第1页:引言 从1946年说起!填补我国教育上的空白

CPU,Central processing unit.是现代计算机的核心部件,又称为“微处理器(Micro processor)”。对于PC而言,CPU的规格与频率常常被用来作为衡量一台电脑性能强弱重要指标。今年是intel x86架构25周年,而x86架构的CPU对我们大多数人的工作、生活影响颇为深远。

在开始intel x86神奇时光之旅前面,我们需要弄清楚历史上几件很重要的事件,计算机的始祖到底是谁?是ENIAC吗?

这张图相信很多人都看过。

世界上第一台电子计算机ENIAC

教 科书里面的答案是ENIAC。这个答案不算正确,但也没完全错。ENIAC是美国宾州大学研制的第一台电子计算机,也是世界上第一台电子计算机。准确一点 说:ENIAC是世界上第一台通用型计算机。ENIAC是Electronic Numerical Integrator And Computer的缩写,它于1946年2月15日诞生;当时的资助者是美国军方,目的是计算弹道的各种非常复杂的非线性方程组。众所周知,这些方程组是 没有办法求出准确解的,因此只能用数值方法近似地进行计算,因此研究一种快捷准确计算的办法很有必要。

那个时候的“程序设计”,需要插拔N多的插头

美国军方花费了48万美元经费在ENIAC项目上,这在当时可是一笔巨款,要不是为了二次世界大战,谁能舍得出这么大的钱?事实上ENIAC也是美国陆军军械部和宾州大学莫尔学院联合发布的,而非书本上所提的只有宾州大学。

从 技术上而言,ENIAC是没有太明晰的CPU概念的。因为它采用电子管作为基本电子元件。用了足足18800个电子管,而每个电子管大约有一个普通家用 25瓦灯泡那么大。这样整部电脑就有了8英尺高、3英尺宽、100英尺长的身躯,体积有研立方米,重达30吨,耗电高达140千瓦。每秒能进行5000次 加法运算(而人最快的运算速度每秒仅5次加法运算),还能进行平方和立方运算,计算正弦和余弦等三角函数的值及其它一些更复杂的运算。这样的速度在当时已 经是人类智慧的最高水平。

但是,其实ENIAC还不是计算机的最早始祖。现代计算机的思想由来已久,到了19世纪已经才日渐成熟,但是当时的技术水平很低弱,所以根本无法制造出可以运行的系统来,其中最据代表性的就是巴贝奇的分析机。

巴贝奇分析机部件

英 国皇家学会会员、剑桥大学数学教授巴贝奇(Charles Babbage, 1792-1871.),是一位富有的银行家的儿子。他于1792年出生于英格兰西南部的托格茅斯,后来继承了相当丰厚的遗产。巴贝奇把继承的财富都用于 科学研究,并显示出极高的数学天赋,考入剑桥大学后,他发现自己掌握的代数知识甚至超过了教师。1817年获硕士学位,1928年受聘担任剑桥大学“卢卡 辛讲座”的数学教授,这是只有牛顿等科学大师才能获得的殊荣。

巴贝奇教授,Charles Babbage

巴 贝奇不但精于科学理论,更喜欢将科学应用在各种发明创造上。他最早提出,人类可以制造出通用的计算机,来代替大脑计算复杂的数学问题。当时并没有电子技术 的应用,于是巴贝奇的设想就架构在当时日趋成熟的机械技术上。巴贝奇将他设想的通用计算机命名为“分析机”,并希望它能自动解算有100个变量的复杂算 题,每个数达25位,速度达到每秒钟运算一次。分析机包括齿轮式“存贮仓库”(Store)和“运算室”即“作坊”(Mill),而且还有他未给出名称的 “控制器”装置,以及在“存贮仓库”和“作坊”之间运输数据的输入输出部件。这种天才的思想,划时代地提出了类似于现代电脑五大部件的逻辑结构,也为后世 的通用处理器诞生奠定了坚实的基础。

