小知识CPU的发展史.docx

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小知识CPU的发展史

小知识--CPU的发展史

（转自）

   说到CPU就不能不提及一些相关的概念。

我们就来先了解一些概念吧！

CPU是CentralProcessingUnit的缩写，即中央处理器。

CPU是整个微机系统的核心，它往往是各种档次微机的代名词，CPU的性能大致上反映出微机的性能。

   再来看看一些关于CPU的概念：

   1.主频,倍频,外频:

主频是CPU的时钟频率（CPUClockSpeed）即系统总线的工作频率。

一般说来，主频越高，CPU的速度越快。

由于内部结构不同，并非所有的时钟频率相同的CPU的性能都一样。

外频即系统总线的工作频率;倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。

三者关系是：

主频=外频x倍频。

   2.内存总线速度（Memory-BusSpeed）:

指CPU与二级（L2）高速缓存和内存之间的通信速度。

   3.扩展总线速度（Expansion-BusSpeed）:

指安装在微机系统上的局部总线如VESA或PCI总线接口卡的工作速度。

   4.工作电压（SupplyVoltage）:

指CPU正常工作所需的电压。

早期CPU的工作电压一般为5V，随着CPU主频的提高，CPU工作电压有逐步下降的趋势，以解决发热过高的问题。

   5.地址总线宽度:

地址总线宽度决定了CPU可以访问的物理地址空间，对于486以上的微机系统，地址线的宽度为32位，最多可以直接访问4096MB的物理空间。

目前AMD和Intel基于X86-64的CPU能够提供更大的地址总线宽度。

   6.数据总线宽度:

数据总线宽度决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量。

   7.内置协处理器:

含有内置协处理器的CPU，可以加快特定类型的数值计算，某些需要进行复杂计算的软件系统，如高版本的AUTOCAD就需要协处理器支持。

   8.超标量:

是指在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令。

Pentium级以上CPU均具有超标量结构；而486以下的CPU属于低标量结构，即在这类CPU内执行一条指令至少需要一个或一个以上的时钟周期。

   9.L1高速缓存即一级高速缓存:

内置高速缓存可以提高CPU的运行效率。

内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，这也正是一些公司力争加大L1级高速缓冲存储器容量的原因。

不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。

   10.采用回写（WriteBack）结构的高速缓存:

它对读和写操作均有效，速度较快。

而采用写通（Write-through）结构的高速缓存，仅对读操作有效。

   11.CPU的指令集：

指令集是CPU所能执行的所有指令的集合.从现阶段主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分。

而从具体运用看，多媒体指令集又是其中我们最熟悉、最引人注目的一种,它包括了MMX/SSE/3DNow!

等......

   12.精简指令集：

计算机CPU的一种设计架构，也被称为RISC（ReducedInstructionSetComputing的缩写）。

这种指令集的特点是指令数目少，每条指令都采用标准字长、执行时间短。

   SOCKET

   PC机从386时代开始普遍使用Socket插座来安装CPU，从Socket4、Socket5、Socket7到现在的Socket370。

以我们最常见的Socket7为例，它是方形多针角零插拔力插座，插座上有一根拉杆，在安装和更换CPU时只要将拉杆向上拉出，就可以轻易地插进或取出CPU芯片了。

Socket7插座适用范围很广，不但可以安装IntelPentium、PentiumMMX，还可以安装AMDK5、K6、K6-2、K6-III、CyrixMII等等处理器。

与Socket7搭配的主板芯片组主要有IntelVX、HX、TX，VIAVP2、VP3等，它们支持的CPU外部频率一般为66、75以及83MHz，其中VX、TX和VP3除了支持普通的SIMM（72线内存）外，还支持DIMM（168线内存），VIA的VP3芯片组更是支持AGP图形接口标准。

随后出现的Super7标准是在Socket7基础上发展起来的，与后者相比，Super7结构增加了对处理器100MHz外频、AGP的支持，其代表产品为VIA的MVP3芯片组，Super7架构可以支持AMDK6-2、K6-III处理器。

   Slot

   再来看看Slot1，这种接口方式是由Intel提出的，它是一个狭长的242引脚的插槽，可以支持采用SEC（单边接触）封装技术的PentiumII、PentiumIII和Celeron处理器，除了接口方式不同外，Slot1所支持的特性与Super7系统没有什么太大的差别。

IntelLX、EX和IntelBX、VIAApolloPro芯片组是其中的代表，前两种最高只能达到83MHz外频，而后两者可以支持最高到150MHz的外频。

Slot2接口标准与Slot1类似，不过它是面向高端服务器市场的，与其搭配的主板芯片组为IntelGX、NX，处理器为Xeon至强。

与Slot1、Slot2不同，SlotA接口标准是由Intel的竞争对手AMD提出的，它支持AMDK7处理器，与其搭配的芯片组为AMD自己的AMD751芯片，VIA作为非Intel阵营的战士之一，届时也会有支持K7的芯片组问世。

