各代cpu的主要技术特点

各代叩u(8086/80286/80386/80486/奔腾/p2/p3/p4)的主要技术特点一、X86时代的CPUCPU的溯源可以一直去到1971年。在那一年，当时还处在发展阶段的INTEL公司推出了世界上第一台微处理器4004。这不但是第一个用于计算器的4位微处理器，也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器！4004含有2300个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢，被当时的蓝色巨人IBM以及大部分商业用户不屑一顾，但是它毕竟是划时代的产品，从此以后，INTEL便与微处理器结下了不解之缘。可以这么说，CPU的历史发展历程其实也就是INTEL公司X86系列CPU的发展历程，我们就通过它来展开我们的“CPU历史之旅”。1978年,Intel公司再次领导潮流，首次生产出16位的微处理器，并命名为i8086,同时还生产出与之相配合的数学协处理器i8087,这两种芯片使用相互兼容的指令集，但在i8087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指令。由于这些指令集应用于i8086和i8087，所以人们也这些指令集统一称之为X86指令集。虽然以后Intel又陆续生产出第二代、第三代等更先进和更快的新型CPU,但都仍然兼容原来的X86指令，而且Intel在后续CPU的命名上沿用了原先的X86序列，直到后来因商标注册问题，才放弃了继续用阿拉伯数字命名。至于在后来发展壮大的其他公司，例如AMD和Cyrix等，在486以前（包括486）的CPU都是按Intel的命名方式为自己的X86系列CPU命名，但到了586时代，市场竞争越来越厉害了，由于商标注册问题，它们已经无法继续使用与Intel的X86系列相同或相似的命名，只好另外为自己的586、686兼容CPU命名了。1979年，INTEL公司推出了8088芯片，它仍旧是属于16位微处理器，内含29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz，地址总线为20位，可使用1MB内存。8088内部数据总线都是16位，外部数据总线是8位，而它的兄弟8086是16位。1981年8088芯片首次用于IBMPC机中，开创了全新的微机时代。也正是从8088开始，PC机（个人电脑）的概念开始在全世界范围内发展起来。1982年，许多年轻的读者尚在襁褓之中的时候，INTE已经推出了划时代的最新产品枣80286芯片，该芯片比8006和8088都有了飞跃的发展，虽然它仍旧是16位结构，但是在CPU的内部含有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。从80286开始,CPU的工作方式也演变出两种来:实模式和保护模式。Intel80286处理器1985年INTEL推出了80386芯片，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，时钟频率为12.5MHz，后提高到20MHz，25MHz，33MHz。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8086处理器来提供多任务能力。除了标准的80386芯片，也就是我们以前经常说的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。1988年推出的80386SX是市场定位在80286和80386DX之间的一种芯片，其与80386DX的不同在于外部数据总线和地址总线皆与80286相同，分别是16位和24位（即寻址能力为16MB）。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。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。1989年，我们大家耳熟能详的80486芯片由INTEL推出，这种芯片的伟大之处就在于它实破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管。80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、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数学协处理器的80386DX提高了4倍。80486和80386一样，也陆续出现了几种类型。上面介绍的最初类型是80486DX。1990年推出了80486SX，它是486类型中的一种低价格机型，其与80486DX的区别在于它没有数学协处理器。80486DX2由系用了时钟倍频技术，也就是说芯片内部的运行速度是外部总线运行速度的两倍，即芯片内部以2倍于系统时钟的速度运行，但仍以原有时钟速度与外界通讯。