简述CPU的发展史

1、简述In tel系列CPU的发展史CPU（Central Processing Uni，t） 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（ 1971 1973 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

2、-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 图 1）。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，Bu

3、sicom公司要求In te l打折扣，In tel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In tel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

4、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 表格 1 Intel4004 8008 主要参数 。表格1 In tel4004 8008 主要参数中文名称发布年运行频率/最咼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In tel推出8008微处理器（如）时，业内的目光都几

5、乎集中 在In tel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，In tel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（1974 1977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、Mo

6、torola 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（1978 1984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 H

7、MOS工艺，集成度（2000070000晶体管/片）和 运算速度（基本指令执行时间是0.5卩s）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 In tel 8086图 6lntel 80286图 5lntel 8088表格 2 In tel 8086/808880286 主要参数中文名称发布年主频

8、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 /13400024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32K16 位元)，以及固定的向量中断。 大部分的

9、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

10、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 图 6)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

11、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 n 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

12、问 16兆内存，是IBM PC中In tel 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Cap com 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In tel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（Millio

13、n In structio ns Per Seco nd, 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In tel公司在1985年推出的CPU芯片，让In tel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,

14、 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，In tel又陆续推出了一些其它类型的

15、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-SX80386-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

16、运行速度乃至休眠状态 以实现节能。8038&DL: 1990年推出的低功耗版本，基于 80386-DX。与80386-SL类似。图8 In tel 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

17、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RapidCADI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RapidCAD2就是用来替代原来主机板上的

18、387芯片。RapidCADI 负责所有的运算，而 RapidCAD2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 RapidCADI与RapidCAD2分开卖，这是就是不了解RapidCAD运作方式的结果。图 9 In tel 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/27500032 位/4GB英特尔80486198925MHZ16位/8位1681

19、微米/120000032 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

20、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In tel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In tel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

21、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

22、压降至 3.3V。intel®pentium图ii第一代奔腾图 12 Pen tium MMX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Pe ntium 120MHz0.60 /0.35 微米320万1995年6月Pe ntium 133MHz0.35微米330万1995年11月1日Pe ntium 150MHzPe ntium 166MHzPe ntium 180MHzPentium 200MHz0.60 /0.35 微米550万1996年1月4日Pe ntium 150MHzPe ntium 166MHz0.35微米330万

23、1996年6月10日Pentium 200MHz0.35微米330万Intel Pentium MMX 中央处理器1997年1月In tel Pe ntium 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, 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

24、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Pen tium II750万1. 结合了 Intel MMX技术；2. 采用 匣型圭寸装 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Pen tium 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

25、览逼真的 线上博物馆与商店，以及下载高品质影片2000Pen tium 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 pen tium II图 14 pen tium III图 15 pen tium 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

26、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，In tel只是将两个完全独

27、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！春余¥形豊*图 16 Intel Pentium D 和 Pentium Extreme Edition表格6 2005年In tel推岀的双核心处理器简介发布 时间产品型号产品简介2003Pen tiumM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

28、Ce ntrino(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。2005Pen tium D Pen tium ExtremeEditi on米用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

29、 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-Threadi ng 技术。Pen tium Extreme Editi on 支持 Hyper-Threadi ng 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 应万变一一2010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

30、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 In tel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

31、 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勺整合，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I系列简介酷睿I系列特