PC个人电脑技术发展30年历程回顾展望.docx
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PC个人电脑技术发展30年历程回顾展望
PC个人电脑技术发展30年历程回顾展望
来源:
网络整理【编译】2011-08-12作者:
谢平
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第一台个人电脑IBM5150登场
30年前的1981年8月12日,在纽约WaldorfAstoria舞厅的发布会上,IBM推出了世界上第一台个人电脑——IBM5150。
恰好时隔30年,我们对30年以来的PC和处理器技术进行了简要回顾,同时展望了未来PC技术的发展潮流,相信通过今天的回顾和展望,能够让大家对这30年PC技术发展有一个较为清晰的认识。
世界上第一台个人电脑——IBM5150
首先,让我们来来了解IBM5150。
1980年代初期,市场上存在大量不同标准的个人电脑,例如Apple机、TRS-80机、日本的PC-9801机等。
1981年8月,IBM推出了IBMPC。
它是IBM佛罗里达州博喀拉藤(BocaRaton)的一组工程师和设计师在唐·埃斯特利奇(DonEstridge)的领导下设计的。
“个人电脑”这个称呼最早用来描写1972年施乐帕洛阿尔托研究中心研制的XeroxAlto型电脑,到1981年前这个称呼已经相当普遍,但是由于IBMPC的巨大成功,此后这个词几乎只被用在与IBM标准兼容的微型计算机了。
图二:
IBM5150主板
这台重达11.34公斤的PC,当时标价1565美元,相当于今天的3500美元。
其硬件在今天也是超乎想像的:
16KB的内存,16位、4.77MHz的Intel8088处理器。
图三、IBM51505.25寸软驱和DOS系统软盘
最初的IBM个人电脑的ROM里装有MicrosoftBASIC。
其彩色图形适配器可以使用普通的电视机作为图像输出设备,或者使用单色显示适配器和5151型单色荧光屏。
标准存储器是卡式录音带,软盘驱动器可以另外附加,不能使用硬盘。
它只有五个扩展槽,使用IBM元件的话最高内存量为256kB,64kB在主机板上,额外的内存可以通过装三块64kB的扩展板装上。
微处理器是Intel8088,执行频率为4.77MHz。
通过使用NECV20作为处理器可以稍微提高其处理速度。
通过添加Intel8087辅助处理器可以提高其数学处理能力。
IBM出售的PC一般事先装好了16kB或64kBRAM(采用9、36或16kBDRAM芯片)。
图四、IBM5150键盘。
质量非常高,其质量要求在于每个键可以承受上亿次打击。
值得注意的是,IBM为产品配备了详细的说明书,目的是为了每个用户“可以在几小时能学会使用电脑”。
在当初科技界封闭的环境下,IBM能打破常规是令人敬仰的。
正基于此,IBM在PC领域引领了一系列行业标准。
在1982年,IBMPC荣获《时代》杂志“年度人物”奖。
图五、IBM5150;推出日期:
1981年8月12日;操作系统:
IBMBASIC/PC-DOS1.0CP/M-86UCSDp-System中央处理器 Intel8088@4.77MHz内存 16kB~256kB
有“IBMPC之父”之称的IBM个人电脑部门总裁唐·埃斯特利奇(PhilipDonEstridge)和他的妻子于1985年8月2日死于达美航空191号班机空难。
此外还有两名IBM的暑期实习生和六名家属。
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x86架构的鼻祖:
8086
开山鼻祖8086外接数学辅助处理器:
虽然第一台PC用的是8088处理器,不过PC技术的起源应该追溯到上世纪70年代末,真正在个人电脑上有重要影响的处理器莫过于Intel8086,它是一个由Intel于1978年所设计的16位微处理器芯片,是x86架构的鼻祖。
x86架构的鼻祖:
8086处理器
外接数学协处理器增强浮点计算
8086处理器的时钟频率介于4.77MHz(在原先的IBMPC)和10MHz之间。
8086没有包含浮点指令部分(FPU),但是可以通过外接数学辅助处理器来增强浮点计算能力,也就是Intel8087,它是标准版本。
搭配使用的数学协处理器i8087
当年数学味道特别浓的i8087包装
8086微处理器最高主频速度为8MHz,具有16位数据通道,内存寻址能力为1MB。
同时,英特尔还生产出与之相配合的数学协处理器i8087,这两种芯片使用相互兼容的指令集,但intel8087指令集中增加了一些专门用于对数、指数和三角函数等数学计算的指令。