80486DX2的内部时钟频率主要有40MHz、50MHz、66MHz等。80486DX4也是采用了时钟倍频技术的芯片，它允许其内部单元以2倍或3倍于外部总线的速度运行。为了支持这种提高了的内部工作频率，它的片内高速缓存扩大到16KB。80486DX4的时钟频率为100MHz，其运行速度比66MHz的80486DX2快40%。80486也有SL增强类型，其具有系统管理方式，用于便携机或节能型台式机。Pentium名称的来历在286、386、486这些产品深入人心后，1992年10月20日，在纽约第十届PC用户大会上，葛洛夫正式宣布Intel第五代处理器被命名Pentium,而不是586，出乎许多人预料。事实上，Intel公司对此更名"蓄谋已久"。在此之前，由于386、486系列产品性能出众，AMD与Cyrix生产的处理器也以这些数字命名，INTEL虽大为不满却又无可奈何，因为按照法律，数字是不能用作商标名称，无法注册。"偏执狂"葛洛夫在一次记者招待会上说："如果要命名586，就请从我身上跨过去"--充分显示了Intel管理层重新制定品牌战略的决心。一场极其广泛的命名活动拉开了帷幕。从公司员工脑海中的灵感火花到海外友人集思广益，一共征集到3300多个名称。其中甚至有586N0T、iCUCyrix等十分有趣滑稽的名字。最后敲定的三个候选名称是InteLigence、RADAR1和Pentium.据说当时InteLigence的呼声颇高，但后来公司高层对它们的最终投票却使得Pentium脱颖而出。为什么叫这样一个名字？葛洛夫解释说：它是一个来自古典语的商标，PENT在希腊文中表示〃5〃，-ium看上去是某化学元素的词尾，用在这里可以表示处理器的强大处理能力和高速性能。值得注意的是在PentimuPro的一个圭寸装中除PentimuPro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，处理器与高速缓存的连接线路也被****在该封装中，这样就使高速缓存能更容易地运行在更高的频率上。奔腾Pro200MHZCPU的L2CACHE就是运行在200MHZ,也就是工作在与处理器相同的频率上。这样的设计领奔腾Pro达到了最高的性能。而PentimuPro最引人注目的地方是它具有一项称为“动态执行”的创新技术,这是继奔腾在超标量体系结构上实现实破之后的又一次飞跃。PentimuPro系列的工作频率是150/166/180/200,—级缓存都是16KB,而前三者都有256KB的二级缓存，至于频率为200的CPU还分为三种版本，不同就在于他们的内置的缓存分别是256KB，512KB，1MB。不过由于当时缓存技术还没有成熟，加上当时缓存芯片还非常昂贵，因此尽管PentimuPro性能不错，但远没有达到抛离对手的程度，加上价格十分昂贵，一次PentimuPro实际上出售的数目非常至少，市场生命也非常的短，PentimuPro可以说是Intel第一个失败的产品。2、 辉煌的开始——奔腾MMX：INTEL吸取了奔腾Pro的教训，在1996年底推出了奔腾系列的改进版本，厂家代号P55C，也就是我们平常所说的奔腾MMX（多能奔腾）。这款处理器并没有集成当时卖力不讨好的二级缓存，而是独辟蹊径，采用MMX技术去增强性能。MMX技术是INTEL最新发明的一项多****增强指令集技术，它的英文全称可以翻译“多****扩展指令集”。MMX是Intel公司在1996年为增强奔腾CPU在音像、图形和通信应用方面而采取的新技术，为CPU增加了57条MMX指令，除了指令集中增加MMX指令外，还将CPU芯片内的L1缓存由原来的16KB增加到32KB（16K指命+16K数据），因此MMXCPU比普通CPU在运行含有MMX指令的程序时，处理多****的能力上提高了60％左右。MMX技术不但是一个创新，而且还开创了CPU开发的新纪元，后来的SSE，3DNOW!等指令集也是从MMX发展演变过来的。在Intel推出奔腾MMX的几个月后，AM也推出了自己研制的新产品K6。K6系列CPU一共有五种频率，分别是：166/200/233/266/300，五种型号都采用了66外频，但是后来推出的233/266/300已经可以通过升级主板的BIOS而支持100外频，所以CPU的性能得到了一个飞跃。特别值得一提的是他们的一级缓存都提高到了64KB，比MMX足足多了一倍，因此它的商业性能甚至还优于奔腾MMX，但由于缺少了多****扩展指令集这道杀手锏，K6在包括游戏在内的多****性能要逊于奔腾MMX。3、 优势的确立——奔腾II：1997年五月，INTEL又推出了和奔腾Pro同一个级别的产品，也就是影响力最大的CPU——奔腾II。第一代奔腾II核心称为Klamath。作为奔腾II的第一代芯片，它运行在66MHz总线上，主频分233、266、300、333Mhz四种，接着又推出100Mhz总线的奔腾II，频率有300、350、400、450Mhz。奔腾II采用了与奔腾Pro相同的核心结构,从而继承了原有奔腾Pro处理器优秀的32位性能，但它加快了段寄存器写操作的速度，并增加了MMX指令集，以加速16位操作系统的执行速度。