1.2 微处理器与微型计算机的产生与发展

微处理器的发展历史，主要就是美国英特尔（Intel）公司的发展历史。

英特尔公司是 1968 年 7 月 18 日由戈登·摩尔（Gordon Moore）、集成电路的发明人鲍勃·诺伊斯（Bob Noyce）和旧金山风险投资人洛克（Arthur Rock）共同创立的。英特尔公司创立不久，安迪·格鲁夫（Andy Grove）也加入到创业者的行列中来。英特尔公司开始只生产半导体存储芯片，这种存储芯片是当时流行的磁芯存储器的替代产品。

真正成就英特尔公司的产品——微处理器的开发始于1969年。当时一家名为Busicom的日本公司要求英特尔公司为一款新型袖珍计算器设计生产一个简单的专用处理芯片，摩尔就将这个任务交给了工程师霍夫（Marcian Hoff），并希望他设计成标准化的产品，以便卖给更多的用户。霍夫很快实现了摩尔目标，设计出来的产品不仅应用于袖珍计算器，还可以用来控制交通信号灯以及家用电器。

发展到这个地步，对于英特尔公司来说，已不只是技术上的突破，而是商业上的一大拓展，于是摩尔请更资深的工程师费根（Federico Faggin）接手领导设计标准化的 4 位处理芯片。1971年11月，英特尔公司推出了编号为4004的处理芯片，其名中的第一个“4”表示4位字长，最后一个“4”表示其是公司推出的第4款专用芯片。4004采用PMOS（P-道沟金属氧化物半导体）工艺，含有2300个晶体管，时钟频率为108kHz，寻址空间为640字节（Byte，B），售价200美元，这就是世界上第一个微处理器。

费根还同时开发出另外三款芯片：4001、4002、4003，分别是随机存储器（Random Access Memory，RAM）、只读存储器（Read Only Memory，ROM）和寄存器（Register）。这4颗芯片合起来就可以组成一台微型计算机。由于微处理器采用的是大规模集成电路技术，所以微型计算机属于第四代计算机。

自Intel 4004问世以后，微处理器和微型计算机如雨后春笋般蓬勃发展起来，逐渐占领了计算机市场，有力地推动了计算机的普及。微处理器和微型计算机之所以发展如此迅速，其主要原因是其性能价格比在各类计算机系统中处于领先地位。另外，微型计算机维护方便、小巧灵活的特点，也受到了人们的青睐。

至今，微处理器和微型计算机的发展经历了五代。

第一代（1971—1972年）：4位微处理器和微型计算机。例如，以Intel 4004为处理器加上一片 320 位的 RAM（随机存取存储器）、一片256 字节的ROM（只读存储器）和一片 10位的寄存器，通过总线连接在一起就构成了世界上第一台的微型计算机 MCS-4。可使用机器语言或汇编语言进行编程，能够进行十进制数的算术运算。作为第一代微型计算机虽然不够完善，但由于价格较低，所以一经问世就赢得了市场。于是，英特尔公司对它进行了改进，正式生产了通用的4位微处理器4040。这些微处理器让英特尔公司获得了巨大的成功。

第二代（1972—1977年）：8位微处理器和微型计算机。1972年4月，英特尔公司推出了第一个8位微处理器8008，它含有3500个晶体管，时钟频率为108kHz，寻址空间为16千字节（Kilo-Byte，KB）。1974年集成有4900个晶体管、时钟频率为2MHz、寻址空间为64KB的Intel 8080问世，随即以8080为中央处理器的微型计算机Altair问世。

1975年，年仅19岁的哈佛大学大二学生比尔·盖茨（Bill Gates）创立了面向微型计算机软件开发的微软（Microsoft）公司，开始了他“让每一个家庭，每一张桌子上都有一台计算机”的事业。微软公司开发的第一个软件就是为Altair编写的BASIC语言的解释程序。

1974 年，摩托罗拉（Motorola）公司也推出了集成有 6800 个晶体管的 8 位的微处理器M6800。

4004的设计者费根离开英特尔公司，成立了齐洛格（Zilog）公司。1976年齐洛格公司推出了集成有10000个晶体管的Z-80。Z-80完全兼容8080，而性能明显优于8080。所以Z-80迅速走红，成为当时最受欢迎的微处理器。

之后，英特尔公司和摩托罗拉公司又分别推出了性能更高的Intel 8085和M6809。从1973年起，主流微处理器（如Intel 8080、M6800、Z-80）开始采用开关速度更快的NMOS（N-道沟金属氧化物半导体）工艺。尽管8080与8008具有相同的指令集，但是性能却提高了近10倍。