人们将这些指令集统一称之为x86指令集。
8086处理器和i8087搭配使用
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80386开始搭配L1Cache
从8086之后,Intel后续推出了8088、80286等重要产品,它的结构和8086基本相似,在频率性能方面有进一步提升。
而到1985年,Intel第一种32位微处理器80386,它除具有实模和保护模式外,还增加了一种叫虚拟86的工作方式,可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。
80386
同样当时80386没有完善和强大的浮点运算单元,但配上80387协处理器,80386就可以顺利完成AutoCAD等需要大量浮点运算的任务,从而顺利进入了主流的商用电脑市场。
另外,30386还有其他丰富的外围配件支持,如82258(DMA控制器)、8259A(中断控制器)、8272(磁盘控制器)、82385(Cache控制器)、82062(硬盘控制器)等。
80387协处理器
针对内存的速度瓶颈,英特尔为80386设计了高速缓存(Cache),采取预读内存的方法来缓解这个速度瓶颈。
本来最初的设计,80386将内置L1Cache,但由于工艺、成本、工期等等方面的限制,80386最后并没有内置L1Cache,而是将专门开发的L1Cache芯片放置在CPU之外的主板上,但从此以后,Cache就和CPU成为了如影随形的东西。
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486集成L1cache/浮点单元
Inteli486(又称486,80486)是Intel公司的一款CISC架构的x86CPU。
i486的前身是Intel80386处理器。
从软件的观点来看,i486家族的指令集与80386非常相似,只有增加少量的指令。
不过从硬件的观点来看,i486的结构有很大的突破。
它有内置数据高速缓存芯片,一个浮点运算处理器(只有DX型才拥有)和多重管线。
在最佳的条件下,i486的核心可以提供一个时间周期内处理一个指令。
这会提供大约二倍同时钟频率的80386的性能。
然而,有些低等级的i486实际上会比最高速的386还要慢,这在i486SX型会格外的明显。
80486CPU内部集成了一个数据/指令混合型cache称为高速缓冲存储器管理部件CU(cacheunit)。
在绝大多数的情况下,CPU都能在片内cache中存取数据和指令,减少了CPU的访问时间。
在与80486DX配套的主板设计中,采用128KB~256KB的大容量二级cache来提高cache的命中率,片内cache(L1cache)与片外cache(L2cache)合起来的命中率可达98%。
CPU片内总线宽度高达128位,总线接口部件将以一次16个字节的方式在cache和内存之间传输数据,大大提高了数据处理速度。
80486CPU中的cache部件与指令预取部件紧密配合,一旦预取代码未在cache中命中,BIU就对cache进行填充,从内存中取出指令代码,同时送给cache部件和指令预取部件。
25MHzi486于1989年4月问世,其次33MHz的版本在1990年5月出现,然后50MHz在1991年6月出现。
i486的型号
Intel80486SX-没有浮点运算处理器FPU支持的i486。
由于早期的i486的FPU具有缺陷而将FPU功能关起来,但后期为了降低成本和减少芯片面积而将FPU完整拿掉。
Intel80486DX-具有FPU的i486。
Intel80486DX2-以2倍倍频来运行的处理器。
Intel80486SX2-与i486DX2相同,但是没有FPU功能。
Intel80486SL-低耗电的i486DX,主要用于可携式电脑。
Intel80486SL-NM-低耗电的i486SX。
Intel80487-给予i486SX使用的运算处理器。
Intel80486OverDrive-内部运算速度比较快的处理器。
Intel80486DX4-以3倍倍频来运行的处理器(不是4倍)。
i486的时钟频率有16、20、25、33、40、50、66、75、100MHz。
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PentiumPro:
集成L2Cache
Pentium:
缓存加大
继承着80486大获成功的东风,赚大笔美金的Intel在1993年推出了全新一代的高性能处理器——Pentium。
