簡述CPU的發(fā)展史

1、簡述In tel系列CPU的發(fā)展史CPU（Central Processing Uni，t） 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（ 1971 1973 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

2、-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 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 的公司設計制造一款用于該公司的 計算器產(chǎn)品。 但由于技術原因， Intel 的延期交貨讓 Busicom 公司頗為惱怒。 與此 同時，計算器領域的競爭日益激烈，當 Intel 徹底完成 4004芯片的設計和樣品的 生產(chǎn)時，Bu

3、sicom公司要求In te l打折扣，In tel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存儲器制造商向微處理器制造商的轉型。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In tel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,就可架構出一臺微型計 算機系統(tǒng)。雖然第一

4、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 In tel4004 8008 主要參數(shù)中文名稱發(fā)布年運行頻率/最咼頻率前端總線針腳數(shù)量核心技術/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In tel推出8008微處理器（如）時，業(yè)內(nèi)的目光都幾

5、乎集中 在In tel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公司設計的，由于這家公司 財力不足以支付費用，于是雙方達成協(xié)議，In tel擁有芯片的所有知識產(chǎn)權并獲得 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。圖2 Intel 8008微處理器第2階段第二階段（1974 1977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、Mo

6、torola 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 計，有效解決了外部設備在內(nèi)存尋址能力不足的問題。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（1978 1984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 H

7、MOS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0.5卩s）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、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動器。圖 4 In tel 8086圖 6lntel 80286圖 5lntel 8088表格 2 In tel 8086/808880286 主要參數(shù)中文名稱發(fā)布年主頻

8、內(nèi)外部數(shù) 據(jù)總線針腳數(shù)量核心技術/ 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/16MBIntel 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32K16 位元)，以及固定的向量中斷。 大部分的

9、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 (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

10、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位結構，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

11、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結構， 于1979年推出，用于最早的Apple Macintosh計算機，以及Apple LaserWriter n SC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

12、問 16兆內(nèi)存，是IBM PC中In tel 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Cap com 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In tel公司的80386/80486, Motorola公司的M69030/68040等。其特點是采 用HMOS或CMOS工藝，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（Millio

13、n In structio ns Per Seco nd, 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In tel公司在1985年推出的CPU芯片，讓In tel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 4004芯片的一百多倍。時鐘頻率為12.5MHz,后提高到20MHz, 25MHz,

14、 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80386DX外，出于不同的市場和應用考慮，In tel又陸續(xù)推出了一些其它類型的

15、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位結構及其他 優(yōu)化設計，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-SX80386-SL 1990年推出的低功耗版本，基于80386-SX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

16、運行速度乃至休眠狀態(tài) 以實現(xiàn)節(jié)能。8038&DL: 1990年推出的低功耗版本，基于 80386-DX。與80386-SL類似。圖8 In tel 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)部高速緩存然后裝入 386的封裝里面，RapidCAD 也

17、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RapidCADI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RapidCAD2就是用來替代原來主機板上的

18、387芯片。RapidCADI 負責所有的運算，而 RapidCAD2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 RapidCADI與RapidCAD2分開賣，這是就是不了解RapidCAD運作方式的結果。圖 9 In tel RapidCAD表格3 Intel386 和486相關參數(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/ 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/8位1681

19、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，可以在

20、一個時鐘周 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In tel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In tel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構，并具有相互獨立的指令和

21、數(shù)據(jù)高速緩存。隨著 MMX（ Multi Media eXtended ）微處理器的出現(xiàn)，使微機的 發(fā)展在網(wǎng)絡化、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

22、壓降至 3.3V。intel®pentium圖ii第一代奔騰圖 12 Pen tium MMX表格4第一代奔騰處理器不同型號產(chǎn)品主要參數(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Pe ntium 120MHz0.60 /0.35 微米320萬1995年6月Pe ntium 133MHz0.35微米330萬1995年11月1日Pe ntium 150MHzPe ntium 166MHzPe ntium 180MHzPentium 200MHz0.60 /0.35 微米550萬1996年1月4日Pe ntium 150MHzPe ntium 166MHz0.35微米330萬

23、1996年6月10日Pentium 200MHz0.35微米330萬Intel Pentium MMX 中央處理器1997年1月In tel Pe ntium MMX中央處理器面世，它在 X86指令集的基礎上 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。單 指令多數(shù)據(jù)流SIMD技術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, 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

24、加快；Pentium MMX還吸收了其他CPU的優(yōu)秀處理技術，如分支預測技 術和返回堆棧技術。表格5奔騰2-4系列簡介發(fā)布時間型號晶體管數(shù)新技術，新特性1997 年Pen tium II750萬1. 結合了 Intel MMX技術；2. 采用 匣型圭寸裝 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)絡傳送影片1999 年Pen tium III950萬1加入70個新指令；2加入網(wǎng)際網(wǎng)絡串流SIMD延伸集稱為MMX；3首次導入0.25微米技術大幅提升先進影像、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)絡的使用經(jīng)驗，能瀏

25、覽逼真的 線上博物館與商店，以及下載高品質(zhì)影片2000Pen tium 44200 萬提供SSE2指令集；能以多種數(shù)據(jù)結構處理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 pen tium II圖 14 pen tium III圖 15 pen tium 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

26、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定制的處理器。 這些英特爾酷睿2雙核處理器設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，In tel只是將兩個完全獨

27、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！春余¥形豊*圖 16 Intel Pentium D 和 Pentium Extreme Edition表格6 2005年In tel推岀的雙核心處理器簡介發(fā)布 時間產(chǎn)品型號產(chǎn)品簡介2003Pen tiumM英特爾Pentium M處理器結合了 855芯片組家族與Intel PRO/Wireless2100網(wǎng)絡聯(lián)機技術，成為英特爾

28、Ce ntrino(迅馳) 移動運算技術的最重要組成部分。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400MHz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。2005Pen tium D Pen tium ExtremeEditi on米用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

29、 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致，否則 就會出現(xiàn)運算錯誤。支持 EM64T技術、XD bit安全技術，Pentium D不支持 Hyper-Threadi ng 技術。Pen tium Extreme Editi on 支持 Hyper-Threadi ng 技術。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 應萬變一一2010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

30、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，其是Nehelem架構的經(jīng)典延續(xù)，采用了 革命性的微架構，具備了睿頻加速技術，超線程技術，增強型的英特爾智能高速 緩存與控制器等多項技術。圖17 In tel的產(chǎn)品分級架構其中酷睿i7及酷睿i5-700系列而言，它們均采用了原生四核心設計。通過 對超線程技術的支持與否而劃分定位。同時還將三級緩存引入其中。其L1緩存的設計與酷睿微架構相同，而 L2緩存則采用超低延遲的設計，不過容量大大降 低，每個內(nèi)核僅有256KB,新加入的L3緩存采用共享式設計。LGA1156接口酷

31、 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，這一系列英特爾的 32納米新品增加了圖形處理功能， 實現(xiàn)了 CPU+GPU勺整合，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，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系列簡介酷睿I系列特