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1、第二章 CPU 相关技术第二章 CPU 的发展及相关产品技术C P U (C e n t r a l P r o c e s s i n g U n i t)，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C PU 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4 86 、5 8 6 (P e n t i u m)、P 、P 、P4 之分。C PU 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C PU 有不同的执行功能，不同的处理速度。

2、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P e n t i um 系列是5 86 机种的C PU，型号后的数字即为它的工作频率(时钟频率)，单位是M Hz 。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，C PU 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I n t el 、AMD 和V I A(威盛)三家为主，我们将以他们的产品为介绍重点。一、Intel 阵营I n t e l(英特尔)公司大家已经是如雷贯耳，

3、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I n t el 就一定不会陌生。I n t el 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I n t el 公司就不能不谈谈I n t e l C PU 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，I n t el 的CPU 芯片主要经历了以下几个发展阶段:1 .I n t e l 4 0 041971 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2 3 00 个晶体管，由于性能很差，市场反应冷淡。2 .I n t e l

4、 8 0 8 0 /8 0 85在4 0 04 之后，I n t el 公司又研制出了8080 处理器和8 0 85 处理器，加上当时美国M o t o r o la 公司的M C 6 8 00 微处理器和Z i l og 公司的Z80 微处理器，一起组成了8 位微处理器家族。 3 .I n t e l 8 0 8 6 /8 0 8816微处理器的典型产品是I n t el 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8 0 87 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 8 0 86

5、 和8 0 87，因此被人们统称为x 86 指令集。此后I n t el 推出新一代CPU 产品均兼容原来的x 86 指令集。1979 年I n t el 公司推出了8 0 86 的简化版8088 芯 片，它仍是16 位微处理器，内含2 9 0 00 个晶体管，时钟 频率为4 .7 7 M Hz，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，8 0 88 芯片被首次用于I B M PC 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8 0 88 则可以说是家喻户晓了，P C(个人电脑)

6、机的第一代C PU 便是从它开始的。4 .I n t e l 8 0 2 861982 年的I n t e l 8 0 2 86 虽然是16 位芯片，但是其内部已包含了1 3 .4 万个晶体管，时钟频率也到了前所未有的2 0 M Hz 。其内、外部数据总线均为16 位，地址总线为24 位，可以使用1 6 MB 内存，工作方式包括实模式和保护模式两种。5 .I n t e l 8 0 3 8 6 D X /8 0 3 8 6 SX32 位微处理器的代表产品首推I n t el 公司1 9 85 年推出的 8 0 3 86，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

7、内部包含了2 7 .5 万个晶体管，时钟频率为1 2. 5MHz，后逐步提高到3 3 M Hz 。8 0 3 86 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4 GB 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3 86 的工作方式，可 以通过同时模拟多个8 0 86 处理器来提供多任务能力。1 9 89 年，I n t el 公司又推出准32 位处理器芯片8 0 3 8 6 SX 。它 的内部数据总线为32 位，与8 0 3 86 相同，外部数据总线为16 位。 也就是说，8 0 3 8 6 SX 的内部处理速度与8 0 3 86 接近，也支持真正 的多

8、任务操作，并且可以使用为8 0 2 86 开发的输入/输出接口芯片。8 0 3 8 6 SX 的性能优于8 0 2 86，而价格只及8 0 3 86 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8 0 3 87 数学协处理器。 6 .I n t e l 8 0 4 8 6 D X /8 0 4 8 6 SX1 9 89 年，8 0 4 86 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 、4 0 M Hz 和50MHz 。80486 内含 80386 和数字协处理器80387 以及一

9、个8KB 的高速缓存，并在x 86 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，8 0 4 86 的性能比带有8 0 3 87 数学协处理器的8 0 3 86 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4 8 6 SX 两种，其价格也相差许多。随着芯片技术的不断发，C PU 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C PU 倍频技术，该技术使C PU 内部工作

10、频率为处理器外频的2 3 倍，4 8 6 D X2 、 4 8 6 D X4 的名字便是由此而来。以后的日子里，C PU 开始了突飞猛进的发展。7 .I n t e l P e n t i u m C l a s s i c(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 0.35 m晶体管数目:310 330 万个芯片面积:191mm 2缓存容量:16KB L1 Cache指令内置:x 86 指令集、x 86 译码器、80 位浮点单元接口类型:Socket 7早期的Pentium 处理器(主要是Penti

11、um 60 和Pentium 66)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，P e n t i um 再度成为市场上最畅销的产品。8 .I n t e l P e n t i u m P r o(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 0.35 m晶体管数目:550 700 万个芯片面积:196mm 2缓存容量:16KB L1 Cache 、256KB/512KB/1MB L2 Ca