由于配备了可重命名的段寄存器,因此奔腾II可以猜测地执行写操作，并允许使用旧段值的指令与使用新段值的指令同时存在。在奔腾II里面，Intel—改过去BiCMOS制造工艺的笨拙且耗电量大的双极硬件，将750万个晶体管压缩到一个203平方毫米的印模上。奔腾II只比奔腾Pro大6平方毫米，但它却比奔腾Pro多容纳了200万个晶体管。由于使用只有0.28微米的扇出门尺寸,因此加快了这些晶体管的速度，从而达到了X86前所未有的时钟速度。Intel奔腾II处理器在接口技术方面，为了击跨INTEL的竞争对手，以及获得更加大的内部总线带宽，奔腾II首次采用了最新的soltl接口标准，它不再用陶瓷封装，而是采用了一块带金属外壳的印刷电路板，该印刷电路板不但集成了处理器部件，而且还包括32KB的一级缓存。如要将奔腾II处理器与单边插接卡（也称SEC卡）相连，只需将该印刷电路板（PCB）直接卡在SEC卡上。SEC卡的塑料封装外壳称为单边插接卡盒，也称SEC（Single-edgecontactCartridge）卡盒，其上带有奔腾II的标志和奔腾II印模的彩色图像。在SEC卡盒中，处理器封装与L2高速缓存和TagRAM均被接在一个底座（即SEC卡）上，而该底座的一边（容纳处理器核心的那一边）安装有一个铝制散热片，另一边则用黑塑料封起来。奔腾IICPU内部****了32KB片内L1高速缓存（16K指令/16K数据）；57条MMX指令;8个64位的MMX寄存器。750万个晶体管组成的核心部分，是以203平方毫米的工艺制造出来的。处理器被固定到一个很小的印刷电路板（PCB）上，对双向的SMP有很好的支持。至于L2高速缓存则有，512K,属于四路级联片外同步突发式SRAM高速缓存。这些高速缓存的运行速度相当于核心处理器速度的一半（对于一个266MHz的CPU来说，即为133MHz）。奔腾II的这种SEC卡设计是插到Slotl（尺寸大约相当于一个ISA插槽那么大）中。所有的Slot1主板都有一个由两个塑料支架组成的固定机构。一个SEC卡可以从两个塑料支架之间滑入Slot1中。将该SEC卡插入到位后，就可以将一个散热槽附着到其铝制散热片上。 266MHz的奔腾II运行起来只比200MHz的奔腾Pro稍热一些（其功率分别为38.2瓦和37.9瓦），但是由于SEC卡的尺寸较大，奔腾II的散热槽几乎相当于Socket7或Socket8处理器所用的散热槽的两倍那么大。除了用于普通用途的奔腾II之外，Intel还推出了用于服务器和高端工作站的Xeon系列处理器采用了Slot2插口技术，32KB一级高速缓存，512KB及1MB的二级高速缓存，双重独立总线结构，100MHz系统总线，支持多达8个CPU。Intel奔腾IIXeon处理器为了对抗不可一世的奔腾II，在1998年中，AMD推出了K6-2处理器，它的核心电压是2.2伏特，所以发热量比较低，一级缓存是64KB，更为重要的是，为了抗衡Intel的MMX指令集,AMD也开发了自己的多****指令集，命名为3DNow!。3DNow!是一组共21条新指令，可提高三维图形、多****、以及浮点运算密集的个人电脑应用程序的运算能力，使三维图形加速器全面地发挥性能。K6-2的所有型号都内置了3DNow!指令集，使AMD公司的产品首次在某些程序应用中，在整数性能以及浮点运算性能都同时超越INTEL，让INTEL感觉到了危机。不过和奔腾II相比，K6-2仍然没有集成二级缓存，因此尽管广受好评，但始终没有能在市场占有率上战胜奔腾II。4、廉价高性能CPU的开端 Celeron：在以往，个人电脑都是一件相对奢侈的产品，作为电脑核心部件的CPU，价格几乎都以千元来计算，不过随着时代的发展，大批用户急需廉价而使用的家庭电脑，连带对廉价CPU的需求也急剧增长了。在奔腾II又再次获得成功之际，INTEL的头脑开始有点发热，飘飘然了起来，将全部力量都集中在高端市场上，从而给AMD，CYRIX等等公司造成了不少乘虚而入的机会，眼看着性能价格比不如对手的产品，而且低端市场一再被蚕食，INTEL不能眼看着自己的发家之地就这样落入他人手中，又与1998年全新推出了面向低端市场，性能价格比相当厉害的CPU Celeron，赛扬处理器。Celeron可以说是Intel为抢占低端市场而专门推出的，当时1000美元以下PC的热销，令AMD等中小公司在与Intel的抗争中打了个漂亮的翻身仗，也令Intel如芒刺在背。于是，Intel把奔腾II的二级缓存和相关电路抽离出来，再把塑料盒子也去掉，再改一个名字，这就是Celeron。中文名称为赛扬处理器。最初的Celeron采用0.35微米工艺制造，外频为66MHz,主频有266与300两款。接着又出现了0.25微米制造工艺的Celeron333。不过在开始阶段，Celeron并不很受欢迎，最为人所诟病的是其抽掉了芯片上的L2Cache，自从在奔腾II尝到甜头以后，大家都知道了二级缓存的重要性，因而想到赛扬其实是一个被阉割了的产品，性能肯定不怎么样。