从计算机在化学中的应用一第一章微机的基础知识第一章微机的基础知识1.1微机的发展微机的控制器和运算器是集成在一个芯片上的，称为中央处理单元(CentralProcessingUnit)，即微机的心脏CPU。CPU也称微处理器。1946年2月，世界上第台电子计算机ENIAC诞生；1971年元月，以T.Hoff为首的Intel研制小组完成了世界上第一个微处理器4004，集成了2200个晶体管；1977年苹果公司发布AppleII电脑并提出了PC的概念(PersonalComputer)；1981年IBM公司进入PC市场，采用协作厂家的现成产品，即Intel的CPU，Microsoft的DOS系统，并将IBMPC的规格公开，从此开始了PC时代。1985年11月，Microsoft公司发表第一代窗口视觉界面，使PC机进入了所谓的图形用户界面(GUI：GraphicalUserInterface)，随后发布的Windows3.1、Windows95、Windows98、WindowsMe、Windows2000、WindowsXP与Intel公司不断发展的CPU：8088,8086,80286,80386,80486,Pentium,PentiumProPentiumMMXPentiumⅡ,PentiumIⅢ,Pentium4一起，占据了PC最大的市场。1.1.1CPU的发展1)Intel系列CPU1978年，美国Intel公司首次生产出16位的微处理器，并命名为i8086，同时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，但在i8087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指令。由于这些指令集应用于i8086和i8087，所以人们也称之为X86指令集。虽然以后Intel又陆续生产出更先进、更快的新型CPU，但仍然兼容原来的X86指令，而且Intel在后续CPU的命名上沿用了原先的X86序列，直到586时因商标注册问题，才放弃了继续用阿拉伯数字命名而改用Pentium系列命名。从某种意义上说，微机的发展史既是以Intel公司的产品X86系列CPU为代表的发展史。·80861978年6月推出，为第一代CPU（16位），内含29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz，地址总线为20位，可使用1MB内存，它们的内外部数据总线都是16位，其运算速度<1MIPS(1个MIPS表示每秒钟运算1百万次)。·80881979年6月推出，是8086CPU的简化型，与8086的区别是：其数据总线宽度内部为16位、外部为8位。1981年8088芯片首次用于IBMPC机，开创了全新的微机时代。·802861982年2月推出，为第二代CPU(16位)，该芯片含有13.4万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz，其内部和外部总线均为16位，地1-1
1-1 1.1 (Central Processing Unit) CPU CPU 1946 2 ENIAC 1971 T. Hoff Intel 4004 2200 1977 Apple II PC (Personal Computer) 1981 IBM PC Intel CPU Microsoft DOS IBM PC PC 1985 11 Microsoft PC (GUI Graphical User Interface) Windows 3.1 Windows95 Windows98 Windows Me Windows 2000 Windows XP Intel CPU 8088, 8086, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III, Pentium 4 PC 1.1.1 CPU 1) Intel CPU 1978 Intel 16 i8086 i8087 i8087 i8086 i8087 X86 Intel CPU X86 Intel CPU X86 586 Pentium Intel X86 CPU 8086 1978 6 CPU (16 ) 29000 4.77MHz 20 1MB 16 <1MIPS(1 MIPS 1 ) 8088 1979 6 8086CPU 8086 16 8 1981 8088 IBM PC 80286 1982 2 CPU(16 ) 13.4 6MHz 20MHz 16
