简述CPU的发展史

简述Intel系列CPU的发展史CPU(Central Processing Unit)，中文全称中央处理器。从1971年Intel发布了全世界第一款微处理器芯片4004以来,它的发展速度之快实在令人咋舌。那么CPU从研发至今，到底经过了哪些变化呢，我们主要查询了Intel公司的芯片生产历程资料。根据微处理器的字长和功能，可将其发展划分为以下几个阶段。第1阶段第1阶段（19711973年）是4位和8位低档微处理器时代，通常称为第1代，其典型产品是Intel4004和Intel8008微处理器和分别由它们组成的MCS-4和MCS-8微机。众所周知，世界上第一款商用计算机微处理器是Intel公司于Intel 4004微处理器（如Error! Reference source not found.）。就像当时的广告说的一样，它是一件划时代的作品；其首席执行官戈登.摩尔将4004称之为人类历史上最具革新性的产品之一。其诞生的原因是最初Intel专门为日本一家名为Busicom的公司设计制造一款用于该公司的计算器产品。但由于技术原因，Intel的延期交货让Busicom公司颇为恼怒。与此同时，计算器领域的竞争日益激烈，当Intel彻底完成4004芯片的设计和样品的生产时，Busicom公司要求Intel打折扣，Intel同意了，但是它附加了一个条件：允许Intel在除计算器芯片市场之外的其它市场上自由出售4004芯片。至此，Intel公司完成了从单一的存储器制造商向微处理器制造商的转型。为什么第一款芯片编号要叫做4004呢，因为第一个“4”是代表客户订购的产品编号，后一个“4”则是代表此芯片是Intel公司制作的第四个定制芯片，在此之前还有Intel还曾开发出4001（动态随机存储器DRAM）、4002（只读存储器ROM）、4003（寄存器（Register），三者再加上4004，就可架构出一台微型计算机系统。虽然第一款商用计算机微处理器是作为“一件划时代的作品”，但站在今天的角度，它还是比较简单的芯片，其主要参数如Error! Reference source not found.。表格 1 Intel4004 8008主要参数中文名称发布年运行频率/最高频率前端总线针脚数量核心技术/晶体管数量英特尔40041971108KHZ4Bit16针10微米/2300英特尔80081972500-800KHZ8bit16针10微米/3500图 1 Intel 4004微处理器当4004芯片推出以后，当时的业内对其反应相当平淡，因为其处理能力相当有限。但当一年后Intel推出8008微处理器（如）时，业内的目光都几乎集中在Intel身上了。因为8008的晶体管数量已经达到了3500个，超过4004一半，工作频率200KHZ，且能处理8比特数据。更为重要的是还获得了处理器指令系统。因为最初8008原本是为德克萨斯州的DataPoint公司设计的，由于这家公司财力不足以支付费用，于是双方达成协议，Intel拥有芯片的所有知识产权并获得DataPoint公司开发的指令集。正是这套指令集奠定了英特尔公司X86系列微处理器指令集的基础。图 2 Intel 8008微处理器第2阶段第二阶段（19741977年）是8位中高档微处理器时代，通常称为第2代，其典型产品是Intel8080/8085、Motorola公司、Zilog公司的Z80等。图 3 Intel8080Intel8080在1974年发布，是一枚8位元处理器。它集成6000只晶体管，每秒运算29万次，拥有16位地址总线和8位数据总线，这是一个相当成功的设计，有效解决了外部设备在内存寻址能力不足的问题。自1975年第一台个人电脑诞生以后，8080芯片帮助英特尔在几年后占据了电脑芯片的霸主地位 。第3阶段第3阶段（19781984年）是16位微处理器时代，通常称为第3代，其典型产品是Intel公司的8086/8088，Motorola公司的M68000，Zilog公司的Z8000等微处理器。其特点是采用HMOS工艺，集成度（2000070000晶体管/片）和运算速度（基本指令执行时间是0.5s）都比第2代提高了一个数量级。指令系统更加丰富、完善，采用多级中断、多种寻址方式、段式存储机构、硬件乘除部件，并配置了软件系统。这一时期著名微机产品有IBM公司的个人计算机。1981年IBM公司推出的个人计算机采用8088CPU。