第二章 CPU 相关技术.docx
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第二章CPU相关技术
第二章CPU的发展及相关产品技术
CPU(CentralProcessingUnit),即中央处理单元,也称微处理器,是整个系统的核心,也是整个系统最高的执行单位。
它负责整个系统指令的执行、数学与逻辑运算、数据存储、传送以及输入输出的控制。
因为CPU是决定电脑性能的核心部件,人们就以它来判定电脑的档次,于是就有了486、586(Pentium)、PⅡ、PⅢ、P4之分。
CPU既然关系着指令的执行和数据的处理,当然也关系着指令和数据处理速度的快慢,因而CPU有不同的执行功能,不同的处理速度。
一般CPU的功能和处理速度,我们可以从它的型号和编号来判断,如Pentium系列是586机种的CPU,型号后的数字即为它的工作频率(时钟频率),单位是MHz。
第一节CPU的历史
CPU从最初发展至今已经有20多年的历史了,这期间,按照其处理信息的字长,CPU可以分为4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器等等。
在风起云涌的IT业界,PC机CPU厂商主要以Intel、AMD和VIA(威盛)三家为主,我们将以他们的产品为介绍重点。
一、Intel阵营
Intel(英特尔)公司大家已经是如雷贯耳,不管你是否为计算机高手,也不管你是否是业内人士,只要你知道计算机这个词,对Intel就一定不会陌生。
Intel是全世界硬件行业的老大,是世界上最大的芯片生产商和制造商。
提到Intel公司就不能不谈谈IntelCPU芯片的发展历程。
按照国际上目前比较能够得到业内认同的说法,Intel的CPU芯片主要经历了以下几个发展阶段:
1.Intel4004
1971年,Intel公司推出了世界上第一款微处理器4004。
这是第一个用于个人计算机的4位微处理器,它包含2300个晶体管,由于性能很差,市场反应冷淡。
2.Intel8080/8085
在4004之后,Intel公司又研制出了8080处理器和8085处理器,加上当时美国Motorola公司的MC6800微处理器和Zilog公司的Z80微处理器,一起组成了8位微处理器家族。
3.Intel8086/8088
16微处理器的典型产品是Intel公司的8086微处理器,以及同时生产出的数学协处理器,即8087。
这两种芯片使用互相兼容的指令集,但在8087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的指令。
由于这些指令应用于8086和8087,因此被人们统称为x86指令集。
此后Intel推出新一代CPU产品均兼容原来的x86指令集。
1979年Intel公司推出了8086的简化版——8088芯片,它仍是16位微处理器,内含29000个晶体管,时钟频率为4.77MHz,地址总线为20位,可以使用1MB内存。
8088的内部数据总线是16位 ,外部数据总线是8位。
1981年,8088芯片被首次用于IBMPC机当中,开创了个人电脑的新时代。
如果说8080处理器还不为大多数人所熟知的话,那么8088则可以说是家喻户晓了,PC(个人电脑)机的第一代CPU便是从它开始的。
4.Intel80286
1982年的Intel80286虽然是16位芯片,但是其内部已包含了13.4万个晶体管,时钟频率也到了前所未有的20MHz。
其内、外部数据总线均为16位,地址总线为24位,可以使用16MB内存,工作方式包括实模式和保护模式两种。
5.Intel80386DX/80386SX
32位微处理器的代表产品首推Intel公司1985年推出的80386,这是一种全32位微处理器芯片,也是x86家族中第一款32位芯片,其内部包含了27.5万个晶体管,时钟频率为12.5MHz,后逐步提高到33MHz。
80386的内部和外部数据总线都是32位,地址总线也是32位,可以寻址到4GB内存。
它除了具有实模式和保护模式以外,还增加了一种虚拟386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。
1989年,Intel公司又推出准32位处理器芯片80386SX。
它的内部数据总线为32位,与80386相同,外部数据总线为16位。
也就是说,80386SX的内部处理速度与80386接近,也支持真正的多任务操作,并且可以使用为80286开发的输入/输出接口芯片。
80386SX的性能优于80286,而价格只及80386的1/3。
386处理器没有内置数学协处理器,因此不能执行浮点运算指令,如果需要进行浮点运算,必须额外购买昂贵的80387数学协处理器。
6.Intel80486DX/80486SX