虽然从外观上看SlotA与Slot1十分相像，但是由于它们的电气性能不同，两者并不兼容。

   CPU制造工艺

   早期的处理器都是使用0.5微米工艺制造出来的，随着CPU频率的增加，原有的工艺无法满足产品的要求，这样便出现了0.35微米......以及现在普遍使用的0.09，0.065微米工艺。

   1971年，INTEL（英特尔）公司推出了世界上第一台微处理器4004。

Intel4004微处理器集成了2250个晶体管，每个晶体管的距离是10微米，它能够处理4比特的数据，每秒运算6万次，运行的频率为108Khz，成本不到100美元。

英特尔公司的首席执行官戈登·摩尔将4004称之为“人类历史上最具革新性的产品之一”。

   Intel4004微处理器功能较弱，计算速度较慢，以至于只能在Busicom计算器上使用，更不用说进行复杂的数学计算了。

但是相比第一套计算机ENIAC来说，功能和体积有了长足的进步。

   1978年，INTEL公司推出了命名为i8086的16位微处理器，同时还生产出与之相配合的数学协处理器i8087，由于这两种芯片所用的指令集相互兼容，所以人们统称它们为“X86”指令集。

   Intel推出了8086处理器，到今天为止它仍然是所有x86兼容处理器的基础。

   Intel8086集成2.9万只晶体管，时钟频率为4.77MHz，内部数据总线（CPU内部传输数据的总线）、外部数据总线（CPU外部传输数据的总线）均为16位，地址总线为20位，可寻址1MB内存。

   1979年Intel推出8088处理器。

Intel8088处理器内含29000个晶体管，地址总线为20位，时钟频率为4.77MHz，可以使用1M内存。

8088处理器的内部数据处理总线为16位，外部数据总线为8位。

8088芯片在IBMPC中的使用也开创了全新的微机时代。

   1981年Intel发布了一个不太重要的CPU——80186，这颗CPU没有被PC厂商所采纳，据说主要是软件兼容的问题而被废弃；

   1982年Intel在8086的基础上，推出了80286芯片。

286芯片具备16位字长，集成了14.3万只晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。

其内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位。

与8086相比，80286寻址能力达到了16MB，可以使用外存储设备模拟大量存储空间，从而大大扩展了80286的工作范围，还能通过多任务硬件机构使处理器在各种任务间来回快速切换，以同时运行多个任务，其速度比8086提高了5倍甚至更多。

   1985年10月17日Intel发布了80386处理器。

80386处理器被广泛应用在1980年代中期到1990年代中期的IBMPC兼容机中。

这些PC机称为“80386电脑”或“386电脑”，有时也简称“80386”或“386”。

80386处理器首次在x86处理器中实现了32位系统，可配合使用80387数字协处理器增强浮点运算能力，并且首次采用高速缓存（外置）解决内存速度瓶颈问题。

   80386有三种工作模式：

实模式、保护模式、虚拟86模式。

实模式为DOS系统的常用模式，直接内存访问空间被限制在1M字节；保护模式下80386-DX可以直接访问4G字节的内存，并具有异常处理机制；虚拟86模式可以同时模拟多个8086处理器来加强多任务处理能力。

   80386的广泛应用，将PC机从16位时代带入了32位时代。

80386的强大运算能力也使PC机的应用领域得到巨大扩展，商业办公、科学计算、工程设计、多媒体处理等应用得到迅速发展。

   1989年，80486处理器面市。

80486处理器集成了120万个晶体管，时钟频率由25MHz逐步提升到50MHz。

80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，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协处理器的80386提高了4倍。

早期的486分为有协处理器的486DX和无协处理器的486SX两种，其价格也相差许多。

随着芯片技术的不断发展，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。

   1993年，全面超越486的新一代586处理器问世，为了摆脱486时代处理器名称混乱的困扰，最大的CPU制造商Intel公司把自己的新一代产品命名为Pentium（奔腾）以区别AMD和Cyrix的产品。

   Pentium处理器包含了310万个晶体管，内置了16K的L1Cache，时钟频率由最初的60Mhz和66Mhz到后来的200MHz。

   1995年秋天，英特尔发布了PentiumPro处理器。

PentiumPRO是英特尔首个专门为32位服务器、工作站设计的处理器，主频有150/166/180和200MHz四种。

PentiumPro处理器总共集成了550万个晶体管，并且整合了高速二级缓存芯片，性能比Pentium更胜一筹。

   PentiumPro处理器将L2cache与CPU封装在一起——“PPGA封装技术”（L2cache在486和Pentium中都是设置在主板上），两个芯片之间用高频宽的总线互连，连接线路也被安置在封装中。

