个单元电路。4004虽然只包含了46条基本指令，系统相对简单，但作为简单的控制还是合适，因为当时并非需要太复杂的算术运算，况且在当时并不容易找到可编程的逻辑器件。

由于4004采用的是P-MOS(P沟道金属氧化物半导体)工艺制造，工作频率低，用于构成真正的计算机，功能仍很差，为此，INTEL公司于1972年发布了第二代微处理器8008，8008仍沿用4004的P-MOS生产工艺，集成了3500个晶体管，但它的数据宽度已经提高到了8位，指令也增加到了48条，所以8008比起4004指令进行周期明显加快，并允许8位的操作数，同时8008可寻址16384个存储单元，具备7个寄存器、存储器堆栈以及简单的中断功能，形成了现代微处理器的雏形。

8008与4004的指令系统并不兼容，但8008发布以后，很快投放市场，并在其它领域获得应用。

1973年,INTEL公司又相继发布了8080微处理器，可以这样说，8080是8008的升级改进型，指令系统兼容8008微处理器，8008上的软件基本上都可以在8080上运行。更骄傲的是8080放弃了以前处理器所使用的P-MOS生产工艺，改用全新的N-MOS生产技术，从而使处理器的运行速度有了质的飞跃，达到了2MHz，两个8位操作数的加法运算速度达到了50万次/每秒。显然，8080比8008的数据传送周期短了许多。

8080硬件上在8008的基础上作了很大的改进，存储器的寻址空间达到了64k，为克服CPU内部的7级堆栈的限制，8080在存储器本身也设置了堆栈。此外，CPU还具备了处理BCD码的能力，即可以实现两个BCD码间的加法操作。另外，8080还具备允许对外部存储器进行直接寻址的扩展寻址能力，这使其得到更广泛的应用。
8080的研制成功，并广泛投放市场之后，微处理器才真正在电子领域得到了应用，8080比8008多了30条指令,达到了78条，使该处理能力进一步加强。

1976年，INTEL公司在8080的基础上又推出了几个增强型微处理器芯片，8085在原基础上增加了输入输出功能，使之的电源供电和时钟源更为简化，只需单一的时钟和电源，在此之前，4004和8080均需要两到三个电源或时钟源，这使得它们的硬件电路复杂。增加了输入输出功能使之能连接多种外围设备，如可编程、中断控制器和CRT控制器等几个插件都可以适应更多的应用，并且8085具有更强的计算处理能力和更快的运算速度。

8085兼容8080指令系统，原来在8080上的软件完全可以在8085上运行，在8080指令系统的基础上仅新增了两条指令，一是“读”串行和中断数据指令，而是“写”串行和中断数据指令，显然8085在8080的版本上作了许多改进，使之功能进一步增强。

8085的高位机种，16位的8086(如左图)于1978年开发出来，它在性能上有了更大的提高，不久，INTEL公司又发布了8088，8088除了外部数据总线为8位外，其它与8086是一致的，同样具有16位数据的处理能力，并且8086已被广泛应用于个人电脑上，晶体管的集成度已达到了29000个，运行速度达到了10MHz，应当说8086是现代个人电脑微处理器的最初架构。

8086和性能上的提高取决于系统结构和工艺技术的改进，它们采用了新的硅栅H-MOS技术，使用4微米的工艺制造，并在场效应管置上偏置以提高晶体管的工作速度，开关速度近似于STTL(Schottky TTL电路)，达到了2ns，它们的时钟频率可达5-10MHz。

1981年,美国IBM公司采用了8088微处理器推出了个人电脑PC(personal computer)，即我们熟悉的IBM PC和IBM PC/XT机，此个人电脑的最大特点是，其基本软件(如操作系统和BASIC)是由其他厂商引进的，当时IBM公司已经注重了软件的兼容性，后来为IBM PC/XT机配置的软件日益增多，从而使IBM PC/XT机得到进一步的发展，以至后来出现了所谓的IBM兼容机产业。

随后，INTEL公司又相继发布了80186性能更胜一筹的16位微处理器，1982年80286(如左图)隆重登场，这是计算机发展史上重要的里程碑，80286最主要的特征是它完全兼容以前推出微处理器所用的程序，正是它的诞生预示着真正个人电脑时代的到来，经过数年的销售，80286微处理器个人电脑超过了1500万台。

