簡述CPU的發(fā)展史

1、簡述Intel系列CPU的發(fā)展史CPU(Central Processing Unit)，中文全稱中央處理器。從1971年Intel發(fā)布了全世界第一款微處理器芯片4004以來,它的發(fā)展速度之快實在令人咋舌。那么CPU從研發(fā)至今，到底經(jīng)過了哪些變化呢，我們主要查詢了Intel公司的芯片生產(chǎn)歷程資料。根據(jù)微處理器的字長和功能，可將其發(fā)展劃分為以下幾個階段。第1階段第1階段（19711973年）是4位和8位低檔微處理器時代，通常稱為第1代，其典型產(chǎn)品是Intel4004和Intel8008微處理器和分別由它們組成的MCS-4和MCS-8微機。眾所周知，世界上第一款商用計算機微處理器是Intel公司于

2、Intel 4004微處理器（如圖 1）。就像當時的廣告說的一樣，它是一件劃時代的作品；其首席執(zhí)行官戈登.摩爾將4004稱之為人類歷史上最具革新性的產(chǎn)品之一。其誕生的原因是最初Intel專門為日本一家名為Busicom的公司設(shè)計制造一款用于該公司的計算器產(chǎn)品。但由于技術(shù)原因，Intel的延期交貨讓Busicom公司頗為惱怒。與此同時，計算器領(lǐng)域的競爭日益激烈，當Intel徹底完成4004芯片的設(shè)計和樣品的生產(chǎn)時，Busicom公司要求Intel打折扣，Intel同意了，但是它附加了一個條件：允許Intel在除計算器芯片市場之外的其它市場上自由出售4004芯片。至此，Intel公司完成了從單一的

3、存儲器制造商向微處理器制造商的轉(zhuǎn)型。為什么第一款芯片編號要叫做4004呢，因為第一個“4”是代表客戶訂購的產(chǎn)品編號，后一個“4”則是代表此芯片是Intel公司制作的第四個定制芯片，在此之前還有Intel還曾開發(fā)出4001（動態(tài)隨機存儲器DRAM）、4002（只讀存儲器ROM）、4003（寄存器（Register），三者再加上4004，就可架構(gòu)出一臺微型計算機系統(tǒng)。雖然第一款商用計算機微處理器是作為“一件劃時代的作品”，但站在今天的角度，它還是比較簡單的芯片，其主要參數(shù)如表格 1 Intel4004 8008主要參數(shù)。表格 1 Intel4004 8008主要參數(shù)中文名稱發(fā)布年運行頻率/最高頻率

4、前端總線針腳數(shù)量核心技術(shù)/晶體管數(shù)量英特爾40041971108KHZ4Bit16針10微米/2300英特爾80081972500-800KHZ8bit16針10微米/3500圖 1 Intel 4004微處理器當4004芯片推出以后，當時的業(yè)內(nèi)對其反應相當平淡，因為其處理能力相當有限。但當一年后Intel推出8008微處理器（如）時，業(yè)內(nèi)的目光都幾乎集中在Intel身上了。因為8008的晶體管數(shù)量已經(jīng)達到了3500個，超過4004一半，工作頻率200KHZ，且能處理8比特數(shù)據(jù)。更為重要的是還獲得了處理器指令系統(tǒng)。因為最初8008原本是為德克薩斯州的DataPoint公司設(shè)計的，由于這家公司財

5、力不足以支付費用，于是雙方達成協(xié)議，Intel擁有芯片的所有知識產(chǎn)權(quán)并獲得DataPoint公司開發(fā)的指令集。正是這套指令集奠定了英特爾公司X86系列微處理器指令集的基礎(chǔ)。圖 2 Intel 8008微處理器第2階段第二階段（19741977年）是8位中高檔微處理器時代，通常稱為第2代，其典型產(chǎn)品是Intel8080/8085、Motorola公司、Zilog公司的Z80等。圖 3 Intel8080Intel8080在1974年發(fā)布，是一枚8位元處理器。它集成6000只晶體管，每秒運算29萬次，擁有16位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線，這是一個相當成功的設(shè)計，有效解決了外部設(shè)備在內(nèi)存尋址能力不足的問