1989年,80486处理器面市,它集成了125万个晶体管,时钟频率由25MHz逐步提升到33MHz、40MHz和50MHz。
80486内含80386和数字协处理器80387以及一个8KB的高速缓存,并在x86系列中首次使用了RISC(精简指令集)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的性能比带有80387数学协处理器的80386提高了4倍。
早期的486理器分为有数学协处理器的486DX和无数学协处理器的486SX两种,其价格也相差许多。
随着芯片技术的不断发,CPU的频率越来越快,而PC机外部设备受工艺限制,能够承受的工作频率有限,这就阻碍了CPU主频的进一步提高,在这种情况下,出现了CPU倍频技术,该技术使CPU内部工作频率为处理器外频的2~3倍,486DX2、486DX4的名字便是由此而来。
以后的日子里,CPU开始了突飞猛进的发展。
7.IntelPentiumClassic(经典奔腾)
代号:
P54C
发布时间:
1993年
核心频率:
60~200MHz
总线频率:
50~66MHz
工作电压:
3.3V
制造工艺:
0.8~0.35μm
晶体管数目:
310~330万个
芯片面积:
191mm2
缓存容量:
16KBL1Cache
指令内置:
x86指令集、x86译码器、80位浮点单元
接口类型:
Socket7
早期的Pentium处理器(主要是Pentium60和Pentium66)存在浮点运算错误的问题,Intel为此花4亿美元回收了大批有问题的CPU,这在当时是十分冒险的行为,但Intel的这一做法最终赢得了用户的信任,Pentium再度成为市场上最畅销的产品。
8.IntelPentiumPro(高能奔腾)
代号:
P6
发布时间:
1995年
核心频率:
150~200MHz
总线频率:
60~66MHz
工作电压:
3.1V/3.3V
制造工艺:
0.5~0.35μm
晶体管数目:
550~700万个
芯片面积:
196mm2
缓存容量:
16KBL1Cache、256KB/512KB/1MBL2Cache
指令内置:
x86指令集、x86译码器、80位浮点单元、分支预测功能
接口类型:
Socket8
9.IntelPentiumMMX
代号:
P55C
发布时间:
1997年
核心频率:
166~233MHz
总线频率:
60~66MHz
内核电压:
2.8V
I/O电压:
3.3V
制造工艺:
0.35μm
晶体管数目:
450万个
芯片面积:
128mm2
缓存容量:
32KBL1Cache
指令内置:
x86指令集、x86译码器、80位浮点单元、MMX多媒体指令集
接口类型:
Socket7
PentiumMMX有16KB数据缓存、16KB指令缓存和4路写缓存,并增加了从PentiumPro而来的分支预测单元和从Cyrix6x86而来的返回堆栈技术。
新增的57条MMX指令用来处理音频、视频和
图像数据,使CPU在多媒体应用上的能力大大增强。
10.IntelPentiumⅡ代号:
Klamath(1997年上市)、Deschutes(1998年上市)
核心频率:
233~333MHz(66MHz外频)、350~450MHz(100MHz外频)
总线频率:
66~100MHz
制造工艺:
0.35(Klamath)/0.25(Deschutes)μm
核心电压:
2.8V(Klamath)/2.0V(Deschutes)
晶体管数目:
750万个
芯片面积:
130.9mm2
缓存容量:
32KBL1Cache、512KBL2Cache
接口类型:
Slot1
PentiumⅡ是在PentiumPro的基础上将内置的L2Cache移出,与CPU焊在同一块电路板上,然后封装成卡匣形式而成。
外置L2Cache的容量为512KB,以CPU速度的一半运行。
11.IntelCeleron(赛扬)
代号:
Covington
发布时间:
1998年
核心频率:
266~300MHz
总线频率:
66MHz
制造工艺:
0.25μm
晶体管数目:
750万个
芯片面积:
153.9mm2
缓存容量:
32KBL1Cache
接口类型:
Slot1
12.IntelCeleronMendocino(新赛扬)
代号:
Mendocino
发布时间:
1998年
核心频率:
300~533MHz
总线频率:
66MHz
制造工艺:
0.25μm
晶体管数目:
1900万个
芯片面积:
153.9mm2
缓存容量:
32KBL1Cache、128KBL2Cache
接口类型:
Slot1、Socket370
由于具有和PentiumⅡ一样的核心,所以Celeron的浮点能力依然强劲,在游戏和3D图形处理方面与
PentiumⅡ一样出色。