由于市场竞争越来越趋向于激烈化,Intel觉得不能再让AMD和其他公司用同样的名字来抢自己的饭碗了,于是提出了商标注册,由于在美国的法律里是不允许用阿拉伯数字注册的,于是Intel玩了个花样,用拉丁文去注册商标。
“Pentium”在拉丁文里面就是“五”的意思。
Intel公司还替它起了一个相当好听的中文名字——奔腾。
初期PentiumCPU里面都已经内置了16K的一级缓存,这样使它的处理性能更加强大。
后期容量变成两倍为32KB,并且加入了令大家耳熟能详的MMX指令。
PentimuPro:
集成L2Cache
初步占据了一部分CPU市场的Intel并没有停下自己的脚步,在其他公司还在不断追赶自己的奔腾之际,又在1996年推出了第六代异常经典X86系列CPU:
P6架构。
P6只是它的研究代号,上市之后P6有了一个非常响亮的名字叫PentimuPro。
PentimuPro的内部含有高达550万个的晶体管,内部时钟频率为133MHZ,处理速度几乎是100MHZ的PENTIUM的2倍。
PentimuPro的一级(片内)缓存为8KB指令和8KB数据。
值得注意的是在PentimuPro的一个封装中除PentimuPro芯片外还包括有一个256KB的二级缓存芯片,两个芯片之间用高频宽的内部通讯总线互连,处理器与高速缓存的连接线路也被安置在该封装中,这样就使高速缓存能更容易地运行在更高的频率上。
PentiumPro200MHzCPU的L2CACHE就是运行在200MHZ,也就是工作在与处理器相同的频率上。
这样的设计领PentiumPro达到了最高的性能。
而PentimuPro最引人注目的地方是它具有一项称为“动态执行”的创新技术,这是继PENTIUM在超标量体系结构上实现实破之后的又一次飞跃。
PentimuPro系列的工作频率是150/166/180/200,一级缓存都是16KB,而前三者都有256KB的二级缓存,至于频率为200的CPU还分为三种版本,不同就在于他们的内置的缓存分别是256KB,512KB,1MB。
同样集成L2CACHE的桌面PentiumII:
P6架构是原本用于服务器的架构,为了和竞争对手进行有力竞争,Intel在PentiumII上采用了P6架构,同样以前集成在主板上的二级缓存被移植到了CPU内,从而大大地加快了数据读取和命中率,提高了性能。
与Pentium及PentiumPro处理器不同,PentiumII使用一种插槽式设计。
处理器芯片与其他相关芯片皆在一块类似子卡的电路板上,而电路板上有一块塑胶盖,有时也有一风扇。
PentiumII也把L2放到这电路板上,但只运行处理器频率一半的速度。
此举增加处理器的良率,从而减低制作成本。
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K6-2:
拥有64Kb一级缓存
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由于Intel在Pentium时代已经结束了转让授权的策略,所以其他处理器厂商只能自谋出路,AMD也逐步采用了新的架构,于是就有了K5和Pentium竞争,不过性能差距比较大。
而K6-2则是进一步发展了K5,它可以在200至550MHz的时钟速度运行;并拥有64Kb一级缓存(32KB指令集和32KB资料)。
鲜为人知的K6-2+是整合了128KB二级缓存并采用0.18微米工艺的处理器(从本质上来说,这是K6-III的简化版)。
K6-2+是明确为低功耗移动型(但它的发热量很大)CPU,而且推出的时候正是主流台式机快速转型到诸如Athlon之类的新平台。
这款CPU在其目标市场销量一般,但尽管AMD没有努力为其作宣传,K6-2+依然出现在传统台式机市场中销售。
台式机版本的K6-2+在市场中完全被Athlon和K6-III遮盖着锋芒(两者都比K6-2+快多了),甚至连较慢、只便宜一点点的原版K6-2也不例外,因为K6-2更知名和更容易找到匹配的主板。
K6-2+最高频率为570MHz。
K6-2的版本:
K6-2(Chomper,250nm)
CPUID:
Family5,Model8,步进0
一级缓存:
32+32KiB(数据+指令)
指令集:
MMX,3DNow!
插座:
SuperSocket7
前端总线:
66,100MHz
核心电压:
2,2V
首次发表:
1998年5月28日
时钟频率:
233,266,300,333&350MHz
K6-2(ChomperExtended(CXT),250nm)
CPUID:
Family5,Model8,步进12
一级缓存:
32+32KiB(数据+指令)
指令集:
MMX,3DNow!