从计算机在化学中的应用一第一章微机的基础知识址总线24位，可寻址16MB内存。80286有两种工作方式，实模式和保护模式。运算速度1~2MIPS。·803861985年10月推出，为第三代CPU(32位），它是80X86系列中的第种32位微处理器，内含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后逐步提高到20,25和33MHz，其内部总线和外部总线均为32位，地址总线也是32位，可寻址4GB内存，它除具有实模式和保护模式外，还增加了一个叫虚拟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。运算速度6～12MIPS·804861989年4月推出，为第四代CPU(32位)，芯片突破intel486DX2了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管，其时钟频率从25MHz逐步提高到33，50MHz，首次在486DXCPU内部将80386和数学协处理器80387以及一个8K的高速缓存集成在一个芯片中，HRO并且首次采用了RISC技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令它还采用了突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度，由于这些改进，80486的性能比带80387数学协处理器的80386DX提高4倍。另外还有采用时钟倍频技术的芯片80486DX2(66MHz)和80486DX4(100MHz)。运算速度20~40MIPS·Pentium1993年3月推出的第五代CPU(32位），厂家代号：intel.pentiumeP54C，含有310万个晶体管，在相同的工作频率时，整数运算性能提高一倍，浮点运算性能提高5倍。其时钟频率也从最初的60，66MHz发展到75~200MHz，外部总线频率为50,60和66MHz。其中Pentium75~120采用0.6微米工艺制造，Pentium120~200采用0.35微米工艺制造，供电电压均为3.3V。P5的内部总线为32位，外部数据总线为64位，地址总线为36位，与INTEL以前的80X86微处理器100%兼容，运算速度在100～200MIPS以上。Intel的第五代CPU推出后，为摆脱AMD等兼容CPU厂家的纠缠而进行了注册申请，但由于不能用阿拉伯数字申报注册，所以Intel将i80586改成了Pentium(Pentium是拉丁文，表示“五”的意思)，中文名字为“奔腾”。现此类型的微机已基本停止使用。·PentiumPro1995年11月推出，为第六代CPU(32位），中文名称“高能奔腾”。在PentiumPro中采用了大量的先进技术，Intelintel.公司第一次采用了双芯片CPU生产技术，在CPU内部集成了256～ENTRUMSA512KB的L2Cache，因此L2Cache能与CPU内部时钟同步运行。其性能比Pentium有明显提高，但由于PentiumPro只是针对32位运算进行了优化，而没有对16位运算进行优化，所以运行Windows16位运行软件时甚至比Pentium还慢，而电脑上运行的大部分软件都是16位的（包括Windows95)；1-2
1-2 24 16MB 80286 1 2MIPS 80386 1985 10 CPU(32 ) 80X86 32 27.5 12.5MHz 20,25 33MHz 32 32 4GB 86 8086 6 12MIPS 80486 1989 4 CPU(32 ) 100 120 25MHz 33, 50MHz 486DX CPU 80386 80387 8K RISC 80486 80387 80386DX 4 80486DX2(66MHz) 80486DX4(100MHz) 20 40MIPS Pentium 1993 3 CPU(32 ) P54C 310 5 60, 66MHz 75~200MHz 50, 60 66MHz Pentium 75~120 0.6 Pentium 120~200 0.35 3.3V P5 32 64 36 INTEL 80X86 100% 100 200MIPS Intel CPU AMD CPU Intel i80586 Pentium(Pentium ) Pentium Pro 1995 11 CPU(32 ) Pentium Pro Intel CPU CPU 256 512KB L2 Cache L2 Cache CPU Pentium Pentium Pro 32 16 Windows 16 Pentium 16 ( Windows 95)
从计算机在化学中的应用一第一章微机的基础知识另外PentiumPro将原来主板上的Cache放到CPU内部，提高了数据交换速度，但芯片面积增大，成品率下降，制造成本也就难以下降，这两个原因注定它无法顺利地替代Pentium成为下一代的主流产品。主要用在网络操作系统和服务器上。PentiumMMX1997年1月推出，仍然是第五代CPU32位），厂家代号：P55C，这是为改善PC图形、音响、加速多媒体视听和通信应用软件开发的，被称为“多能奔腾”。是在原Pentium芯片中增加了处理多媒体数据的MMX指令集改进而成。PentiumMMX可以看成是带有多媒体扩展结构(MultiMediaeXtension)的奔腾级芯片，内部集成了450万只晶体管，用于桌面电脑的PentiumMMX主频有166.200和233MHz三种，外部总线频率为66MHz。该处理器采用分离电压供电，它要求处理器内核供电电压至少为2.8V，I/O电压为3.3V，仍采用Socket7接口，但主板必须支持双电压。采用MMX后，对不同种类的应用性能提高50%~400%，尤其对图形、图象、动画、音频数据处理的改进更为明显，对电脑总体性能提高10%~20%。