6、題。自1975年第一臺個人電腦誕生以后，8080芯片幫助英特爾在幾年后占據(jù)了電腦芯片的霸主地位 。第3階段第3階段（19781984年）是16位微處理器時代，通常稱為第3代，其典型產(chǎn)品是Intel公司的8086/8088，Motorola公司的M68000，Zilog公司的Z8000等微處理器。其特點是采用HMOS工藝，集成度（2000070000晶體管/片）和運算速度（基本指令執(zhí)行時間是0.5s）都比第2代提高了一個數(shù)量級。指令系統(tǒng)更加豐富、完善，采用多級中斷、多種尋址方式、段式存儲機構(gòu)、硬件乘除部件，并配置了軟件系統(tǒng)。這一時期著名微機產(chǎn)品有IBM公司的個人計算機。1981年IBM公司推出的

7、個人計算機采用8088CPU。緊接著1982年又推出了擴展型的個人計算機IBM PC/XT，它對內(nèi)存進行了擴充，并增加了一個硬磁盤驅(qū)動器。圖 4 Intel 8086圖 5Intel 8088圖 6Intel 80286表格 2 Intel 8086/8088 80286主要參數(shù)中文名稱發(fā)布年主頻內(nèi)外部數(shù)據(jù)總線針腳數(shù)量核心技術(shù)/晶體管數(shù)量地址總線/尋址能力英特爾808619785MHZ16位/16位403微米/2900020位/1MB英特爾808819785MHZ16位/8位403微米/2900020位/1MB英特爾8028619826MHZ16位/16位681.5微米/13400024位/1

8、6MBIntel 8086擁有四個16位的通用寄存器，也能夠當作八個8位寄存器來存取，以及四個16位索引寄存器（包含了堆棧指標）。資料寄存器通常由指令隱含地使用，針對暫存值需要復雜的寄存器配置。它提供64K 8 位元的輸出輸入（或32K 16 位元），以及固定的向量中斷。大部分的指令只能夠存取一個內(nèi)存位址，所以其中一個操作數(shù)必須是一個寄存器。運算結(jié)果會儲存在操作數(shù)中的一個寄存器。而Intel 8088則是一個以8086為基礎(chǔ)的微處理器，擁有16位元暫存器和8位元外部資料總線。8088使用8位元的設(shè)計，所針對的是較為經(jīng)濟之系統(tǒng)。在它推出時候，大的資料總線寬度電路板還是相當?shù)匕嘿F。8088的預取(

9、prefetch)貯列(queue)是4字節(jié)，相對于8086的是6字節(jié)。1979年，英特爾公司開發(fā)出了8088。8086和8088在芯片內(nèi)部均采用16位數(shù)據(jù)傳輸，所以都稱為16位微處理器，但8086每周期能傳送或接收16位數(shù)據(jù)，而8088每周期只采用8位。因為最初的大部分設(shè)備和芯片是8位的，而8088的外部8位數(shù)據(jù)傳送、接收能與這些設(shè)備相兼容。Intel 1982年推出80286芯片（如圖 6）是英特爾首款能執(zhí)行所有舊款處理器專屬軟件的處理器。該芯片相比8086和8088有了飛躍式發(fā)展，雖然它仍是16位結(jié)構(gòu)，但在CPU內(nèi)部含有13.4萬個晶體管，時鐘頻率由最初6MHz逐步提高到20MHz。內(nèi)部

10、和外部數(shù)據(jù)總線皆為16位，地址總線24位，可尋址內(nèi)存大小達到16Mb。80286兼容了8086所有功能，并且是8086的向上兼容的微處理器，使8086的匯編語言程序可以不做任何修改地在80286上運行。同時80286的推出也是實模式和保護模式CPU的分水嶺。80286微處理器內(nèi)部有4個功能部件，即地址部件AU，指令部件IU，執(zhí)行部件EU和總線部件BU。這四個部件的并行操作，提高了吞吐率，加快了處理速度。而68000處理器則是Motorola公司680x0微處理器的鼻祖，采用CISC結(jié)構(gòu)，于1979年推出，用于最早的Apple Macintosh計算機，以及Apple LaserWriter S

