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

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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）

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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。

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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。

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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。

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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

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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

第13页：

[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。

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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