这使得内置的L2cache能更容易地运行在更高的频率上，从而大大提高程序的执行速度。

   外部地址总线扩展至36位，处理器的直接寻址能力64GB，为将来发展留下余地。

采用动态执行技术，这是Pentium处理器技术的又一次飞跃。

该技术通过预测程序流程并分析程序的数据流，可选择最佳的指令执行顺序。

意即指令不必按程序为它规定的顺序执行，只要条件具备就可以执行，从而使程序达到更高的运行效率。

   PentiumPro处理器在技术上取得了较大的进步，但是PentiumPro处理器高昂的价格使得这款处理器没有良好的销售业绩。

于是1996年，Intel公司推出了PentiumMMX处理器。

   PentiumMMX是英特尔在Pentium内核基础上改进，最大的特点是增加了57条MMX指令。

这些指令专门?

ahref=../../../../2/data/bear/cs/cs131/index.htmtarget=_blank>美创硪羰悠迪喙氐募扑悖康氖翘岣逤PU处理多媒体数据的效率。

MMX指令非常成功，在之后生产的各型CPU都包括这些指令集。

   1997年英特尔发布了PentiumII处理器。

其内部集成了750万个晶体管，并整合了MMX指令集技术。

此时，英特尔PentiumII架构已经从Socket7转成Slot1，并首次引入了S.E.C封装（SingleEdgeContact）技术，将高速缓存与处理器整合在一块PCB板上。

Slot1的PentiumII晶体管数为900万，并且具有两种版本的核心：

Klamath与Deschutes。

   1997年底，Intel推出了没有集成二级缓存的Celeron处理器。

由于性能不佳很快就淘汰出了市场。

   1998年Intel发布了PentiumIIXeon（至强）处理器。

Xeon是英特尔引入的新品牌，当时Intel公司为了区分服务器市场和普通个人电脑市场，决定研制全新的服务器CPU，命名也跟普通CPU做了一些明显的区分，称为PentiumIIXeon，取代之前所使用的PentiumPro品牌。

   PentiumIIXeon处理器不但有更快的速度，更大的缓存，更重要的是可以支持多达4路或者8路的SMP对称多CPU处理功能，它采用和PentiumIISlot1接口不同的Slot2接口，必须配合专门的服务器主板才能使用。

   1998年上半年，Intel在吸取了集成二级缓存的Celeron处理器的教训，推出了堪称经典的Celeron处理器。

   这款Celeron处理器集成了二级缓存，并且采用了66MHz的前端总线，可以轻易的超至100MHz。

这使得这款处理器可以稳定运行在450MHz的速度。

超频到450MHz的Celeron300A处理器足以与比它贵不少的PentiumII400抗衡。

   1999年，Intel的新一代产品PentiumIII处理器，它采用0.25微米制造工艺，新的SECC2插口。

PentiumIII处理器拥有32K一级缓存和512K二级缓存（运行在芯片核心速度的一半下），包含MMX指令和Intel自己的“3D”指令SSE，最初发行的PIII有450和500MHz两种规格，其系统总线频率为100MHz。

   同年10月，Intel推出了基于0.18微米工艺制造的PentiumIII处理器，这款PentiumIII处理器有256K在片二级高速缓存，代码名为Coppermine。

Coppermine以733MHz登台。

随着工艺尺寸从0.25微米减少到0.18微米，不仅提高了PentiumIII处理器的时钟速度，也使Intel推出了集成的二级高速缓存。

虽然集成的二级高速缓存只有老式PentiumIII处理器的一半，但在处理器全速下运行，性能仍有显著提高。

   其后Intel推出了PentiumIIIXeon处理器。

作为PentiumIIXeon的后继者，除了在内核架构上采纳全新设计以外，也继承了PentiumIII处理器新增的70条指令集，以更好执行多媒体、流媒体应用软件。