插座:
SuperSocket7
前端总线:
66,95,97,100MHz
核心电压:
2.0(mobile)/2.2/2.3/2.4V
首次发表:
1998年12月16日
时钟频率:
266-550MHz
K6-2+(180nm)
一级缓存:
32+32KiB(数据+指令)
二级缓存:
128KiB,全速
指令集:
MMX,扩展3DNow!
,PowerNow!
插座:
SuperSocket7
前端总线:
100MHz
核心电压:
2.0V
首次发表:
2000年4月18日
时钟频率:
450,475,500,533,550&570MHz
第7页:
铜矿PentiumIII采用全速L2
PentiumIII于1999年2月26日推出,原先的版本Katmai与PentiumII非常相似(均使用0.25μm制程),唯一的差别是加入了SSE,以及改进一级缓存控制器(导致比后来PentiumII好的稍微效能改进),依旧使用半速512K二级缓存。
Katmai
从第二个版本Coppermine(铜矿)开始普遍采用了新的Socket370(FC-PGA)接口,由于使用了0.18μm制程,INTEL能够在CPU芯片内集成了低延迟性全速256KB第二级缓存,在AMDAthlon处理器的竞争压力下,Intel重作芯片内部的设计,最后修正了广知的指令管线拖延问题。
这个结果是使处理指令的效能增加了卓越的30%,相比Katmai的效能有了极大的进步。
Coppermine(铜矿)
第8页:
集成内存控制器的Athlon64
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PentiumIII之后,Intel推出了颇具争议的奔腾4(Pentium4,或简称奔4或P4)处理器,它是继1995年出品的PentiumPro之后的第一款重新设计过的处理器,这一新的架构称做NetBurst。
随后Intel的发展思路就是进一步提升频率,加大缓存容量,采用超线程以及双核技术。
而随后处理器结构发生重点转变是在AMD推出了K8架构的Athlon64,它把原本集成在北桥中的内存控制器集成在处理器内部,极大提升了内存效率。
Intel在经历了Prescott性能低下、功耗奇高、竞争对手空前成功的不利形式之后,把原本用于移动平台的P6架构重新用起来,结合Netburst总线结构推出了酷睿2处理器,最终才挽回性能低下的颜面,不过此时酷睿2还没有把内存控制器集成到处理器内部。
第9页:
Intel酷睿2处理器登场
2006年7月27日下午15点,英特尔酷睿2处理器在全球同步发布。
酷睿2双核处理器完全有别于Netburst架构,IntelCore微架构统一用于桌面电脑(Conroe)、笔记本电脑(Merom)及主流服务器(WoodCrest)产品中。
据Intel表示Core微架构整合了Mobile架构的省电高效率与Netburst优秀功能,并为Multi-Core应用作出准备及优化。
话虽如此但我们却很难在Core微架构中找到半点Netburst的影子,而且它的设计近乎90%是基于Mobile架构的Yonah核心作出改良,而只保留了NetBurst架构中的Prefetching,因此把Core微架构说成把Netburst和Mobile架构结合是有点牵强。
虽然IntelCore微架构是基于Yonah的设计,但其实约有70-80%的架构和电路被重新设计,并加入了五大重要创新,其中包括IntelWideDynamic、IntelIntelligentPowerCapability、IntelAdcancedSmartCache、IntelSmartMemoruAcess及IntelAdcancedDigitalMediaBoost。
第10页:
AMDPhenom引入了L3Cache
随后市场急转而下,AMD在2007年推出了四核K10,并以Phenom的名称销售,不过第一代显然没有取得太多的市场反响,不过Phenom进一步引入了L3Cache,集成度进一步加大。
08年下半年,Intel再次更新了它们的处理器产品技术,推出了核心代号:
Nehalem的Corei7处理器采用了LGA1366接口、更新的微架构设计、QPI总线技术,当然也把内存控制器给集成进处理器内部。
第11页:
北桥、图形核心全集成
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当然技术依然在进步,2009年9月6号Intel进一步推出了LGA1156接口产品,在原本LGA1366接口集成内存控制器的基础上,进一步把北桥功能集成进处理器,使得主板上只剩下一颗南桥芯片。