紧接着1982年又推出了扩展型的个人计算机IBM PC/XT，它对内存进行了扩充，并增加了一个硬磁盘驱动器。图 4 Intel 8086图 5Intel 8088图 6Intel 80286表格 2 Intel 8086/8088 80286主要参数中文名称发布年主频内外部数据总线针脚数量核心技术/晶体管数量地址总线/寻址能力英特尔808619785MHZ16位/16位403微米/2900020位/1MB英特尔808819785MHZ16位/8位403微米/2900020位/1MB英特尔8028619826MHZ16位/16位681.5微米/24位/16MBIntel 8086拥有四个16位的通用寄存器，也能够当作八个8位寄存器来存取，以及四个16位索引寄存器（包含了堆栈指标）。资料寄存器通常由指令隐含地使用，针对暂存值需要复杂的寄存器配置。它提供64K 8 位元的输出输入（或32K 16 位元），以及固定的向量中断。大部分的指令只能够存取一个内存位址，所以其中一个操作数必须是一个寄存器。运算结果会储存在操作数中的一个寄存器。而Intel 8088则是一个以8086为基础的微处理器，拥有16位元暂存器和8位元外部资料总线。8088使用8位元的设计，所针对的是较为经济之系统。在它推出时候，大的资料总线宽度电路板还是相当地昂贵。8088的预取(prefetch)贮列(queue)是4字节，相对于8086的是6字节。1979年，英特尔公司开发出了8088。8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输，所以都称为16位微处理器，但8086每周期能传送或接收16位数据，而8088每周期只采用8位。因为最初的大部分设备和芯片是8位的，而8088的外部8位数据传送、接收能与这些设备相兼容。Intel 1982年推出80286芯片（如Error! Reference source not found.）是英特尔首款能执行所有旧款处理器专属软件的处理器。该芯片相比8086和8088有了飞跃式发展，虽然它仍是16位结构，但在CPU内部含有13.4万个晶体管，时钟频率由最初6MHz逐步提高到20MHz。内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位，可寻址内存大小达到16Mb。80286兼容了8086所有功能，并且是8086的向上兼容的微处理器，使8086的汇编语言程序可以不做任何修改地在80286上运行。同时80286的推出也是实模式和保护模式CPU的分水岭。80286微处理器内部有4个功能部件，即地址部件AU，指令部件IU，执行部件EU和总线部件BU。这四个部件的并行操作，提高了吞吐率，加快了处理速度。而68000处理器则是Motorola公司680x0微处理器的鼻祖，采用CISC结构，于1979年推出，用于最早的Apple Macintosh计算机，以及Apple LaserWriter SC和Hewlett-Packard公司的LaserJet打印机。68000具有32位内部寄存器，但只能在16位数据总线上传送数据。处理器能访问16兆内存，是IBM PC中Intel 8088的16倍。68000系列处理器广泛应用于街机中，我们所熟悉的日本街机厂商Capcom、SNK和台湾的IGS，他们生产的街机主板都是采用的68000系列的处理器。图 7 Motorola公司68000第4阶段第4阶段（19851992年）是32位微处理器时代，又称为第4代。其典型产品是Intel公司的80386/80486，Motorola公司的M69030/68040等。其特点是采用HMOS或CMOS工艺，集成度高达100万个晶体管/片，具有32位地址线和32位数据总线。每秒钟可完成600万条指令（Million Instructions Per Second，MIPS）。微型计算机的功能已经达到甚至超过超级小型计算机，完全可以胜任多任务、多用户的作业。同期，其他一些微处理器生产厂商（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，让Intel公司的微处理器开启了32位时代。80386它是80x86系列中的第一种32位微处理器，而且制造工艺也有了很大的进步，与80286相比，80386内部内含27.5万个晶体管，超过4004芯片的一百多倍。