最初,巴贝奇还有政府的资助来研究设计“分析机”,但是短视的英国政府于1842年,断然宣布停止对巴 贝奇的一切资助,而当时的科学界也讥笑他是“愚笨的傻瓜”,公然称差分机“毫无任何价值”。不过英雄的故事里面总是有美人垂青,英国著名诗人拜伦的女儿爱 达·拉夫拉斯伯爵夫人(注解1),是唯一能理解巴贝奇的人,也是世界计算机先驱中的第一位女性。她帮助巴贝奇研究分析机,建议用二进制数代替原来的十进制 数(编者注:真是天才!)。她还指出分析机可能像雅各织布机一样编程,并发现了编程的要素。她还为某些计算开发了一些指令,并预言计算机总有一天会演奏音 乐。第二年,她帮助巴贝奇处理论文的译稿时,加入了许多独特的见解,深得巴贝奇教授的赞许。

在爱达夫人短暂生命的最后十年里,全力协助巴贝 奇工作,甚至把自己的珠宝手饰都拿出来变卖,以帮助巴贝奇度过经济难关。之后,巴贝奇又独自坚持了近20年,直至1871 年,这位先驱者孤独地离开了人世时,分析机终于没能制造出来,未完成的一部分也被保留在英国皇家博物馆里。巴贝奇逝世后,他的儿子亨利·巴贝奇少将制造了 若干个复制品,送往世界各地保存。亨利坚定地相信,总有一天,他父亲的这种机器一定会被后人制造出来。

近年来,科学界已经普遍确认巴贝奇在 信息科学的鼻祖地位。1991年,为了纪念巴贝奇200周年诞辰,英国肯圣顿(Kensington)科学博物馆根据这些图纸重新建造了一台差分机。复制 过程中,只发现图纸存在着几处小的错误。复制者特地采用18世纪中期的技术设备来制作,不仅成功地造出了机器,而且可以正常运转。

后人完成的巴贝奇分析机

为什么要提这些旧事?其实无论是英特尔、IBM、微软,还是甲骨文,如果没有这些先驱们的奉献,就没有今天的繁荣。另外,我国的教育对于这一段历史的描述非常差,编者希望这样的说明能够在开始以下intel x86神奇时光之旅前,有一个很好的交待,权作抛砖引玉吧。

[注解1:1981年,美国国防部花了10年的时间,研制了一种计算机全功能混合语言,并成为军方数千种电脑的标准。为了纪念爱达夫人,这种语言被正式命名为ADA语言,并赞誉她是“世界上第一位软件工程师”。]

在以下部分的介绍里,我们将看到集成电路的通用型CPU诞生……

 

第2页:“桃园三结义”!Intel公司就这样成立了

其 实早在英特尔公司诞生前,集成电路技术就已经被发明。1947年,AT&T贝尔实验室的三位科学家发明了晶体管,晶体管的出现,迅速替代电子管占 领了世界电子领域。随后,晶体管电路不断向微型化方向发展。1957年,美国科学家达默提出“将电子设备制作在一个没有引线的固体半导体板块中”的大胆技 术设想,这就是半导体集成电路的核心思想。

1958年,美国德克萨斯州仪器公司的工程师基尔比(Jack Kilby)在一块半导体硅晶片上将电阻、电容等分立元件集成在里面,制成世界上第一片集成电路。也正因为这件事, 2000年的诺贝尔物理奖颁发给了已退休的基尔比。1959年,美国仙童公司的诺伊斯用一种平面工艺制成半导体集成电路,从此开启了集成电路比黄金还诱人 的时代。其后,摩尔、诺宜斯、葛洛夫这三个“伙伴”离开原来的仙童公司,一起开创事业——筹建一家他们自已的公司。三人一致认为,最有发展潜力的半导体市 场是计算机存储器芯片市场。

Intel的元老们,摩尔、诺宜斯、葛洛夫(从左至右)

吸引他们成立新公司的另一个重要原因是:这一市场几乎完全依赖于高新技术,你可以尽可能地在一个芯片上放最多的电路,谁的集成度高,谁就能成为这一行业的领袖。

Intel这个名字有着深远涵义……

基于以上考虑,摩尔为新公司命名为:Intel,这个字是由“集成/电子(Integrated Electronics)"两个英文单词组合成的,象征新公司将在集成电路市场上飞黄腾达,结果就真的如此。(看来在摩尔有生之年,请他起个名字一定发达,^_^!)

