CPU的发展历程和趋势

1、 CPU的发展历程和趋势 文计081-2班 李香 200890513216号 CPU是Central Processing Unit（中央微处理器）的缩写，它是计算机中最重要的一个部分，由运算器和控制器组成。它的发展非常迅速，个人电脑从8088(XT)发展到现在的Pentium 4时代，只经过了不到二十年的时间。从生产技术来说，最初的8088集成了29000个晶体管，而Pentium的集成度超过了2810万个晶体管；CPU的运行速度，以MIPS(百万个指令每秒)为单位，8088是0.75MIPS，到高能奔腾时已超过了1000MIPS。CPU的内部结构归纳起来可分为控制单元、逻辑单元和存储单元三

2、大部分，这三个部分相互协调，对命令和数据进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。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位微处理器以及正在酝酿构建的64位微处理器。 Intel 8086/8088：1978年英特尔公司生产的8086是第一个16位的微处理器.8086微处理器最高主频速度为8MHz，具有16位数据通道，内存寻址能力为1MB。1979年，英特尔公司又开发出了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。8088采用40针

3、的DIP封装，工作频率为6.66MHz、7.16MHz或8MHz，微处理器集成了大约29000个晶体管。8086和8088问世后不久，英特尔公司就开始对他们进行改进，他们将更多功能集成在芯片上，这样就诞生了80186和80188。这两款微处理器内部均以16位工作，在外部输入输出上80186采用16位，而80188和8088一样是采用8位工作。1981年8088芯片首次用于IBMPC机中，开创了全新的微机时代。最早的i8086/8088是采用双列直插（DIP）形式封装，从i80286开始采用方形BGA扁平封装（焊接），从i80386开始到Pentiumpro开始采用方形PGA（插脚），1982年

4、，INTEL推出了80286芯片，该芯片含有13.4万个晶体管，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，可寻址16MB内存。 Intel 80286：1982年，英特尔公司在8086的基础上研制出了80286微处理器，该微处理器的最大主频为20MHz，内、外部数据传输均为16位，使用24位内存储器的寻址，内存寻址能力为16MB。80286可工作于两种方式，一种叫实模式，另一种叫保护方式。80286集成了大约130000个晶体管。808680286这个时代是个人电脑起步的时代，当时在国内使用甚至见到过PC机的人很少，它在人们心中是一个神秘的东

5、西。到九十年代初，国内才开始普及计算机。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8086处理器来提供多任务能力。 Intel 80386：1985年10月17日，英特尔划时代的产品80386DX正式发布，其内部包含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz，最后还有少量的40MHz产品。80386DX的内部和外部数据总线是32位，地址总线也是32位，可以寻址到4GB内存，并可以管理64TB的虚拟存储空间。它的运算模式除了具有实模式和保护模式以外，还增加了一种“虚拟86”的工作方式，可以通过同时模拟多个8

6、086微处理器来提供任务能力。80386最经典的产品为80386DX33MHz，由于32位微处理器的强大运算能力，PC的应用扩展到很多的领域，80386使32位CPU成为了PC工业的标准。虽然当时80386没有完善和强大的浮点运算单元，但配上80387协处理器，80386就可以顺利完成许多需要大量浮点运算的任务，从而 顺利进入了主流的商用电脑市场。1990年推出的80386SL和80386DL都是低功耗、节能型芯片，主要用于便携机和节能型台式机。80386SL与80386DL的不同在于前者是基于80386SX的，后者是基于80386DX的，但两者皆增加了一种新的工作方式：系统管理方式(SMM)

7、。当进入系统管理方式后，CPU就自动降低运行速度、控制显示屏和硬盘等其它部件暂停工作，甚至停止运行，进入休眠状态，以达到节能目的。 Intel 80486：1989年INTEL推出了80486芯片，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D

8、RAM的等待时间。并且，在80 x86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。 Intel Pentium：1993年，全面超越486的新一代586 CPU问世，为了摆脱486时代微处理器名称混乱的困扰，英特尔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。AMD和Cyrix也分别推出了K5和6x86微处理器来对付芯片巨人，但是由于奔腾微处理器的性能最佳，英特尔逐渐占据了大部

9、分市场。Pentium最初级的CPU是Pentium 60和Pentium 66，分别工作在与系统总线频率相同的60MHz和66MHz两种频率下，早期的奔腾75MHz120MHz使用0.5微米的制造工艺，后期120MHz频率以上的奔腾则改用0.35微米工艺。经典奔腾的性能相当平均，整数运算和浮点运算都不错。PENTIUM含有310万个晶体管，时钟频率最初为60MHZ和66MHZ，后提高到200MHZ。66MHZ的 PENTIUM微处理器的性能比33MHZ的80486DX提高了3倍多，而100MHZ的PENTIUM则比33MHZ的80486DX快6至8倍。 Intel Pentium Pro：P