时钟频率为12.5MHz，后提高到20MHz，25MHz，33MHz。每秒可处理500万条指令。同时也是 第一款具有“多任务”功能的处理器。80386的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址高达4GB内存。它除具有实模式和保护模式外，还增加了一种叫虚拟86的工作方式，可以通过同时模拟多个80x86处理器来提供多任务能力。总的来说80386的重要特点是：1) 首次在x86处理器中实现了32位系统（IA-32）。2) 可配合使用80387数字辅助处理器增强浮点运算能力。3) 首次采用高速缓存（外置）解决内存速度瓶颈问题。除了标准的80386芯片，也就是80386DX外，出于不同的市场和应用考虑，Intel又陆续推出了一些其它类型的80386芯片：80386SX、80386SL、80386DL等。80386-DX：主流版本。内外部数据总线都是32 位，地址总线也是32位。80386-SX：1988年末推出的廉价版本。外部数据总线16位，地址总线24位，与80286相同，从而方便80286电脑的升级。由于内部的32位结构及其他优化设计，80386-SX性能仍大大优于80286，而价格只相当于80386-DX的三分之一，因而很受市场的欢迎。与之相配的数学辅助处理器型号为80387-SX。80386-SL：1990年推出的低功耗版本，基于80386-SX。增加了系统管理方式（SMM）工作模式，具有电源管理功能，可以自动降低运行速度乃至休眠状态以实现节能。80386-DL：1990年推出的低功耗版本，基于80386-DX。与80386-SL类似。图 8 Intel 80386处理器还有一款微处理器被很多人忽视，这就是Intel RapidCAD。RapidCAD是英特尔有史以来第一款为旧款个人计算机所提供的升级套件（也就是OverDrive的始祖）。原386的使用者不需要更换主机板，只要把RapidCAD买回来将主机板上旧有的中央处理器芯片（CPU）替换掉，就可以享受接近486的运算能力。RapidCAD其实就是把486 DX芯片去掉内部高速缓存然后装入386的封装里面，RapidCAD也不支持486增加的新指令。不过由于386封装的频宽限制，RapidCAD对整体的效能提升比不上直接升级到486 DX。相同频率下，486 DX可以有比386/387快上两倍的速度，而RapidCAD在整数运算方面最多只能提升35%，在浮点运算方面，则可以提升将近70%。Intel RapidCAD特殊的地方在于，它是由两颗芯片组成，缺一不可。这归咎于486 DX内建浮点运算器（FPU），而386则是将浮点运算器分开（就是387）。由于RapidCAD-1本身就含有浮点运算器（因为它就是486 DX阉割版），根本不需要387，所以RapidCAD-2就是用来替代原来主机板上的387芯片。RapidCAD-1负责所有的运算，而RapidCAD-2则是负责假装浮点运算器，以防止旧有主机板以为没有安装浮点运算功能（尤其在执行286/287的程序时）。市面上有时候把RapidCAD-1与RapidCAD-2分开卖，这是就是不了解RapidCAD运作方式的结果。图 9 Intel RapidCAD表格 3 Intel386 和486 相关参数中文名称发布年主频内外部数据总线针脚数量核心技术/晶体管数量地址总线/寻址能力英特尔80386198516MHZ16位/16位1321.5微米/32位/4GB英特尔80486198925MHZ16位/8位1681微米/32位/4GB1989年，我们大家耳熟能详的80486芯片由英特尔推出。这款经过四年开发和3亿美元资金投入的芯片的伟大之处在于它首次实破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管，使用1微米的制造工艺。80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。80486是将80386和数学协微处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内。80486中集成的80487的数字运算速度是以前80387的两倍，内部缓存缩短了微处理器与慢速DRAM的等待时间。