 

第3页:1971年 Intel诞生了第一个微处理器——4004

当 时,这三位创业者说服风险资本家阿瑟.罗克给他们投资了200万美元;还找到了他们创业的最佳地点,就是原联合碳化物电子公司的大楼,这可比惠普的车库要 强多了。公司创建不久,三位创建人就与公司职员(这时是1968年底,英特尔公司已约定,他们将不拘泥于任何特定的技术或产品生产线,用诺宜斯的话来说就 是“对当今所有技术进行快镜拍摄,从中发现哪种技术行得通,哪种技术最卓有成效,就开发哪种技术”,公司有的是时间、才能和资金,所以他们不能草率行事。 诺宜斯说:“没能任何合同规定我们必须保证某一生产线的生产。我们也不受任何旧技术的约束。”

英特尔公司发现:当电子在集成电路块的细微部 位上出现或消失时,可以将若干比特 (bites,资料的最小计量单位)信息非常廉价地储存在微型集成电路硅片上,他们首先将这种发现应用在商业上。1969年的春天,在公司成立一周年以 后,英特尔公司生产了第一批产品,即双极处理64比特存储芯片。不久,公司又推出256比特的MOS存储器芯片。一个小小的Intel公司,以它的两种新 产品的问世而打入了整个计算机存储器市场——这是一个辉煌的开端,而其他的一些公司直到1980年才能生产MOS芯片和双极芯片。

随着日本 公司加入竞争,内存的生意越来越艰难。尽管当时有很多美国人抱怨日本人公司以低于成本的价格向美国倾销产品,但一个不可否认的事实是,日本在芯片制造上的 速度和质量是无与伦比的。这时候,英特尔公司面对有史以来最大的生存危机。不过最终他们作出一个令人钦佩的决断:放弃内存,全力投入微处理器业务。

说 到微处理器业务,其实最初是件很偶然的事情:英特尔的一家客户(Busicom,一家现已不存在的日本厂商)要求英特尔为其专门设计一些处理芯片。在研究 过程中,英特尔的研究员霍夫(Hoff)问自已:对于集成电路,能否在外部软件的操纵下以简单的指令进行复杂的工作呢?为什么不可将这个计算机上的所有逻 辑集成到一个芯片上并在上面编制简单通用的程序呢?这其实就是今天所有微处理器的原理。但日本公司对此毫无兴趣。在同事的帮助及公司支持下,霍夫把中央处 理器的全部功能集成在一块芯片上,再加上存储器;完善了这种后来被称为4004的芯片,也就是世界上第一片微处理器。

●Intel历史上的首款微处理器 4004

4004CPU的样子,可爱吧?

1971年英特尔诞生了第一个微处理器——4004。该芯片其实是为Busicom calculator 专门设计制造的,但已经可以看到个人电脑的影子在里面了。

4004的核心电路照片

另外一些样子的4004

4004的全家福

据 说当时有一位留着长发的美国人在无线电杂志上读到I4004的消息,立即就想能用这个CPU来开发个人使用的操作系统。结果经过一番仔细折腾之后,发现 I4004的功能实在是太弱,而他想实现的系统功能与Basic语言并不能在上面实现只好作罢,这个人就是比尔. 盖茨——微软公司的老板。不过从此之后,他对英特尔的动向非常关注,终于在1975年成就了微软公司(Microsoft Corporation)。

 

第4页:1974年 两倍于4004性能的CPU——8008(马克八号)

接下来到了8008出场的时候了。

8008 的运算能力比4004强劲2倍。1974年,一本无线电杂志刊登了一种使用8008作处理器的机器,叫做“Mark-8(马克八号)”,这也是目前已知的 最早的家用电脑了。虽然从今天的角度看来,“Mark-8”非常难以使用、控制、编程及维护,但是这在当时却是一种伟大的发明。