除了面对企业级的市场以外，PentiumIIIXeon加强了电子商务应用与高阶商务计算的能力。

Intel还将Xeon分为两个部分，低端Xeon和高端Xeon。

其中，低端Xeon和普通的Coppermine一样，仅装备256KB二级缓存，并且不支持多处理器。

这样低端Xeon和普通的PentiumIII的性能差距很小，价格也相差不多；而高端Xeon还是具有以前的特征，支持更大的缓存和多处理器。

   2000年Intel推出了CeleronII处理器。

CeleronII处理器核心源于Coppermine，Coppermine的二级缓存为256KB，而CeleronII处理器的二级缓存为128KB。

第一批CeleronII处理器的外频为66MHz，与CeleronA处理器相同。

随后Intel把CeleronII处理器的外频提高到了100MHz。

   在这时期市场上还有TualatinCeleron和TualatinPentiumIII处理器销售。

   进入21世纪，Intel处理器也进入全新的Pentium4时代。

到目前为止Pentium4共采用了Willamette,Northwood和Prescott核心的三种。

   其中Willamette核心属于Pentium4最早期的产品，是采用0.18微米工艺制造的，代表产品有P41.7G和P41.8G。

因为它发热量比较大、频率提升比较困难，而且二级缓存只有256KB，所以总体性能并不理想，特别是对于超频用户来说，这类产品难以让人感到满意。

因此Intel很快就开发出了Northwood核心的产品，以满足消费者的需求。

Northwood核心的Pentium4采用0.13微米工艺制造，相比Willamette内核的处理器，其主频有了很大飞跃，二级缓存也从256K翻番到512KB。

而Prescott核心的Pentium4采用了另人咋舌的31级流水线设计，配备16KB的一级数据缓存和多达1MB的二级缓存。

   在这期间，Intel也推出了Northwood核心的Celeron处理器。

Northwood核心的Celeron处理器拥有128kB二级缓存不支持超线程技术。

其后又推出了基于Prescott核心的CeleronD处理器。

   到此Intel处理器的发展说完了，其中也有不少遗漏望大家见谅。

Intel的处理器的发展史在一定程度上也代表了家用微处理器的发展史，但是我们也不能单纯的谈Intel，而抛开AMD和Cyrix。

下面就来看看AMD和Cyrix的发展历程。

   AMD处理器被人们广泛了解是从AMDK5开始的。

   AMDK5并没有代号，内部名称5K86，内建430万晶体管，350nm工艺。

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。

尽管K5的浮点运算能力比6x86稍强一些。

但由于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。

但是AMDK5在时间上已经先失一招，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。

   在AMDK6时代最为有名的是AMDK6-2。

对于AMD来说，K6-2是相当成功的产品，主因归于低价电脑的盛行，高效能不再是选购电脑唯一的指标，AMD获得了消费者的认同，提高了它在市场上的占有率。

   AMDK6-2处理器采用了0.25微米五层金属工艺制造，内含930万个晶体管。

AMDK6-2的最大特色是采用了3DNEW技术。

采用3Dnow!

技术的K6－2，具有单指令多数据（SIMD）性能，即用一条指令便可同时处理多个数据，明显加快了CPU的3D处理速度。

K6－2/300的性能直逼PⅡ300，而价格却相对便宜；

   接着AMD推出了K6-2+和K6-3型处理器。

这两款产品都可以看作K6-2的升级版，其中K6-3比K6-2+先推出。

这两款处理器与K6-2的区别在于二级缓存的不同。

K6-2的二级缓存是建立在主板上的，并以外频速度来工作。

而K6-3仿造PIII处理器，把二级缓存放进了CPU内部。

   不过其价格较高，影响了市场的推广。

同样把二级缓存放进了CPU内部的K6-2+处理器是AMD在Super7上的终极之作。

K6-2+处理器在z综合性能上并不输于CeleronII处理器。

   接着就到了AMDK7的时代。

说到K7处理器就不能不提Duron（毒龙）和AthlonXP（速龙）处理器。

Duron（毒龙）处理器是K7时代的低端处理器。

Duron（毒龙）的L1和L2Cache均采用的是全速Cache，运行速度和处理器核心同速，性能和Thunderbird雷鸟一样强大。

   AthlonXP（速龙）处理器是AMD的一款成功之作。

AthlonXP（速龙）处理器与雷鸟相比较的改进在于支持SSE指令集并且一级缓存中的数据TLB（转换表缓冲区）由32增加到了40个记录，数据与指令的L1和L2TLB可以分别独立运行，而且TLB记录能够推断来预先写入。

   随后Thoroughbred取代了Palomino核心的AthlonXP处理器。

在为了应对800MHz前端总线的P4时，AMD又推出了采用512KB二级缓存，333/400MHz前端总线的Barton核心的处理器。

   2003年9月23日，AMD推出了Athlon64处理器。

   再来看看Cyrix。

Cyrix本来与Intel和AMD齐名的，但是由于种种原因这家芯片大厂没有跟上时代的步伐。

最终落了个被VIA收购的下场。

由于Cyrix较早收购，以及以后VIA推出的处理器普及率不高就不再详细介绍了。

   算一下微处理器的发展史也不过30余年，但在这30余年里微处理器的发展历程却是天翻地覆的变化。

从Intel的4004开始，到了Intel，AMD，Cyrix三足鼎立，到Intel一家独大，再到现在Intel，AMD份挺抗衡。

时代的进步，科技的发展。

30余年，给人带来的回忆是太多太多。