80286属于超大规模集成电路，集成的晶体管数达到13万只，工作频率最高也达到了12.5MHz。80286虽然与现在的Pentium(奔腾)的P4相比，性能相差甚远，但当时的286电脑却是贵族的奢侈品哦！

1985年,INTEL公司开发出了32位微处理器80386，它是第一个可以同时处理多个任务的微处理器，由于它的数据宽度扩充到了32位，运算处理速度就不是以前16位微处理器可同日而语，同时它的集成度也比8028翻了一番，达到27万只晶体管/片，工作频率也更高，达到33MHz，这些性能的提高均依赖于微电子工业超大规模集成电路技术工艺的进步。虽然80386微处理器已广泛应用于家用个人电脑，但是，当时的销售价格仍然很高，还是难以进入发展中国家的平民百姓家庭，大多数作为企事业单位的办公设备。

80386及以前的个人电脑，均以命令方式进行人机对话，这从一定程度上限制了个人电脑的普及，聪明的人们开始把命令模式向图形界面操作模式转变，由于图形操作界面需要的微处理器运算速度更快，处理能力更强，INTEL公司于1989年发布的40486被广泛地应用于个人电脑，80486比起80386有了更长足进步，集成度高达120万晶体管，运行频率也比80386高了一倍多，达75MHz，这样的性能在当时的年代却是相当喜人的。正是微处理器性能的不断提升，个人电脑才真正走进了平民百姓家。

1992年，INTEL公司的微处理器又上了一个新台阶，发布了新一代的微处理器Pentium，这一新型处理器，INTEL公司没有命名为80586，而是Pentium（中文的译音为“奔腾”），正是这一响亮的名字，使INTEL公司的个人电脑的微处理器今后获得了飞速的发展。
Pentium微处理器比起80486有着更强的功能，更快的速度，集成度已达到了300多万个晶体管，主频达到了75MHz。这个时期，已有Cristy公司和AMD公司相继的微处理器与INTEL公司抢占家用电脑的微处理机器市场，如5x86和k5系列等等。

随着图形操作软件的不断推出和多媒体处理的需要，要求微处理器的处理功能更强，运算速度更快，特别对是浮点运算性能要求更高，1996年INTEL公司发布了性能优越的微处理器，例如PentiumMMX166和MMX233（MMX意为多媒体扩展指令集），MMX曾被玩家们戏称为“妈妈叉”，Pentiu166被称之为“黑金刚”。同时AMD公司也欲与INTEL公司分享一杯美羹，推出了高性价比的K6系列微处理器。

1997年，INTEL公司又发布了PentiumII处理器，集成度达到了惊人的750万个晶体管，主频更高达450MHz，性能更高，功能更强。同时PentiumII还一改过去的封装形式，采用SEC（单边接触的封装方式，如左图），插座接口自然也由原来的socket7该成了socket1。这个时候，Microsoft公司的Windows95操作系统已经占据了个人电脑操作系统的大半江山，家用电脑时代迎来了又一个春天。

1997年，INTEL公司的新一代微处理器PentiumIII隆重登场，这一新型处理器采用P6动态执行架构，主频从具450MHz-1.3GHz，外频达133MHz，多任务系统总线及MMX^TM 媒体增强技术，完全可以胜任商用、Internet和娱乐需要。是一款理想的家用和商用处理器。
同时，INTEL公司为与AMD公司争夺微处理器的低价市场，推出了赛扬(Celeron)系列低价位处理器。赛扬系列处理器除了外频稍低，内部Cache容量稍小外，其他与PentiumIII没有多大区别，真可谓穷人的“宝马”，特别是其出群超频性能，电脑玩家玩得不亦乐乎！

2000年以后，INTEL的微处理制造技术到了登峰造极的地步，相继发布了1.4-3.06GHz系列超高速处理器，系统总线更高达400Mhz和533MHz！512kB的高速二级缓存，采用INTEL公司的Netburst^TM 微体系结构，0.13nm制程。Pentium4处理器可为您提供卓越的性能和系统响应性能，支持当今音视频数据流、游戏，图象等多媒体处理和多任务操作。
2002年春季，INTEL首席执行官贝瑞特在美国的旧金山会展中心宣布：不久的将来，INTEL将推出集成20亿个晶体管，运行频率达30GHz的新一代CPU。而新一代的桌面CPU—Prescott，基于NetBrust架构，采用90nm技术制造，这个产品将于2003年下半年投放市场。