同时在09年底,Intel进一步推出了集成图形核心的Clarckdale Corei3处理器,Clarckdale核心开始内置G45级别的图形核心GMAX4500HD,这样处理器的集成度进一步加剧。
Clarckdale 处理器内部采用“胶水”多芯片封装
当然Clarckdale 处理器只是初步试水,所以处理器核心和图形核心是分开设计在处理器内部的,也就是是采用“胶水”策略,而10年底发布的SandyBridge处理器则把处理器核心和DirectX10.1图形核心融合在一起,算是告别了“胶水”时代。
从左到右依次为Nehalem、Westmere、SandyBridge的核心展示
第12页:
真正的融合正在开始
年初CES2011大展上,AMD正式发布了面向低功耗应用的首批FusionAPU融合处理器E-350,它把处理器和独显核心做在一个芯片上,同时具有一定的处理器和独立显卡的处理性能,能够支持DX11游戏和最新应用的“异构加速运算”,大幅提升电脑运行效率。
Zacate核心的E350APU处理器频率为1.6GHz,内建DirectX11RadeonHD6310图形核心(具备80SP)和UVD3.0高清视频加速引擎,TDP为18W。
这样的设计让处理器的集成度进一步加大。
而针对桌面平台推出的LlanoAPU也将在不久将会正式登场,AMDA系列桌面APU将会拥有四个K10.5+/Huskyx86核心以及RadeonHD6000级"BeaverCreek"图形核心(320或400个流处理器),或者2个X86核心和"WinterPark"(160个流处理器)图形核心。
相关产品将支持双通道DDR3内存控制器,最高4M缓存,部分产品将支持TurboCore动态频率提升技术以及特别的multi-GPU支持。
COMPUTEX正式亮相LlanoAPU
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[未来展望]Windows8支持ARM
微软在今年上半年向外界展示了Windows8系统。
通过Windows8,微软将对已经面市25年的Windows系统进行重大调整。
它将首度支持ARM处理器,这也就意味着未来PC领域将会又多了一家强大的厂商,而Windows8也将进军平板和手持设备市场。
Windows8系统界面,非常类似WP7
Windows8的基本目标是在平板和桌面电脑上创造同样好的用户体验。
业务总裁史蒂芬·辛诺夫斯基(StevenSinofsky)表示:
“我们不会有折中方案,这对我们很重要。
”
Windows8用户界面的核心是新的开始页面。
这一基于卡片(Tile)的界面的类似于WindowsPhone7。
用户所有的程序都以卡片的形式被展示出来,并可以通过触摸点击而启动。
Windows8支持两类应用。
一类是传统的Windows应用,这类应用在桌面上运行,与Windows7系统中类似。
另一类应用以HTML5和Javascript开发,更类似于移动应用,在运行时全屏。
作为Windows8的一部分,IE10已经被配置成这种模式,其他一些用于查看股票行情和天气的应用也被配置成这种模式。
尽管微软没有公布更多细节,但开始页面中很明显有一个指向应用商店的链接。
可以确认,微软将效仿苹果,在Windows系统中推出应用商店服务。
第14页:
IvyBridge支持DirectX11
随着DirectX11的普及,未来GPU将成为一个可编程的处理单元,参与到除图形计算以外的更多工作中来,而IvyBridge处理器则是Intel的开始。
IvyBridge处理器集成的图形核心将会进一步调整,比如采用更多的16EU计算单元,性能要比SandyBridge处理器集显要好,同时配备蓝光2.0高清硬解、三屏独立输出、DirectX11、OpenGL3.1以及OpenCL1.1等新特性。
在具备DirectX11和OpenCL1.1以后,很多工作,GPU和CPU核心将会协同计算,共同完成,不过这比AMD推出APU要晚了一年时间。
Intel的高级软件工程师PhilipTaylor在一个采访中透露了IvyBridge处理器的一些细节规格。
他的宣称:
未来IvyBridge处理器将会有更多的核心,目前尚不能透露过多的消息,不过预计将会有诸如预处理、纹理处理等图形新特性(看来和NVIDIA签署交叉授权以后,Intel在图形技术方面,已经有更大的发挥空间了)。
预计IvyBridge处理