11、C和Hewlett-Packard公司的LaserJet打印機。68000具有32位內(nèi)部寄存器，但只能在16位數(shù)據(jù)總線上傳送數(shù)據(jù)。處理器能訪問16兆內(nèi)存，是IBM PC中Intel 8088的16倍。68000系列處理器廣泛應用于街機中，我們所熟悉的日本街機廠商Capcom、SNK和臺灣的IGS，他們生產(chǎn)的街機主板都是采用的68000系列的處理器。圖 7 Motorola公司68000第4階段第4階段（19851992年）是32位微處理器時代，又稱為第4代。其典型產(chǎn)品是Intel公司的80386/80486，Motorola公司的M69030/68040等。其特點是采用HMOS或CMOS工藝，

12、集成度高達100萬個晶體管/片，具有32位地址線和32位數(shù)據(jù)總線。每秒鐘可完成600萬條指令（Million Instructions Per Second，MIPS）。微型計算機的功能已經(jīng)達到甚至超過超級小型計算機，完全可以勝任多任務、多用戶的作業(yè)。同期，其他一些微處理器生產(chǎn)廠商（如AMD、TEXAS等）也推出了80386/80486系列的芯片。80386是Intel 公司在1985年推出的CPU芯片，讓Intel公司的微處理器開啟了32位時代。80386它是80x86系列中的第一種32位微處理器，而且制造工藝也有了很大的進步，與80286相比，80386內(nèi)部內(nèi)含27.5萬個晶體管，超過40

13、04芯片的一百多倍。時鐘頻率為12.5MHz，后提高到20MHz，25MHz，33MHz。每秒可處理500萬條指令。同時也是 第一款具有“多任務”功能的處理器。80386的內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是32位，地址總線也是32位，可尋址高達4GB內(nèi)存。它除具有實模式和保護模式外，還增加了一種叫虛擬86的工作方式，可以通過同時模擬多個80x86處理器來提供多任務能力。總的來說80386的重要特點是：1) 首次在x86處理器中實現(xiàn)了32位系統(tǒng)（IA-32）。2) 可配合使用80387數(shù)字輔助處理器增強浮點運算能力。3) 首次采用高速緩存（外置）解決內(nèi)存速度瓶頸問題。除了標準的80386芯片，也就是8038

14、6DX外，出于不同的市場和應用考慮，Intel又陸續(xù)推出了一些其它類型的80386芯片：80386SX、80386SL、80386DL等。80386-DX：主流版本。內(nèi)外部數(shù)據(jù)總線都是32 位，地址總線也是32位。80386-SX：1988年末推出的廉價版本。外部數(shù)據(jù)總線16位，地址總線24位，與80286相同，從而方便80286電腦的升級。由于內(nèi)部的32位結(jié)構(gòu)及其他優(yōu)化設(shè)計，80386-SX性能仍大大優(yōu)于80286，而價格只相當于80386-DX的三分之一，因而很受市場的歡迎。與之相配的數(shù)學輔助處理器型號為80387-SX。80386-SL：1990年推出的低功耗版本，基于80386-SX。

15、增加了系統(tǒng)管理方式（SMM）工作模式，具有電源管理功能，可以自動降低運行速度乃至休眠狀態(tài)以實現(xiàn)節(jié)能。80386-DL：1990年推出的低功耗版本，基于80386-DX。與80386-SL類似。圖 8 Intel 80386處理器還有一款微處理器被很多人忽視，這就是Intel RapidCAD。RapidCAD是英特爾有史以來第一款為舊款個人計算機所提供的升級套件（也就是OverDrive的始祖）。原386的使用者不需要更換主機板，只要把RapidCAD買回來將主機板上舊有的中央處理器芯片（CPU）替換掉，就可以享受接近486的運算能力。RapidCAD其實就是把486 DX芯片去掉內(nèi)部高速緩存

