1．3 微型计算机的发展简史——lntel CPU的发展
微型计算机简称“微型机”“微机”，也称其为“微电脑”。微型计算机是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。它的构成是以微处理器为基础，配以内存储器、输入/输出（I/O）接口电路和相应的辅助电路。
1971年世界上第一台微处理器——英特尔4004诞生，它标志着微型计算机时代的到来。由于微型计算机的性能常常是用CPU 的规格与频率来衡量的，而Intel公司的CPU 演进史几乎就等于微处理器的演进史，因此本书从Intel系列CPU 及其架构的发展来介绍微型计算机的发展。
Intel公司推出的CPU 经历过4004、8008、8080、8086、80286、80386、80486、Pentium、Pentium Pro、Pentium Ⅱ、Pentium Ⅲ、Pentium 4，以及到现今主流的酷睿系列。
第一代（1971—1973年）：4位及低档8位微处理器。1971年，Intel公司推出了世界上第一个4位微处理器Intel 4004芯片。这款微处理器虽然功能有限，每秒只能执行5万条指令，主频只有108 k Hz，还不如第一台计算机ENIAC。但它的集成度很高，一块重量不到一盎司（约28．35克）的4004芯片上集成了2 300个晶体管，Intel 4004芯片如图1．9所示。这一突破性的发明为个人计算机铺平了道路，也开启了Intel公司CPU 的发展之路。
但是Intel 4004芯片推出后，业内反应很平淡，主要是因为Intel 4004芯片的处理能力有限。1972年Intel公司推出世界上第一款8位微处理器Intel 8008。Intel 8008芯片如图1．10所示。8008的频率为200 k Hz，晶体管集成数量达到了3 500个，性能是Intel 4004的两倍，能处理8位的数据。
图1．9 Intel 4004芯片
图1．10 Intel 8008芯片
第二代（1974—1978年）：中、低档8位微处理器。典型CPU 芯片有：Intel公司的Intel 8080、Intel 8085。1974年Intel公司推出的CPU 芯片Intel 8080，立刻引起了业界的轰动。Intel 8080芯片的指令执行速度是Intel 8008的10倍，晶体管集成数量为6 000个，频率为2 MHz。1974年第一台PC MITS Altair 8800选择了Intel 8080作为其微处理器。用户仅仅花费350美元就可以购买Altair。短短数月，Altair的销量达到了数万台。
第三代（1978—1983 年）16 位微型计算机的发展阶段，微处理器有Intel 8086、Intel 8088、Intel 80286。1978年，Intel公司推出了首枚16位微处理器Intel 8086，Intel 8086芯片如图1．11所示。时钟频率达到4～8 MHz。它与上一代产品最大的区别就在于它是一颗16位的微处理器。同一年Intel公司在Intel 8086的基础上推出了Intel 8088处理器，它们都集成了29 000个晶体管。与Intel 8086拥有内部与外部均为16位的数据总线不同，Intel 8088内部数据总线是16位，但外部数据总线是8位。
1982年，Intel 80286问世，这是Intel最后一片16位CPU。Intel 80286芯片如图1．12所示。该芯片虽然还是16 位数据总线，但是集成了13．4 万个晶体管。时钟频率达到10 MHz。CPU 速度比Intel 8086提高了5倍多。从80286开始，CPU 的工作方式也演变出两种来：实模式和保护模式。实模式是指80286向后兼容8086的指令，保护模式是指增加部分新指令的工作模式。
图1．11 Intel 8086芯片
图1．12 Intel 80286芯片
第四代（1983—2000年）：主要是字长为32位的微处理器。这一阶段Intel公司推出的典型的微处理器芯片有：80386、80486、Pentium、Pentium Ⅱ、Pentium Ⅲ及Pentium 4等。1985年，Intel公司32位CPU 的第一代产品Intel 80386（图1．13）诞生。它的工作频率达到25 MHz，集成了27．5万个晶体管，超过了Intel 4004芯片的100倍，每秒可以处理500万条指令。1989年，Intel 80486芯片推出，它突破了100万个晶体管的界限。集成了120万个晶体管。Intel 80486 的时钟频率从Intel 80386 的25 MHz逐步提高到33 MHz、50 MHz。而且该芯片也是第一款具有“多任务”能力的处理器，即它可以同时处理多个程序的指令。
1993年，Intel公司推出了新一代CPU，但是这一代CPU 并没有按照惯例继80486以后用80586进行命名，而是采用Pentium 来命名新一代的CPU，Intel公司还替它起了一个中文名字“奔腾”，Intel Pentium 芯片如图1．14所示。它包含了310万个以上的晶体管，内置16KB的一级高速缓冲存储器，奔腾系列CPU 的时钟频率由最初的60 MHz和66 MHz到后来的200 MHz。
图1．13 Intel 80386芯片
图1．14 Intel Pentium 芯片
第五代（2000年至今）：出现了字长为64位的微处理器芯片。2000年Intel推出的微处理器Itanium（安腾），安腾是专门用在高端企业级64位计算环境中的。2006年英特尔公司继使用长达12年之久的“奔腾”处理器之后推出酷睿（Core）系列，Intel先推出的酷睿一代用于移动计算机，上市不久即被酷睿2代所取代。酷睿2代包括“Core 2 Duo”双核和“Core 2 Quad”四核处理器，Core 2 Duo在单个芯片上封装了2．91亿个晶体管，核心尺寸为143平方毫米。从2010年开始又逐渐推出了Core i3、Core i5、Core i7三个品牌的CPU。Core i3的CPU 部分采用双核心四个线程，晶体管数量达到3．82亿个，核心面积为81平方毫米，三级缓存为4 MB；Core i5采用四核四线程，晶体管集成数量为5．04亿个，核心面积为131平方毫米，依旧采用整合内存控制器，三级缓存达到8 MB；相比Core i3主要增加了睿频技术，即可以在不同负载下主频动态变化，能达到较好的节能效果。Core i7 处理器具有4 核心＋8 线程（Extreme系列则拥有6核心＋12线程）、高主频、超大容量三级缓存等特性，晶体管数量集成到了7．74亿个，核心面积为296 平方毫米，在缓存方面也采用了三级内含式高速缓冲存储器设计，一级高速缓冲存储器的设计和酷睿微架构一样；二级高速缓冲存储器采用超低延迟的设计，每个内核256 KB；三级高速缓冲存储器采用共享式设计，被片上所有内核共享，容量为4～20 MB。Intel Core i3芯片如图1．15所示。
图1．15 Intel Core i3芯片
Intel CPU 系列芯片性能如表1．1所示。微型计算机在社会上大量应用后，一座办公楼、一所学校、一个仓库常常拥有数十台以至数百台计算机，实现它们互连的网络随之兴起，进一步发展到多人使用多台计算机的网络计算时代，即后PC时代。
表1．1 Intel公司主要CPU 参数