从第二代微处理器来看，英特尔公司的8080与8085、摩托罗拉公司的M6800和齐洛格公司的Z-80构成三足鼎立之势，垄断了市场。

第二代微处理器的特点是指令系统比较完善，具有典型的计算机组成结构以及中断、DMA等控制功能。第二代微型计算机的一个特点是软件日益丰富，除了汇编程序外，通常还配有BASIC、FORTRAN及PL/M等高级语言的解释程序和编译程序。面向微型计算机的操作系统也被开发出来。不过计算速度更快、字长更长的16位微处理器/微型计算机很快取代了8位微处理器/微型计算机。

第三代（1978—1983年）：16位微处理器和微型计算机。1978年6月英特尔公司发布了第一个16位微处理器8086，它含有29000个晶体管，时钟频率为4MHz，数据总线为16位，地址总线为20位。1979年8086的变型产品8088问世，8088与8086的不同主要体现在数据总线降为8位。同年摩托罗拉公司推出了集成有68000个晶体管的M68000。齐洛格公司也相继推出了集成有37500个晶体管的Z-8000。Intel 8086/8088、M68000和Z-8000都是早期16位微处理器的典型代表，它们的主频为4～8MHz，平均指令执行时间为0．5μs。

20世纪80年代以后，英特尔公司又推出了性能更高的16位微处理器80286，摩托罗拉公司推出了M68010。后期的16位微处理器主频超过10MHz，平均指令执行时间为0．2μs，集成度超过100000晶体管/片。

这时，面向微型计算机的操作系统、数据库系统日趋完善，各种高级语言的解释程序和编译程序也相继开发出来，微处理器还被用来构成多处理器系统。微型计算机从性能上开始超过小型计算机，在市场上成为小型计算机的竞争对手。由于价格低廉、实时性能优异，微处理器还被广泛应用于实时数据处理和工业控制等领域。

第四代（1984年以后）：32位微处理器和微型计算机。1984年，摩托罗拉公司率先推出了首个32位的微处理器M68020。1985年英特尔公司发布了它的第一个32位微处理器80386，它含有45万个晶体管，内部设置了一级高速缓冲存储器（Cache）。这一时期微处理器的时钟频率一般在 20～40MHz，平均指令执行时间为 0．1μs。1989 年英特尔公司发布了它的第二个32位微处理器80486，将第四代微处理器的性能又大大提高了一步。

英特尔公司的第三个32位微处理器是在1993年推出的。当时为了防止竞争对手跟风搭车，也因为数字无法登记注册为商标，所以英特尔公司决定放弃以586来命名新的微处理器，而采用了一个响亮的名字“Pentium”。“Pent”在拉丁文中表示“第五”的意思，“ium”是结尾音，可使整个词听起来很响亮。Pentium的时钟频率为150MHz，平均指令执行时间为0．05μs。随后，Intel公司又推出了Pentium的增强型产品Pentium Pro 和Pentium MMX。

1997年，英特尔公司发布了它的第四个32位微处理器Pentium II，1999年Pentium III问世，2000年Pentium 4 投入市场。

第五代（1992年以后）：64位微处理器和微型计算机。1992年，美国DEC公司率先推出了首个64位微处理器Alpha 21064。其名意味着：21世纪的64位微处理器。最新的Alpha微处理器为21364。

2001年，英特尔公司和惠普（Hewlett-Packard，HP）公司联合推出了基于IA-64体系结构的64位微处理器——安腾（Itanium）。2002年推出安腾-2，2003年推出改进的安腾-2。

1995年，IBM公司和摩托罗拉公司联合发布了它们的第一款64位微处理器PowerPC 620。2007年7月，IBM公司推出新一代64位微处理器——Power 6。

目前，微处理器已经进入多核处理器（Multi_core Processor）时代。有关多核处理器的内容将在第4章中介绍。

多年以来，单个微处理器芯片内部的晶体管数目一直在以每18～24个月增加一倍的速度增长着。这个规律是由时任英特尔公司董事长的摩尔于1965年在准备一份报告时首先发现并预测的。摩尔于1975年对他的预言做了一次修改，最终确定为“每18个月微处理器内部的晶体管数目增加一倍，同时计算性能翻一番，而价格保持不变”。摩尔的这一预言被后来的发展事实完全证实。因此微处理器的这一发展规律被称为“摩尔定律（Moore’s Law）”。

微处理器已经按照摩尔定律发展了30多年。业界专家普遍认为，摩尔定律还将持续有效到2010年。事实上，到了2006年，摩尔定律指出的发展趋势已经变缓，由原先的18个月一代变为约40个月一代。