10、ENTIUM引起的轰动尚未结束，INTEL公司又推出了新一代微处理器-P6。P6含有550万个晶体管，时钟频率为133MHZ，处理速度几乎是100MHZ的PENTIUM的2倍。P6的一级(片内)缓存为8KB指令和8KB数据。值得注意的是在P6的一个封装中除P6芯片外还包括有一个256KB的二级缓存芯片，两个芯片之间用高频宽的内部通讯总线互连。P6最引人注目的是具有一项称为动态执行的创新技术，这是继PENTIUM在超标量体系结构上实现实破之后的又一次飞跃。这是第一代产品，二级Cache有256KB或512KB，最大有1MB的二级Cache。工作频率有:133/66MHz(工程样品)，150/60

11、MHz、166/66MHz、180/60MHz、200/66MHz。 Intel Pentium：1998年7月，Intel推出了用于服务器和工作站的PentiumII至强器（PentiumIIXeon)。Pentium中文名称叫“奔腾二代”，它采用新的P6微处理器结构，0.25微米制造，最低主频400MHz,内部带有512K或1M二级高速缓存。PentiumII至强使用的是330线的SLOT2插槽，使L2高速缓存与CPU主频同步运行，系统性能有很大的提高，当然，体积也比SLOT1的PentiumII稍大。它有Klamath、Deschutes、Mendocino、Katmai等几种不同核心结

12、构的系列产品，其中第一代采用Klamath核心，0.35微米工艺制造，内部集成750万个晶体管，核心工作电压为2.8V。Pentium微处理器采用了双重独立总线结构，使用了一种脱离芯片的外部高速L2 Cache，容量为512KB，并以CPU主频的一半速度运行。英特尔将Pentium的L1 Cache从16KB增至32KB。1998年4月16日，英特尔第一个支持100MHz额定外频的、代号 为Deschutes的350、400MHz CPU正式推出。采用新核心的Pentium微处理器不但外频提升至100MHz，而且它们采用0.25微米工艺制造，其核心工作电压也由2.8V降至2.0V，L1 Cac

13、he和L2 Cache分别是32KB、512KB。支持芯片组主要是Intel的440BX。 Intel Pentium：1999年2月26日春节刚过，英特尔公司就发布了采用Katmai核心的新一代微处理器Pentium，打响了1999年CPU大战的第一枪。PentiumIII的内核和PentiumII大致一样，只有新增加了70条SSE（StreamingSIMDExtensions,单指令对数据流扩展）指令集，使CPU的浮点运算能力得到增强，提高了CPU对浮点运算密集型应用程序的执行效率。处理器除采用0.25微米工艺制造，内部集成950万个晶体管，Slot 1架构，此外目前的PentiumII

14、I主频为450MH和500MHz,0.25微米工艺制造，32K一级高速缓存，512K二级高速缓存同样以CPU主频的一半运行，核心电压2.0V，仍然使用Slot1插槽。需要注意的是，目前支持SSE指令集的软件还很少，不能体现出 SSE指令的优势，随着各大软件厂商对SSE指令的支持，PentiumIII的性能将会有更大的提高，并新增加了能够增强音频、视频和3D图形效果的 SSE(Streaming SIMD Extensions,数据流单指令多数据扩展)指令集，共70条新指令。 两家世界上最大的处理器制造厂AMD和Intel曾都遇到一个难题,那就是“频率”。频率作为衡量处理器好坏的标准已经成为了大

15、多数人的定论。低频率就代表着一颗处理器性能的滞后。在设计者提高处理器内部进程的数量、增加缓存容量等方法纷纷用尽以后,似乎残酷的现实告诉设计者们:单核心处理器已经走到尽头。双核心被Intel和AMD确定为下步发展项目也就不足为奇了。 AMD和Intel的双核技术在物理结构上也有很大不同之处。AMD将两个内核做在一个Die(内核)上,通过直连架构连接起来,集成度更高。Intel则是采用两个独立的内核封装在一起,因此有人将Intel的方案称为“双芯”,认为AMD的方案才是真正的“双核”。从用户端的角度来看,AMD的方案能够使双核CPU的管脚、功耗等指标跟单核CPU保持一致,从单核升级到双核,不需要更换电源、芯片组、散热系统和主板,只需要刷新BIOS软件即可,这对于主板厂商、计算机厂商和最终用户的投资保护是非常有利的。由此看来,在多核处理器市场上,AMD在对客户的理解和对输出最符合客户需求的产品方面的理念走在了Intel的