16、然后裝入386的封裝里面，RapidCAD也不支持486增加的新指令。不過由于386封裝的頻寬限制，RapidCAD對整體的效能提升比不上直接升級到486 DX。相同頻率下，486 DX可以有比386/387快上兩倍的速度，而RapidCAD在整數(shù)運算方面最多只能提升35%，在浮點運算方面，則可以提升將近70%。Intel RapidCAD特殊的地方在于，它是由兩顆芯片組成，缺一不可。這歸咎于486 DX內(nèi)建浮點運算器（FPU），而386則是將浮點運算器分開（就是387）。由于RapidCAD-1本身就含有浮點運算器（因為它就是486 DX閹割版），根本不需要387，所以RapidCAD-2就

17、是用來替代原來主機板上的387芯片。RapidCAD-1負責所有的運算，而RapidCAD-2則是負責假裝浮點運算器，以防止舊有主機板以為沒有安裝浮點運算功能（尤其在執(zhí)行286/287的程序時）。市面上有時候把RapidCAD-1與RapidCAD-2分開賣，這是就是不了解RapidCAD運作方式的結(jié)果。圖 9 Intel RapidCAD表格 3 Intel386 和486 相關(guān)參數(shù)中文名稱發(fā)布年主頻內(nèi)外部數(shù)據(jù)總線針腳數(shù)量核心技術(shù)/晶體管數(shù)量地址總線/尋址能力英特爾80386198516MHZ16位/16位1321.5微米/27500032位/4GB英特爾80486198925MHZ16位/

18、8位1681微米/120000032位/4GB1989年，我們大家耳熟能詳?shù)?0486芯片由英特爾推出。這款經(jīng)過四年開發(fā)和3億美元資金投入的芯片的偉大之處在于它首次實破了100萬個晶體管的界限，集成了120萬個晶體管，使用1微米的制造工藝。80486的時鐘頻率從25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。80486是將80386和數(shù)學協(xié)微處理器80387以及一個8KB的高速緩存集成在一個芯片內(nèi)。80486中集成的80487的數(shù)字運算速度是以前80387的兩倍，內(nèi)部緩存縮短了微處理器與慢速DRAM的等待時間。并且，在80x86系列中首次采用了RISC（精簡指令集）技術(shù)，可以在一個時鐘

19、周期內(nèi)執(zhí)行一條指令。它還采用了突發(fā)總線方式，大大提高了與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換速度。由于這些改進，80486的性能比帶有80387數(shù)學協(xié)微處理器的80386 DX性能提高了4倍。80486作為Intel最后一款以數(shù)字編號的處理器還有一個重要的意義就是使用戶擺脫了命令行的使用方式，進入“選中即點擊”的時代。圖 10 Intel 80486第5階段第5階段（1993-2005年）是奔騰（pentium）系列微處理器時代，通常稱為第5代。典型產(chǎn)品是Intel公司的奔騰系列芯片及與之兼容的AMD的K6、K7系列微處理器芯片。內(nèi)部采用了超標量指令流水線結(jié)構(gòu)，并具有相互獨立的指令和數(shù)據(jù)高速緩存。隨著MMX（Mul

20、ti Media eXtended）微處理器的出現(xiàn)，使微機的發(fā)展在網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化和智能化等方面跨上了更高的臺階。第一代Pentium處理器英特爾奔騰處理器采用了0.60微米工藝技術(shù)制造，核心由320萬個晶體管組成。支持計算機更輕松的集成“現(xiàn)實世界”數(shù)據(jù)，如語音、聲音、手寫體和圖片等，“奔騰”二字頻繁出現(xiàn)在漫畫和電視談話節(jié)目中，使其在推出之后很快成為一個家喻戶曉的詞語。 奔騰是一個劃時代的產(chǎn)品，并且影響了PC領(lǐng)域十年之久，該“名字”依然在沿用。Pentium是x86系列一大革新。其中晶體管數(shù)大幅提高、增強了浮點運算功能、并把十年未變的工作電壓降至3.3V。表格 4 第一代奔騰處理器不同型號產(chǎn)品

21、主要參數(shù)區(qū)別發(fā)布時間型號名稱工藝集成晶體管數(shù)1995年3月27日Pentium 120MHz0.60 /0.35微米320萬1995年6月Pentium 133MHz0.35微米330萬1995年11月1日Pentium 150MHzPentium 166MHzPentium 180MHzPentium 200MHz0.60 /0.35微米550萬1996年1月4日Pentium 150MHzPentium 166MHz0.35微米330萬1996年6月10日Pentium 200MHz0.35微米330萬 圖 11 第一代奔騰圖 12 Pentium MMXIntel Pentium MMX