现在此型号的计算机仍在使用·PentiumII1997年5月推出，仍然属于第六代CPU(32位)，中文文称“奔腾二代”pentiumill是鉴于PentiumPro的在运行16位软件性能较差和制造成本问题，Intel公司在PentiumPro的基础上进行了改进，开发出第二代芯片，也称为PentiumI，一方面增加了对16位运算的优化，并加入了MMX多媒体扩展技术，另一方面将Cache移到CPU外，提高了成品率，为不牺牲PentiumPro在缓存上的优势，Intel公司提出了二个S.E.C（单一封装)的概念，将CPU和外部缓存两个分离的部件做在一个盒子中，中间用一个比外部总线速度高得多的Cache总线连接，从一定程度上弥补了性能损失，但其与主板的接口不再是Pentium的Socket7，而是采用了Slot1。PentiumIⅡI集成了750万个晶体管。主频为233,266,300,333(外频为66，前3种采用0.35微米工艺制造，333采用0.25微米制造），350，400，450MHz外频为100MHz，采用0.25微米制造)。Intel公司总裁AndyGrove成功地在一年内进行了PC系统两次CPU革命，被《时代》周刊评为1997年度风云人物。?Celeron1998年4月Intel为夺回低端市场，发布了Celeron(赛扬）处理器。首先发布的Covington是一个精简的PentiumⅡI，与PentiumII的区别就是没有L2Cache，因而价格较低，并且1-3
1-3 Pentium Pro Cache CPU Pentium Pentium MMX 1997 1 CPU(32 ) P55C PC Pentium MMX Pentium MMX (MultiMedia eXtension) 450 Pentium MMX 166, 200 233MHz 66MHz 2.8V I/O 3.3V Socket 7 MMX 50%~400% 10%~20% Pentium 1997 5 CPU(32 ) Pentium Pro 16 Intel Pentium Pro Pentium II 16 MMX Cache CPU Pentium Pro Intel S.E.C.( ) CPU Cache Pentium Socket 7 Slot 1 Pentium II 750 233, 266, 300, 333( 66, 3 0.35 333 0.25 ), 350, 400, 450MHz( 100MHz 0.25 ) Intel Andy Grove PC CPU 1997 Celeron 1998 4 Intel Celeron( ) Covington Pentium II Pentium II L2 Cache
从计算机在化学中的应用一第一章微机的基础知识利于超频。采用0.25微米工艺制造，集成了750万只晶体管，有266和300MHz两种主频，外频为66MHz。该处理器浮点运算与PentiumⅡI类似，但由于没有L2Cache：整数运算太差，让人难以接受。Intel于1998年8月推出了Mendocino既CeleronA它与Covington的区别是在芯片内部加了128KB的L2Cache，为PentiumⅡ的1/4，外频也是66MHz。由于L2Cache与CPU是同速运行，所以性能与同频的PentiumI相近。Slot1接口Celeron(赛扬)处理器的主频为300~433。为降低成本，Intel又将早期的Slot1接口的CeleronA做成了Socket370接口的PPGA封装，主频为300~500。·Xeon1998年6月发布的Xeron处理器是Intel的高端产品，其核心与PentiumII接近，但有更大的运行在CPU核心频率下的快速L2Cache(512K~2M)，采用Slot2接口。支持8个CPU系统：使用36位内存地址和PSE模式，最大800MB/s的内存带宽。它是为多处理器和多线程程序设计的，适合于服务器使用，外频为100MHz，主频为400~450MHz。·PentiumⅢI从1999年2月，Intel公司正Pinte式发表了下一代CPUKatmai，并正式命名为pentium-lllPentium(奔腾)ⅢI。PentiumⅢI集成了950万个晶体管，其基本内核以及二级Cache大小都和PentiumI(Deschutes)相同，只是新增加了70条SSE命令(StreamingSIMDExtensions)一单指令多数据流扩inte展，这些新的指令让CPU可以对多个数据同时进行浮点运算，有利手提升对3D图形、视频编码/解码以及其他一些浮点运算密集的应用程序的执行效率，像N视频会议、语音识别等应用。KatmaiPentiumⅢI有450~600MHz，外频为100和133MHz。接口为Slot1和Socket370。1999年10月，Intel推出Coppermine系列的PentiumⅢI处理器。Coppermine采用0.18微米工艺，集成了2810万个晶体管（包括256K的全速二级缓存），部分支持133MHz外频，性能比同频Katmai系列PentiumIⅢ（采用SECC2封装，512K半速二级缓存）提高20%以上。Coppermine系列PentiumIⅡⅢI可配合支持100MHz外频的440ZX、440BX芯片组、支持133MHz外频的i810E、i820芯片组使用。2000年初提供了支intel0:9持新PeniumIⅢI的i815主板芯片组。Coppermine有400MHz~1G(外频100MHz和133MHz)。最近又发布了以0.13微米工艺制造的Tualatin，外频为1.13和1.2GMHz·CeleronIⅡI2000年3月，英特尔公司正式发布新的赛扬处理1-4