并且，在80x86系列中首次采用了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数学协微处理器的80386 DX性能提高了4倍。80486作为Intel最后一款以数字编号的处理器还有一个重要的意义就是使用户摆脱了命令行的使用方式，进入“选中即点击”的时代。图 10 Intel 80486第5阶段第5阶段（1993-2005年）是奔腾（pentium）系列微处理器时代，通常称为第5代。典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6、K7系列微处理器芯片。内部采用了超标量指令流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓存。随着MMX（Multi Media eXtended）微处理器的出现，使微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶。第一代Pentium处理器英特尔奔腾处理器采用了0.60微米工艺技术制造，核心由320万个晶体管组成。支持计算机更轻松的集成“现实世界”数据，如语音、声音、手写体和图片等，“奔腾”二字频繁出现在漫画和电视谈话节目中，使其在推出之后很快成为一个家喻户晓的词语。 奔腾是一个划时代的产品，并且影响了PC领域十年之久，该“名字”依然在沿用。Pentium是x86系列一大革新。其中晶体管数大幅提高、增强了浮点运算功能、并把十年未变的工作电压降至3.3V。表格 4 第一代奔腾处理器不同型号产品主要参数区别发布时间型号名称工艺集成晶体管数1995年3月27日Pentium 120MHz0.60 /0.35微米320万1995年6月Pentium 133MHz0.35微米330万1995年11月1日Pentium 150MHzPentium 166MHzPentium 180MHzPentium 200MHz0.60 /0.35微米550万1996年1月4日Pentium 150MHzPentium 166MHz0.35微米330万1996年6月10日Pentium 200MHz0.35微米330万 图 11 第一代奔腾图 12 Pentium MMXIntel Pentium MMX中央处理器1997年1月Intel Pentium MMX中央处理器面世，它在X86指令集的基础上加入了57条多媒体指令。这些指令专门用来处理视频、音频和图象数据，使CPU在多媒体操作上具有更强大的处理能力，Pentium MMX还使用了许多新技术。单指令多数据流SIMD技术能够用一个指令并行处理多个数据，缩短了CPU在处理视频、音频、图形和动画时用于运算的时间；流水线从5级增加到6级，一级高速缓存扩充为16K，一个用于数据高速缓存，另一个用于指令高速缓存，因而速度大大加快；Pentium MMX还吸收了其他CPU的优秀处理技术，如分支预测技术和返回堆栈技术。表格 5 奔腾2-4系列简介发布时间型号晶体管数新技术，新特性1997年Pentium II750万1.结合了Intel MMX技术；2.采用Single Edge Contact (S.E.C) 匣型封装可分享数位相片、编辑与新增文字、音乐或制作家庭电影的转场效果、使用可视电话以及透过标准电话线与网际网络传送影片1999年Pentium III950万1.加入70个新指令；2.加入网际网络串流SIMD延伸集称为MMX；3.首次导入0.25微米技术大幅提升先进影像、3D、串流音乐、影片、语音辨识等应用的性能；大幅提升网际网络的使用经验，能浏览逼真的线上博物馆与商店，以及下载高品质影片2000Pentium 44200万提供SSE2指令集；能以多种数据结构处理128位数据。使用基于Pentium 4处理器的个人电脑，可以创建专业品质的影片，透过因特网传递电视品质的影像，实时进行语音、影像通讯，实时3D渲染，快速进行MP3编码解码运算，在连接因特网时运行多个多媒体软件。图 13 pentium II图 14 pentium III图 15 pentium 42006年7月，英特尔公司今天面向家用和商用个人电脑与笔记本电脑，发布了十款全新英特尔酷睿2（扣肉）双核处理器和英特尔酷睿至尊处理器。英特尔酷睿2双核处理器家族包括五款专门针对企业、家庭、工作站和玩家（如高端游戏玩家）而定制的台式机处理器，以及五款专门针对移动生活而定制的处理器。