12、che指令内置:x 86 指令集、x 86 译码器、80 位浮点单元、分支预测功能接口类型:Socket 89 .I n t e l P e n t i u m M MX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:2.8VI/O 电压:3.3V制造工艺:0.35 m晶体管数目:450 万个芯片面积:128mm 2缓存容量:32KB L1 Cache指令内置:x 86 指令集、x 86 译码器、80 位浮点单元、M MX 多媒体指令集接口类型:Socket 7P e n t i u m M MX 有1 6 KB 数据缓存、 1 6 KB

13、指令缓存和4 路写缓存，并增加了 从Pentium Pro 而来的分支预测单元和从 Cyrix 6x86 而来的返回堆栈技术。新增 的57 条M MX 指令用来处理音频、视频和图像数据，使C PU 在多媒体应用上的能 力大大增强。1 0 .I n t e l P e n t i u m 代号:K l a m a t h (1 9 97 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)m核心电压:2.8V(

14、Klamath)/2.0V(Deschutes)晶体管数目:750 万个芯片面积:130.9mm 2缓存容量:32KB L1 Cache 、512KB L2 Cache接口类型:Slot 1Pentium 是在Pentium Pro 的基础上将内置的L2 Cache 移出，与C PU 焊在同一块电路板上，然后封装成卡匣形式而 成。外置L 2 C a c he 的容量为5 1 2 KB，以C PU 速度的一半运行。1 1 .I n t e l C e l e r o n(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:0.25 m晶

15、体管数目:750 万个芯片面积:153.9mm 2缓存容量:32KB L1 Cache接口类型:Slot 11 2 .I n t e l C e l e r o n M e n d o c i n o(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:0.25 m晶体管数目:1900 万个芯片面积:153.9mm 2缓存容量:32KB L1 Cache 、128KB L2 Cache接口类型:Slot 1 、Socket 370由于具有和Pentium 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

16、与P e n t i u m 一样出色。但没有了L 2 C a c he，C e l e r on 的整数性能大打折扣，Celeron 266 的整数运算能力甚 至还不及Pentium MMX 233，在与K6-2 的争斗中一败 涂地。所以I n t el 又加入了1 2 8 KB 全速L 2 C a c he，此为新赛扬。新赛扬只有128KB L2 Cache，虽然比 起P e n t i u m 的5 1 2 KB 少得多，但其性能 并不比P e n t i u m 差。因为新赛扬的缓存 速度与C PU 核心频率相同，而P e n t i u m 的缓存速度只有C PU 核心频率的一半。

17、正因为如此，新赛扬不但具有同频 P e n t i u m 的高性能，并且具有很强的超 频能力，部分300MHz Celeron A 能超到令 人吃惊的5 0 4 M Hz 甚至更高。1 3 .I n t e l P e n t i u m 代号:K a t m ai 、C o p p e r m i ne发布时间:1999 年核心频率:450MHz 以上总线频率:100 133MHzCPU 核心电压:1.8V制造工艺:0.25(Katmai)/0.18(Coppermine)m晶体管数目:950 万个芯片面积:153.9mm 2缓存容量:32KB L1 Cache 、512KB L2 Cac

18、he指令内置:MMX 指令集和SSE 指令集Pentium 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 .A M D K5代号:5K86发布时间:1996 年核心频率:75 133MHz总线频率:50 66MHzCPU 核心电压:3.52V制造工艺:0.35 m晶体管数目:430 万个芯片面积:181mm 2缓存容量:24KB L1 Cache(16KB 数据Cache

19、、8KB 指令Cache)接口类型:Socket 7K5 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166MHz AMD P-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

20、 .A M D K6发布时间:1997 年核心频率:166 300MHz总线频率:66MHzCPU 核心电压:2.9 3.2VI/O 电压:3.3V制造工艺:0.35 0.25 m晶体管数目:880 万个芯片面积:68/162mm 2缓存容量:64KB L1 Cache指令内置:MMX 多媒体指令集接口类型:Socket 7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P 处理器的水平，缺点是发热量较大。K6 和Cyrix 6x86/MX 性能相当。第一代1 6 6 M Hz 和200MHz K6 处理器的内核电压是2 .9V，输入/输出电压为3.3V

21、，而第二代2 33 、2 66 和3 0 0 M Hz 的K6 都为3 .2V 。A MD K6 和C y r i x 6 x 8 6 MX 的整数运算能力接近3 年前的P e n t i u m P ro，但它们的浮点运算速度仍然不快。3 .A M D K 6 -2代号:Chomper发布时间:1998 年核心频率:266 550MHz总线频率:66 100MHzCPU 核心电压:2.2V制造工艺:0.25 m晶体管数目:930 万个芯片面积:68mm 2缓存容量:64KB L1 Cache指令内置:3 D N o w!指令集、M MX 多媒体指令集接口类型:Socket 7K6-2/3DN

