微型计算机的发展

自从1946年第一台通用计算机诞生，计算机已由电子管时代、晶体管时代、中小规模集成电路时代，发展到了大规模、超大规模集成电路时代。微处理器已 经推出了四代产品：4位微处理器、8位微处理器，16位微处理器和32位以上微处理器。在微型计算机的发展过程中，最成功也最有影响力的是IBM　PC系 列微机，其代表机型有IBM　PC/XT、PC/AT、80386微机、80486微机、Pentium（586）微机。迄今为止，微型计算机的硬件体系 结构仍采用冯・诺依曼建立的经典结构，即微型计算机的硬件由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备组成。过去在大型计算机上应用的一些先进技术，如流水 线技术、虚拟存储器技术、高速缓冲技术，已经广泛地应用到微型计算机中。

　　1.1.1　微型计算机的发展

　　微型计算 机的核心部分是微处理器。世界上的第一个微处理器Intel　4004是1971年Intel公司研制成功的，它是一个4位微处理器。Intel　 4004可寻址4096个4位宽存储单元（4位宽的存储单元通常称为半字节），其指令系统只有45条指令，用P沟道MOSFET技术制造，允许以50　 KIPS（每秒千条指令）的速度执行指令。4位微处理器用于早期的视频游戏和基于微处理器的小型控制系统中。这种早期微处理器的主要问题是它的速度、字宽 度和存储器容量不足。目前，4位微处理器在低档应用领域中依然存在，如用于微波炉和小型控制器系统中，并且仍然可以从某些微处理器厂商那里得到它们。大部 分计算器也仍然是基于4位微处理器的，它们处理4位BCD（二进制编码的十进制）代码。

　　1971年末，Intel公司推出了 8008，这是4004的8位扩展型微处理器。8008可寻址的存储器空间扩大了（16KB），并且增加了指令（总计48条），这些为它在许多高级系统中 的应用提供了机会。作为改进型，1973年Intel公司又推出了8080微处理器，8080的基本指令有70多条，性能也大大优于前一代产品。8位微处 理器的其他产品有Motorola公司于1974年推出的M6800和Zilog公司设计的Z80，它们和Intel　8080成为当时微处理器的主要产 品。

　　1978年以后，各厂家陆续研制出了16位微处理器，其代表产品是Intel　8086/8088和Intel　80286。 1982年，IBM公司推出了以Intel　8086　CPU为处理器的IBM　PC机。1983年又推出了采用Intel　8088　CPU为处理器的 IBM　PC/XT。这两种机型的内存为1MB，支持单任务的操作系统。1984年，以Intel　80286为CPU的16位增强型PC机IBM　PC /AT上市，其内存可达到16MB，并支持多任务多用户操作系统。上述微机具有多种灵活的寻址方式和强有力的指令系统，运算速度大大提高，直接寻址的内存 空间有了大幅度扩充。

　　20世纪80年代中期，Intel公司陆续推出80386、80486、Pentium系列32位微处理器，它们是面向超高速性能、多任务处理、网络多媒体应用领域设计的，适用于设计高性能、多功能的现代微型计算机系统。

　 　80386微处理器于1985年10月推出。它采用1.5～1.0μm工艺，集成了27.5万个晶体管，时钟频率最高达到了33MHz，数据总线和地址 总线均为32位，具有4GB的物理寻址能力。由于在芯片内部集成了分段存储管理部件和分页存储管理部件，它能够管理高达64TB的虚拟存储空间。另外，它 还提供了虚拟8086工作方式，使得芯片能够同时模拟多个8086微处理器，以同时运行多个8086应用程序。

　　80486微处理器于 1989年4月推出。它采用1.0～0.8μm工艺，集成了120万个晶体管，时钟频率最高达到了120MHz。它除了沿用了80386的体系结构外，还 把浮点运算部件、8KB的高速缓冲存储器Cache集成在芯片内。这种集成极大地加快了CPU处理指令的速度，使指令平均执行时间从80386的约4.5 个周期降至约1.8个周期。芯片的整数处理部件采用RISC结构，以加速处理单一指令的速度。此外，80486还引进了时钟倍频技术，从而使主频可以超过 100MHz。

　　Pentium是Intel公司于1993年推出的全新一代高性能x86系列微处理器。它采用0.8～0.6μm的静 态BiCMOS工艺，集成了310万个晶体管，时钟频率达到了233MHz。与80486相比，在体系上做了重大改进，采用了哈佛结构的RISC（精简指 令集计算机），实现了多项先进技术，如超标量流水线结构、分开的代码Cache和数据Cache（哈佛结构）、流水线式高性能浮点部件，以及增加的数据整 合和出错检测功能、增强的调试和测试功能等。

　　Intel公司于1996年推出了新x86系列CPUPentium　Pro。 Pentium　Pro芯片内部集成了550万个晶体管，内部时钟频率为133MHz，处理速度几乎是100MHz　Pentium的2倍。高速缓冲存储 器Cache大小为16KB，其中8KB为指令Cache，8KB为数据Cache。主频200MHz的Pentium　Pro　CPU的L2“二级 Cache”就是运行在200MHz时钟频率之下，即二级Cache与处理器同频运行。这样的设计使Pentium　Pro达到了很高性能。