这颗比较清楚一点

8008的核心照片

事实上,8008共有四种型号,分别为C8008、C8008-1、D8008、D8008-1,C8008就是刚才发的第二张8008图片,C8008-1刚才发的第一张8008图片。以下为 D8008、D8008-1

D8008

D8008-1

 

第5页:1974年 成就了首款知名电脑的CPU——8080

在8008 之后,Intel又开发了下一代产品叫做8080,8080被用于当时一种品牌为Altair (牵牛星,这个名字来源于当时电视节目里一个流行的科幻剧)的电脑上。这也是有史以来第一个知名的个人电脑。当时这种电脑的套件售价是395美金,短短数 月的时间里面,销售业绩达到了数万部,创造了个人电脑销售历史的一个里程碑。

8080A

8080的核心照片

这是基于8080芯片的计算机Processor Technology Sol-20

内部结构

[小总结]:

4004 的集成度只有2300个晶体管,功能其实比较弱,且计算速度较慢,以致只能用在 Busicom计算器上,更不用说进行复杂的数学计算了。不过比起第一台电子计算机ENIAC来说,它已经轻巧太多太多了。而且最大的历史意义是,它是第 一个通用型处理器,这在当时专用集成电路设计横行的时代是难得的突破。所谓专用集成电路设,就是为不同的应用设计独特的产品,一旦应用条件变化,就需要重 新设计;当然在商业盈利上,对设计公司是很有好处的。但是英特尔公司的目光并没有这么短浅,霍夫做出大胆的设想:使用通用的硬件设计加上外部软件支持来完 成不同的应用,这就是最初的通用微处理器的设想。

英特尔公司很快对这个设想进行了论证,发现确实可行,而且这种产品的好处就在于采用不同的 软件支持就能完成不同的工作,这比重新设计专用的集成电路要简单得多。看到这种产品将来的广阔前景,英特尔公司马上投入了设计工作并很快推出了产品——世 界上第一块微处理器Intel 4004。

其实4004处理只能处理4位数据,但内部指令是8位的。4004拥有46条指令,采用16针直 插式封装。数据内存和程序内存分开,1K数据内存,4K程序内存。运行时钟频率预计为 1M,最终实现达到了740kHz,能进行二进制编码的十进制数学运算。这款处理器很快得到了整个业界的承认,蓝色巨人IBM还将4004装备在IBM 1620机器上。

在4004发布后不久,英特尔连续的发布了几款CPU:4040、8008,但市场反响平平,不过却为开发8位微处理器打 下了良好基础。1974年,英特尔公司又在8008的基础上研制出了 8080处理器、拥有16位地址总线和8位数据总线,包含7个8位寄存器(A,B,C,D,E,F,G,其中 BC,DE,HL组合可组成16位数据寄存器),支持16位内存,同时它也包含一些输入输出端口,这是一个相当成功的设计,还有效解决了外部设备在内存寻 址能力不足的问题。

 

第6页:1978年 确立x86地位创造商业奇迹的CPU——8086

大家一般都只知道8086,很少知道8085的存在,下面这个就是8085的真面目:

1978 年,8086处理器诞生了。这个处理器标志着x86王朝的开始,为什么要纪念英特尔 x86架构25周年?主要原因是从8086开始,才有了目前应用最广泛的PC行业基础。虽然从1 971年,英特尔制造4004至今,已经有32年历史;但是从没有像8086这样影响深远的神来之作。

8085

8086/8088的核心

8086的协处理器:8087

8087实际上有13种型号,这里只给出一种的图片,因为都大同小异。

还 有一个更关键的因素,是时IBM研究新的PC机来打击苹果的个人电脑。IBM公司需要选择一款强大,易于扩展的处理器来驱动,英特尔的x86处理器取得了 绝对的胜利,成为IBM PC 的新“大脑”。这个历史的选择也将英特尔公司日后带入了财富500强大公司的行列,并被财富杂志称之为:“70年代的商业奇迹(Business Triumphs of the Seventies)”。

IBM公司的PC大获成功,不但带旺了英特尔的生意,还造就了另外一个商业奇迹 ——微软公司。比尔.盖茨搭车销售了DOS操作系统,为今天称霸软件行业攫取了第一桶金。不但如此,因为IBM公司的远见,开放了PC架构的授权,康柏 (今天已经变成HP的一部分)等第三方的制造商也大获其利。甚至台湾地区等经济的腾飞都与这次历史的联合有着必然的联系,无论从历史,还是产业的眼光来阅 读,这个事件都非常值得称颂!