22、中央處理器1997年1月Intel Pentium MMX中央處理器面世，它在X86指令集的基礎(chǔ)上加入了57條多媒體指令。這些指令專門用來處理視頻、音頻和圖象數(shù)據(jù)，使CPU在多媒體操作上具有更強大的處理能力，Pentium MMX還使用了許多新技術(shù)。單指令多數(shù)據(jù)流SIMD技術(shù)能夠用一個指令并行處理多個數(shù)據(jù)，縮短了CPU在處理視頻、音頻、圖形和動畫時用于運算的時間；流水線從5級增加到6級，一級高速緩存擴充為16K，一個用于數(shù)據(jù)高速緩存，另一個用于指令高速緩存，因而速度大大加快；Pentium MMX還吸收了其他CPU的優(yōu)秀處理技術(shù)，如分支預測技術(shù)和返回堆棧技術(shù)。表格 5 奔騰2-4系列簡介發(fā)布時

23、間型號晶體管數(shù)新技術(shù)，新特性1997年P(guān)entium II750萬1.結(jié)合了Intel MMX技術(shù)；2.采用Single Edge Contact (S.E.C) 匣型封裝可分享數(shù)位相片、編輯與新增文字、音樂或制作家庭電影的轉(zhuǎn)場效果、使用可視電話以及透過標準電話線與網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)傳送影片1999年P(guān)entium III950萬1.加入70個新指令；2.加入網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)串流SIMD延伸集稱為MMX；3.首次導入0.25微米技術(shù)大幅提升先進影像、3D、串流音樂、影片、語音辨識等應用的性能；大幅提升網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)的使用經(jīng)驗，能瀏覽逼真的線上博物館與商店，以及下載高品質(zhì)影片2000Pentium 44200萬提供SS

24、E2指令集；能以多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理128位數(shù)據(jù)。使用基于Pentium 4處理器的個人電腦，可以創(chuàng)建專業(yè)品質(zhì)的影片，透過因特網(wǎng)傳遞電視品質(zhì)的影像，實時進行語音、影像通訊，實時3D渲染，快速進行MP3編碼解碼運算，在連接因特網(wǎng)時運行多個多媒體軟件。圖 13 pentium II圖 14 pentium III圖 15 pentium 42006年7月，英特爾公司今天面向家用和商用個人電腦與筆記本電腦，發(fā)布了十款全新英特爾酷睿2（扣肉）雙核處理器和英特爾酷睿至尊處理器。英特爾酷睿2雙核處理器家族包括五款專門針對企業(yè)、家庭、工作站和玩家（如高端游戲玩家）而定制的臺式機處理器，以及五款專門針對移動生活而

25、定制的處理器。這些英特爾酷睿2雙核處理器設(shè)計用于提供出色的能效表現(xiàn)，并更快速地運行多種復雜應用，支持用戶改進各種任務的處理，例如：更流暢地觀看和播放高清晰度視頻；在電子商務交易過程中更好地保護電腦及其資產(chǎn)；以及提供更耐久的電池使用時間和更加纖巧時尚的筆記本電腦外形。全新處理器可實現(xiàn)高達40%的性能提升，其能效比最出色的英特爾奔騰處理器高出 40%。英特爾酷睿2雙核處理器包含2.91億個晶體管。不過，Pentium D談不上是一套完美的雙核架構(gòu)，Intel只是將兩個完全獨立的CPU核心做在同一枚芯片上，通過同一條前端總線與芯片組相連。兩個核心缺乏必要的協(xié)同和資源共享能力，而且還必須頻繁地對二級緩

26、存作同步化刷新動作，以避免兩個核心的工作步調(diào)出問題。從這個意義上說，Pentium D帶來的進步并沒有人們預想得那么大！圖 16 Intel Pentium D 和 Pentium Extreme Edition表格 6 2005年Intel推出的雙核心處理器簡介發(fā)布時間產(chǎn)品型號產(chǎn)品簡介2003Pentium M英特爾Pentium M處理器結(jié)合了855芯片組家族與Intel PRO/Wireless2100網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機技術(shù)，成為英特爾Centrino(迅馳)移動運算技術(shù)的最重要組成部分。Pentium M處理器可提供高達1.60GHz的主頻速度，并包含各種效能增強功能，如：最佳化電源的400MH