这些英特尔酷睿2双核处理器设计用于提供出色的能效表现，并更快速地运行多种复杂应用，支持用户改进各种任务的处理，例如：更流畅地观看和播放高清晰度视频；在电子商务交易过程中更好地保护电脑及其资产；以及提供更耐久的电池使用时间和更加纤巧时尚的笔记本电脑外形。全新处理器可实现高达40%的性能提升，其能效比最出色的英特尔奔腾处理器高出 40%。英特尔酷睿2双核处理器包含2.91亿个晶体管。不过，Pentium D谈不上是一套完美的双核架构，Intel只是将两个完全独立的CPU核心做在同一枚芯片上，通过同一条前端总线与芯片组相连。两个核心缺乏必要的协同和资源共享能力，而且还必须频繁地对二级缓存作同步化刷新动作，以避免两个核心的工作步调出问题。从这个意义上说，Pentium D带来的进步并没有人们预想得那么大！图 16 Intel Pentium D 和 Pentium Extreme Edition表格 6 2005年Intel推出的双核心处理器简介发布时间产品型号产品简介2003Pentium M英特尔Pentium M处理器结合了855芯片组家族与Intel PRO/Wireless2100网络联机技术，成为英特尔Centrino(迅驰)移动运算技术的最重要组成部分。Pentium M处理器可提供高达1.60GHz的主频速度，并包含各种效能增强功能，如：最佳化电源的400MHz系统总线、微处理作业的融合(Micro-OpsFusion)和专门的堆栈管理器(Dedicated Stack Manager)，这些工具可以快速执行指令集并节省电力。2005Pentium DPentium Extreme Edition采用945/955/965/975芯片组来支持新推出的双核心处理器。90nm工艺，无针脚。贴片电容数目有所增加，排列方式也有所不同。Pentium D内核实际上由于两个独立的Prescott核心组成，每个核心拥有独立的1MB L2缓存及执行单元，两个核心加起来一共拥有2MB，但由于处理器中的两个核心都拥有独立的缓存，因此必须保证每个二级缓存当中的信息完全一致，否则就会出现运算错误。支持EM64T技术、XD bit安全技术，Pentium D不支持Hyper-Threading技术。Pentium Extreme Edition支持Hyper-Threading技术。全新酷睿系列2010年1月8日下午，英特尔在北京举行“以智变 应万变2010全新英特尔酷睿，开启智能新纪元”发布会。英特尔正式面向全球发布最新的革命性产品，基于全新的32纳米制程的i7、i5、i3处理器产品。全新酷睿家族中Westmere核心的酷睿i5/i3采用了Clarkdale架构，其是Nehelem架构的经典延续，采用了革命性的微架构，具备了睿频加速技术，超线程技术，增强型的英特尔智能高速缓存与控制器等多项技术。图 17 Intel 的产品分级架构其中酷睿i7及酷睿i5-700系列而言，它们均采用了原生四核心设计。通过对超线程技术的支持与否而划分定位。同时还将三级缓存引入其中。其L1缓存的设计与酷睿微架构相同，而L2缓存则采用超低延迟的设计，不过容量大大降低，每个内核仅有256KB，新加入的L3缓存采用共享式设计。LGA1156接口酷睿i7/i5处理器与目前市场中的LGA1366酷睿i7系列相同，均配备了8MB的三级缓存。而新酷睿家族中的酷睿i5-600系列与酷睿i3系列产品则是采用了原生双核，通过睿频加速技术的支持与否来划分产品的定位。与之前的芯片相比，这一系列英特尔的32纳米新品增加了图形处理功能，实现了CPU+GPU的整合，历史性地将显示核心和CPU封装到了一起；不但提高了PC的兼容性稳定性，同时令高清电影的播放流畅，画面颜色更栩栩如生；同时，游戏运行效率也会高于以往的集成显卡。新酷睿产品相较于之前的酷睿家族产品，最大的区别是制程工艺上的改进，即从45纳米过渡到32纳米，芯片性能达到近50%的提升。全新的英特尔酷睿i7/i5处理器都拥有独特的英特尔睿频加速技术，能够根据工作负载动态、智能地调节频率和性能，在工作量较大时能实现按需提升频率自动加速，可自如应对用户工作、娱乐、生活的万变需求。英特尔超线程技术则是用于英特尔酷睿i7/i5/i3处理器，通过让每个内核同时运行双重任务，实现高效、智能的多任务处理，从而呈现令人惊叹的相应速度与性能；在同步进行多任务处理的同时，还与业内领先的能效表现之间形成完美的平衡。表格 7酷睿