22、ow!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 .A M D K 6 -3代号:Sharptooth(利齿)发布时间:1999 年核心频率:350 550MHz总线频率:66/100MHzCPU 核心电压:2.2V/2.4VCPU I/O 电压:3.3V制造工艺:0.25 m晶体管数目:2130 万个芯片面积:135mm 2缓存容量:64KB L1 Cache 、256KB L2 Cache指令内置:3 D N o w

23、!指令集、MMX 多媒体指令集接口类型:Socket 7 K6-3 是AMD 公司最后一款支持Super 7 架构的CPU，其特 点是内置了256KB 全速L2 Cache(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 .A M D A t h l on代号:K7发布时间:1999 年核心频率:500MHz 以上总线频率:200MHzCPU 核心电压:1.6(K7 核心)或1.7V/1.8V(K75 核心)制造工艺:0.18/0.25 m晶体管数目:2130 万个芯片面积:120

24、mm 2缓存容量:128KB L1 Cache 、512KB 8MB L2 Cache指令内置:3DNow!指令集、MMX 多媒体指令集、部分SSE 指令接口类型:Slot A AMD Athlon 采用了E V6 总线架构，可以上到2 0 0 M Hz 的 外频，同样支持M MX 指令集和3 D N o w!指令集。为了在C PU 上集成更多的缓存，A MD 不得不从Socket 架构转变到S l ot 架构。集成在CPU 电路板上的L 2 C a c he 最大可达到8 MB 。Athlon 有两种规格，一种采用0.25 m 工艺制造，使用K7 核心，工作电压为1 .6V，缓存速度为内核速

25、度的一半。另 一种采用0 .18 m 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 Slot A 架构与Intel 的Slot 1 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P e n t i u m 主板上安装A t h l on，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Pentium处理器的4 倍，而二级缓存则采用类似Intel Xeon 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。A t h l on 还具

26、备3 个并行的超标量结构，在一个时钟周期中可以处理比Pentium 更多的指令。除了上述C PU 市场的两大霸主外，几年来，由于众多的厂商都看好C PU 芯片这个市场，于是便有了以下的内容。三、非I ntel 、AMD “I nsi de ”一派1 .C y r i x 6 x 8 6 /6 x 8 6L发布时间:1995 年核心频率:100 150MHz总线频率:50 75MHzCPU 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:0.65 m(6x86)/0.35 m(6x86L)晶体管数目

27、:300 万个缓存容量:16KB L1 Cache接口类型:Socket 7美国Cyrix 公司是第一家胆敢与P e n t i u m P ro 一较高低的公司，就像其将CPU 命名为6 x 86 一样， 多少有点瞒天过海的味道，这是试图超越I n t el 高性能处理器的第一次尝试。不幸的是，6 x 86 并没 有击败P e n t i u m P ro 。汲取了以前的教训，C y r ix 决定改变它的市场策略，转而用6x86 与P e n t i um 竞争。6x86 的运行速度比同频率的P e n t i um 要快一个级别，如时钟频率为1 3 3 M Hz 的6x86 与166MH

28、z 的P e n t i um 相当。也因为这个成就，C y r ix 和A MD 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 -R a t i ng ”(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6 x 86 处理器相对于Pentium 的性能。133MHz 的6x86 之所以叫做“Cyrix6x86 P166+”，是因为它的速度和Pentium 166 相差无几。但6x86 的浮点运算能力很差，6x86 P166+的浮点能力仅与Pentium 90 相当。由于6 x 86 的发热量很大，所以C

29、y r ix推出了一款采用双电压设计的6 x 8 6L，核心电压为2 .8V， 大大降低了发热量。不过6x86 和6 x 8 6L 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 I n t el 推出P e n t i um MMX 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.Cyri x M 发布时间:1998 年核心频率:225 300MHz总线频率:66 100MHzCPU 核心电压:2.8VI/O 电压:3.3V制造工艺:0.35 0.25 m晶体管数目:650 万个缓存容量:64KB L1 Cache接口类型:Socket 7在推出6x86后，为了进一步与Pentium MMX 争夺市场，Cyrix沿用C y r i x 6 x 8 6 MX 的设计模式，生产出了名叫 C y r i x M 的新型处理芯片。从6 x 86 到M 的变化，不仅在于其M MX 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，M 不再烫得可怕，同时F PU (F l o a t P o i n t U n it，浮点运算单元)的性能也大 幅提高了。但它的总体性能仍比P e n t i u m M MX 低， 甚至在A M D K6 之下。