27、z系統(tǒng)總線、微處理作業(yè)的融合(Micro-OpsFusion)和專門的堆棧管理器(Dedicated Stack Manager)，這些工具可以快速執(zhí)行指令集并節(jié)省電力。2005Pentium DPentium Extreme Edition采用945/955/965/975芯片組來支持新推出的雙核心處理器。90nm工藝，無針腳。貼片電容數(shù)目有所增加，排列方式也有所不同。Pentium D內(nèi)核實際上由于兩個獨立的Prescott核心組成，每個核心擁有獨立的1MB L2緩存及執(zhí)行單元，兩個核心加起來一共擁有2MB，但由于處理器中的兩個核心都擁有獨立的緩存，因此必須保證每個二級緩存當中的信息完全一

28、致，否則就會出現(xiàn)運算錯誤。支持EM64T技術(shù)、XD bit安全技術(shù)，Pentium D不支持Hyper-Threading技術(shù)。Pentium Extreme Edition支持Hyper-Threading技術(shù)。全新酷睿系列2010年1月8日下午，英特爾在北京舉行“以智變 應萬變2010全新英特爾酷睿，開啟智能新紀元”發(fā)布會。英特爾正式面向全球發(fā)布最新的革命性產(chǎn)品，基于全新的32納米制程的i7、i5、i3處理器產(chǎn)品。全新酷睿家族中Westmere核心的酷睿i5/i3采用了Clarkdale架構(gòu)，其是Nehelem架構(gòu)的經(jīng)典延續(xù)，采用了革命性的微架構(gòu)，具備了睿頻加速技術(shù)，超線程技術(shù)，增強型的英

29、特爾智能高速緩存與控制器等多項技術(shù)。圖 17 Intel 的產(chǎn)品分級架構(gòu)其中酷睿i7及酷睿i5-700系列而言，它們均采用了原生四核心設(shè)計。通過對超線程技術(shù)的支持與否而劃分定位。同時還將三級緩存引入其中。其L1緩存的設(shè)計與酷睿微架構(gòu)相同，而L2緩存則采用超低延遲的設(shè)計，不過容量大大降低，每個內(nèi)核僅有256KB，新加入的L3緩存采用共享式設(shè)計。LGA1156接口酷睿i7/i5處理器與目前市場中的LGA1366酷睿i7系列相同，均配備了8MB的三級緩存。而新酷睿家族中的酷睿i5-600系列與酷睿i3系列產(chǎn)品則是采用了原生雙核，通過睿頻加速技術(shù)的支持與否來劃分產(chǎn)品的定位。與之前的芯片相比，這一系列英

30、特爾的32納米新品增加了圖形處理功能，實現(xiàn)了CPU+GPU的整合，歷史性地將顯示核心和CPU封裝到了一起；不但提高了PC的兼容性穩(wěn)定性，同時令高清電影的播放流暢，畫面顏色更栩栩如生；同時，游戲運行效率也會高于以往的集成顯卡。新酷睿產(chǎn)品相較于之前的酷睿家族產(chǎn)品，最大的區(qū)別是制程工藝上的改進，即從45納米過渡到32納米，芯片性能達到近50%的提升。全新的英特爾酷睿i7/i5處理器都擁有獨特的英特爾睿頻加速技術(shù)，能夠根據(jù)工作負載動態(tài)、智能地調(diào)節(jié)頻率和性能，在工作量較大時能實現(xiàn)按需提升頻率自動加速，可自如應對用戶工作、娛樂、生活的萬變需求。英特爾超線程技術(shù)則是用于英特爾酷睿i7/i5/i3處理器，通過讓每個內(nèi)核同時運行雙重任務，實現(xiàn)高效、智能的多任務處理，從而呈現(xiàn)令人驚嘆的相應速度與性能；在同步進行多任務處理的同時，還與業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的能效表現(xiàn)之間形成完美的平衡。表格 7酷睿I系列簡介