但没有了L2Cache,Celeron的整数性能大打折扣,Celeron266的整数运算能力甚至还不及PentiumMMX233,在与K6-2的争斗中一败涂地。
所以Intel又加入了128KB全速L2Cache,此为新赛扬。
新赛扬只有128KBL2Cache,虽然比起PentiumⅡ的512KB少得多,但其性能并不比PentiumⅡ差。
因为新赛扬的缓存速度与CPU核心频率相同,而PentiumⅡ的缓存速度只有CPU核心频率的一半。
正因为如此,新赛扬不但具有同频PentiumⅡ的高性能,并且具有很强的超频能力,部分300MHzCeleronA能超到令人吃惊的504MHz甚至更高。
13.IntelPentiumⅢ
代号:
Katmai、Coppermine
发布时间:
1999年
核心频率:
450MHz以上
总线频率:
100~133MHz
CPU核心电压:
1.8V
制造工艺:
0.25(Katmai)/0.18(Coppermine)μm
晶体管数目:
950万个
芯片面积:
153.9mm2
缓存容量:
32KBL1Cache、512KBL2Cache
指令内置:
MMX指令集和SSE指令集
PentiumⅢ处理器增加了70条SSE指令,并具有惟一的处理器序列号。
二、AMD阵营
在CPU市场的多年较量中,与Intel始终相执不下的就是 CPU芯片的另一霸主——同是美国公司的AMD了。
从K5起,AMD就一直致力于与Intel争夺在低端应用领域的市场份额。
1.AMDK5
代号:
5K86
发布时间:
1996年
核心频率:
75~133MHz
总线频率:
50~66MHz
CPU核心电压:
3.52V
制造工艺:
0.35μm
晶体管数目:
430万个
芯片面积:
181mm2
缓存容量:
24KBL1Cache(16KB数据Cache、8KB指令Cache)
接口类型:
Socket7
K5是AMD公司第一块自行设计的处理器,时钟频率有90MHz、100MHz、120MHz等几款。
AMD也采用P-Rating系统,该系统本身就是与Cyrix协作开发出来的。
尽管K5的浮点运算能力比6x86稍强一些,但也好不到哪里去。
同时由于K5的时钟频率比不上Cyrix,所以它在CPU市场并不成功。
但是1年以后,分别比90、100和116.66MHz更快的120、133和166MHzAMDP-Rating处理器又杀了回来。
由于推出的时间较晚,因此刚一推出就面临着被Intel公司淘汰出局的悲惨命运。
2.AMDK6
发布时间:
1997年
核心频率:
166~300MHz
总线频率:
66MHz
CPU核心电压:
2.9~3.2V
I/O电压:
3.3V
制造工艺:
0.35~0.25μm
晶体管数目:
880万个
芯片面积:
68/162mm2
缓存容量:
64KBL1Cache
指令内置:
MMX多媒体指令集
接口类型:
Socket7
这是AMD公司并购NexGen公司之后制造的第一代K6处理器,性能基本达到了低频PⅡ处理器的水平,缺点是发热量较大。
K6和Cyrix6x86/MX性能相当。
第一代166MHz和200MHzK6处理器的内核电压是2.9V,输入/输出电压为3.3V,而第二代233、266和300MHz的K6都为3.2V。
AMDK6和Cyrix6x86MX的整数运算能力接近3年前的PentiumPro,但它们的浮点运算速度仍然不快。
3.AMDK6-2
代号:
Chomper
发布时间:
1998年
核心频率:
266~550MHz
总线频率:
66~100MHz
CPU核心电压:
2.2V
制造工艺:
0.25μm
晶体管数目:
930万个
芯片面积:
68mm2
缓存容量:
64KBL1Cache
指令内置:
3DNow!
指令集、MMX多媒体指令集
接口类型:
Socket7
K6-2/3DNow!
采用了和K6一样的内核,支持MMX指令和3DNow!
指令。
随着DirectX和OpenGl等应用程序接口提供对3DNow!
的支持,K6-2处理器在游戏和图形应用领域的表现比其上一代产品有了质的提高。
4.AMDK6-3
代号:
Sharptooth(利齿)
发布时间:
1999年
核心频率:
350~550MHz
总线频率:
66/100MHz
CPU核心电压:
2.2V/2.4V
CPUI/O电压:
3.3V
制造工艺:
0.25μm
晶体管数目:
2130万个
芯片面积:
135mm2
缓存容量:
64KBL1Cache、256KBL2Cache
指令内置:
3DNow!
指令集、MMX多媒体指令集
接口类型:
Socket7
K6-3是AMD公司最后一款支持Super7架构的CPU,其特点是内置了256KB全速L2Cache(超过新赛扬128KB),并持主板上的512KB~2MB三级Cache,支持MMX和3DNow!