1-4 0.25 750 266 300MHz 66MHz Pentium II L2 Cache Intel 1998 8 Mendocino Celeron A Covington 128KB L2 Cache Pentium II 1/4 66MHz L2 Cache CPU Pentium II Slot 1 Celeron( ) 300~433 Intel Slot 1 Celeron A Socket 370 PPGA 300~500 Xeon 1998 6 Xeron Intel Pentium II CPU L2 Cache(512K~2M) Slot 2 8 CPU 36 PSE 800MB/s 100MHz 400~450MHz Pentium III 1999 2 Intel CPU Katmai Pentium( )III Pentium III 950 Cache Pentium II(Deschutes) 70 SSE (Streaming SIMD Extensions) CPU 3D / Katmai Pentium III 450~600MHz 100 133MHz Slot 1 Socket 370 1999 10 Intel Coppermine Pentium III Coppermine 0.18 2810 ( 256K ) 133MHz Katmai Pentium III SECC2 512K 20 Coppermine Pentium III 100MHz 440ZX 440BX 133MHz i810E i820 2000 Penium III i815 Coppermine 400MHz~1G( 100MHz 133MHz) 0.13 Tualatin 1.13 1.2GMHz Celeron II 2000 3
从计算机在化学中的应用一第一章微机的基础知识器(二代)，赛扬的主频速度为533~850MHz，这款处理器采用0.18微米的制造工艺。它们内置与处理器主频同步运行的128KB二级缓存，同时也加入了PentiumⅢ处理器才有的四个重要特征。新赛扬处理器工作在66/100MHz的系统总线上·Pentium42000年7月，英特尔公司正式发布Pentium4，虽然与PentiumⅡ和PentiumⅢ一样都是属于32位架构的处理器，但处理器的核心架构已全部重新设计过，采用QDR前端总线技术，系统总线速度已高达400MHz，前端总线数据带宽提高到3.2GB/s，此外还增加了SSE2功能扩展指令集等。主频1.3~1.8GHz，依旧为0.18um技术制造，采用Socket423架构，支持的芯片组为i850，现已推出了新的i845芯片组。2001年8月27日，Intel正式发布2GHzPentium4处理器，其封装形式为mPGA-487，制造工艺仍为0.18um，核心是与以前相同的Willamette核心。今后的Northwood核心的Pentium4处理器都将采用Socket478架构，0.13um制造工艺，频率从2GHz开始。2）其它与Intel兼容的CPU另外其他一些厂商也在生产与Intel兼容的芯片，并在市场上占有一定的分额，如AMD公司。原来主要在低价位的CPU市场，但AMD从1999年推出K7以来已全面对Intel构成威胁，并且一度在主频和速度上领先于Intel。我们只简单介绍几款现在仍在使用的CPU。AMDA7AMDZVAMD-K5AMD-K6CK5K6K6-2K6-II004-ADNTunderbirdDuronAtholonAMDK61997年发布的K6使用0.35微米和0.25微米的工艺制造，使用Socket7接口。主频有166,200,233,266,300MHz儿种。该芯片在商业运行中表现较好，性能比PentiumMMX要好，但后来被Intel推出的Celeron打败。·AMDK6-21998年3月发布，针对K6浮点运算不足的问题，加入了3DNoW！1-5
1-5 ( ) 533~850MHz 0.18 128KB Pentium III 66/100MHz Pentium 4 2000 7 Pentium 4 Pentium II Pentium III 32 QDR 400MHz 3.2GB/s SSE2 1.3~1.8GHz 0.18 m Socket 423 i850 i845 2001 8 27 Intel 2GHz Pentium4 mPGA-487 0.18 m Willamette Northwood Pentium4 Socket 478 0.13 m 2GHz 2) Intel CPU Intel AMD CPU AMD 1999 K7 Intel Intel CPU K5 K6 K6-2 K6-III Atholon Tunderbird Duron AMD K6 1997 K6 0.35 0.25 Socket 7 166, 200, 233, 266, 300MHz Pentium MMX Intel Celeron AMD K6-2 1998 3 K6 3DNow