8088

使用8088芯片的笔记本

配置如下:

Intel 8088 CPU
128Kb RAM
3.5" 360kb 或者 720kb 软驱
5MB 硬盘

事 实上,IBM在PC XT选用的是8088这个型号。以技术的观点来看,8088其实是8086的一个简版,其内部指令是16位的,但是外部是8位数据总线;相对于8086内 部数据总线(CPU 内部传输数据的总线)、外部数据总线(CPU外部传输数据的总线)均为16位,地址总线为20 位,可寻址1MB内存的规格来说,是稍差了一点,但是已经足以胜任DOS系统和当时的应用程序了。8086集成2.9万只晶体管,时钟频率为 4.77MHz,同时还生产出与之配合的数学协处理器8087,这两种芯片使用相同的指令集,可以互相配合提升科学运算的效率。

当然现在的 CPU都内建数学协处理器,因此不再需要额外的数学协处理器芯片,但是七十年代的技术限制,一般只能将数学协处理器做成另外一个芯片,供用户选择。这样的 好处是减少了制造的成本,提高了良品率,更降低速度不敏感的用户的支出:他们可以暂时不买数学协处理器,直到需要的时候买一个回来插到IC插座里即可。

 

第7页:1982年 俗称“286”CPU——80286

1982年,英特尔发布了80286处理器,也就是俗称的286。这是英特尔第一个可以运行所有为其撰写的处理器,在发布后的六年中,全球一共交付了一千五百万台基于286的个人电脑。

80286

80286核心照片

80286 芯片集成了14.3万只晶体管、16位字长,时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20M Hz。其内部和外部数据总线皆为16位,地址总线24位。与8086相比,80286寻址能力达到了 16MB,可以使用外存储设备模拟大量存储空间,从而大大扩展了80286的工作范围,还能通过多任务硬件机构使处理器在各种任务间来回快速切换,以同时 运行多个任务,其速度比 8086提高了5倍甚至更多。IBM公司将80286用在技术更为先进AT机中,与IBM PC机相比,AT 机的外部总线为16位(PC XT机为8位),内存一般可扩展到16MB,可支持更大的硬盘,支持 VGA显示系统,比PC XT机在性能上有了重大的进步。

使用80286的电脑

但 是这时候,IBM公司内部发生了很大的分歧:内部很多人反对快速转换到286计算机的销售,因为286 PC会对IBM的小型机与之前的PC XT销售有影响,他们希望缓慢过渡。但是intel公司并不能等,80286处理器已经批量生产了,不可能堆在仓库里等IBM慢慢消化;这时候生产兼容 IBM PC的康柏公司就钻了一个空子——快速推出286的PC机,一举打败IBM 成为PC市场的新霸主。

微处理器决定了计算机的性能和速度,谁能制造出性能卓越的高速PC,谁便能领导计算机的新潮流,这就是游戏规则。IBM的人最初顺应的这个规则,因此在PC市场大获成功,但是到了286时代,却又放弃了正确的选择,真是让人为之叹惋。

附:80286之前还有一个CPU,叫80186。

80186 核心实物图

80186的核心照片

虽然有个所谓的80186,但从时间上看,就在80186刚推出没几周,80286就出现了,而且这款80186从来没有在PC机上出现过,因此,也就没有多少人能记得它了。

 

第8页:1985年 真带领我们进入32位时代的CPU——80386

80386的出现,首次让我们进入了32位元的世代。

1985 年,英特尔再度发力推出了80386处理器。386集成了27万5千只晶体管,超过了4004 芯片的一百倍。并