指令集,性能不错,但成品率较低,与上一代产品相比价格偏贵。
5.AMDAthlon
代号:
K7
发布时间:
1999年
核心频率:
500MHz以上
总线频率:
200MHz
CPU核心电压:
1.6(K7核心)或1.7V/1.8V(K75核心)
制造工艺:
0.18/0.25μm
晶体管数目:
2130万个
芯片面积:
120mm2
缓存容量:
128KBL1Cache、512KB~8MBL2Cache
指令内置:
3DNow!
指令集、MMX多媒体指令集、部分SSE指令
接口类型:
SlotA
AMDAthlon采用了EV6总线架构,可以上到200MHz的外频,同样支持MMX指令集和3DNow!
指令集。
为了在CPU上集成更多的缓存,AMD不得不从Socket架构转变到Slot架构。
集成在CPU电路板上的L2Cache最大可达到8MB。
Athlon有两种规格,一种采用0.25μm工艺制造,使用K7核心,工作电压为1.6V,缓存速度为内核速度的一半。
另一种采用0.18μm工艺制造,使用K75核心,缓存速度为内核速度的1/3或2/5,工作电压为1.7V或1.8V。
AMD的SlotA架构与Intel的Slot1架构在物理上完全兼容,但电气性能不兼容,因此,用户不能在PentiumⅡ主板上安装Athlon,反之亦然。
Athlon处理器还采用大容量缓存提高性能,在CPU核心中集成了128KB一级缓存,其容量为PentiumⅡ处理器的4倍,而二级缓存则采用类似IntelXeon的配置,标准版本的二级缓存为512KB,工作在处理器主频速度一半的状态下。
Athlon还具备3个并行的超标量结构,在一个时钟周期中可以处理比PentiumⅢ更多的指令。
除了上述CPU市场的两大霸主外,几年来,由于众多的厂商都看好CPU芯片这个市场,于是便有了以下的内容。
三、非Intel、AMD“Inside”一派
1.Cyrix6x86/6x86L
发布时间:
1995年
核心频率:
100~150MHz
总线频率:
50~75MHz
CPU核心电压:
3.3V/3.52V(6x86)/2.8V(6x86L)
I/O电压:
3.3V/3.52V(6x86)/3.3V(6x86L)
制造工艺:
0.65μm(6x86)/0.35μm(6x86L)
晶体管数目:
300万个
缓存容量:
16KBL1Cache
接口类型:
Socket7
美国Cyrix公司是第一家胆敢与PentiumPro一较高低的公司,就像其将CPU命名为6x86一样,多少有点瞒天过海的味道,这是试图超越Intel高性能处理器的第一次尝试。
不幸的是,6x86并没有击败PentiumPro。
汲取了以前的教训,Cyrix决定改变它的市场策略,转而用6x86与Pentium竞争。
6x86的运行速度比同频率的Pentium要快一个级别,如时钟频率为133MHz的6x86与166MHz的Pentium相当。
也因为这个成就,Cyrix和AMD让用户们明白了在较慢的时钟频率下,处理器的速度可以更快。
于是,一种名为“P-Rating”(性能评级)的处理器评级系统出现了(也是后来AMD公司所采用的方式)。
“P-Rating”简单衡量了6x86处理器相对于Pentium的性能。
133MHz的6x86之所以叫做“Cyrix6x86P166+”,是因为它的速度和Pentium166相差无几。
但6x86的浮点运算能力很差,6x86P166+的浮点能力仅与Pentium90相当。
由于6x86的发热量很大,所以Cyrix推出了一款采用双电压设计的6x86L,核心电压为2.8V,大大降低了发热量。
不过6x86和6x86L都存在一定的兼容性问题,有些软件需要安装特定的补丁程序才能正常运行。
在Intel推出PentiumMMX以后,Cyrix也推出了6x86MX,其整数性能在当时是最高的,但浮点运算能力依然没有多大改观。
2.CyrixMⅡ发布时间:
1998年
核心频率:
225~300MHz
总线频率:
66~100MHz
CPU核心电压:
2.8V
I/O电压:
3.3V
制造工艺:
0.35~0.25μm
晶体管数目:
650万个
缓存容量:
64KBL1Cache
接口类型:
Socket7
在推出6x86后,为了进一步与PentiumMMX争夺市场,Cyrix沿用Cyrix6x86MX的设计模式,生产出了名叫CyrixMⅡ的新型处理芯片。
从6x86到MⅡ的变化,不仅在于其MMX指令集的改变,整个处理器的设计工艺也有所变化。
如果配合Cyrix专用的散热芯片和风扇,MⅡ不再烫得可怕,同时FPU(FloatPointUnit,浮点运算单元)的性能也大幅提高了。
但它的总体性能仍比PentiumMMX低,甚至在AMDK6之下。