实际应用中也证实了这种想法，Celeron266装在技嘉BX主板上，性能比PII266下降超过25%!而相差最大的就是经常须要用到二级缓存的程序。Intel也很快了解到这个情况，于是随机应变，推出了集成128KB二级缓存的Celeron，起始频率为300Mhz，为了和没有集成二级缓存的同频Celeron区分,它被命名为Celeron300A。有一定使用电脑历史的朋友可能都会对这款CPU记忆犹新，它集成的二级缓存容量只有128KB，但它和CPU频率同步，而奔腾II只是CPU频率一半，因此Celeron300A的性能和同频奔腾II非常接近。更诱人的是，这款CPU的超频性能奇好，大部分都可以轻松达到450Mhz的频率，要知道当时频率最高的奔腾II也只是这个频率，而价格是Celeron300A的好几倍。这个系列的Celeron出了很多款，最高频率一直到566MHz，才被采用奔腾III结构的第二代Celeron所代替。为了降低成本，从Celeron300A开始，Celeron又重投Socket插座的怀抱，但它不是采用奔腾MMX的Socket7，而是采用了Socket370插座方式，通过370个针脚与主板相连。从此，Socket370成为Celeron的标准插座结构，直到现在频率1.2Ghz的CeleronCPU也仍然采用这种插座。5、****末的辉煌——奔腾III：在99年初，Intel发布了第三代的奔腾处理器——奔腾III，第一批的奔腾III处理器采用了Katmai内核，主频有450和500Mhz两种，这个内核最大的特点是更新了名为SSE的多****指令集，这个指令集在MMX的基础上添加了70条新指令，以增强三维和浮点应用，并且可以兼容以前的所有MMX程序。不过平心而论，Katmai内核的奔腾III除了上述的SSE指令集以外，吸引人的地方并不多，它仍然基本保留了奔腾II的架构，采用0.25微米工艺，100Mhz的外频，Slotl的架构，512KB的二级缓存（以CPU的半速运行）因而性能提高的幅度并不大。不过在奔腾III刚上市时却掀起了很大的热潮，曾经有人以上万元的高价去买第一批的奔腾III。可以大幅提升，从500Mhz开始，一直到1.13Ghz，还有就是超频性能大幅提咼，幅度可以达到50%以上。此外它的二级缓存也改为和CPU主频同步，但容量缩小为256KB。除了制程带来的改进以外，部分Coppermine奔腾III还具备了l33Mhz的总线频率和Socket370的插座，为了区分它们，Intel在133Mhz总线的奔腾III型号后面加了个“B”，Socket370插座后面加了个“E”，例如频率为550Mhz，外频为133Mhz的Socket370奔腾III就被称为550EB。看到Coppermine核心的奔腾III大受欢迎，Intel开始着手把Celeron处理器也转用了这个核心，在2000年中，推出了Copperminel28核心的Celeron处理器，俗称Celeron2，由于转用了0.18的工艺，Celeron的超频性能又得到了一次飞跃，超频幅度可以达到100%。6、AMD的绝地反击 Athlon在AMD公司方面，刚开始时为了对抗奔腾III,曾经推出了K6-3处理器。K6-3处理器是三层高速缓存（TriLevel）结构设计，内建有64K的第一级高速缓存（Level1）及256K的第二层高速缓存（Level2）,主板上则配置第三级高速缓存（Level3）。K6-3处理器还支持增强型的3DNow!指令集。由于成本上和成品率方面的问题，K6-3处理器在台式机市场上并不是很成功，因此它逐渐从台式机市场消失，转进笔记本市场。真正让AMD扬眉吐气的是原来代号K7的Athlon处理器。Athlon具备超标量、超管线、多流水线的Rise核心（3WaySuperScalarRisecore），采用0.25微米工艺，集成2,200万个晶体管，Athlon包含了三个解码器，三个整数执行单元（IEU），三个地址生成单元（AGU），三个多****单元（就是浮点运算单元），Athlon可以在同一个时钟周期同时执行三条浮点指令，每个浮点单元都是一个完全的管道。K7包含3个解码器，由解码器将解码后的macroOPS指令（K7把X86指令解码成macroOPS指令，把长短不一的X86指令转换成长短一致的macroOPS指令，可以充分发挥RISC核心的威力）送给指令控制单元，指令控制单元能同时控制（保存）72条指令。再把指令送给整数单元或多****单元。整数单元可以同时调度18条指令。每个整数单元都是一个独立的管道，调度单元可以对指令进行分支预测，可以乱序执行。K7的多****单元（也叫浮点单元）有可以重命名的堆栈寄存器，浮点调度单元同时可以调度36条指令，浮点寄存器可以保存88条指令。在三个浮点单元中，有一个加法器，一个乘法器，这两个单元可以执行MMX指令和3DNow指令。还有一个浮点单元负责数据的装载和保存。由于K7强大的浮点单元，使AMD处理器在浮点上首次超过了Intel当时的处理器。Athlon内建128KB全速高速缓存（L1Cache），芯片外部则是1/2时频率、512KB容量的二级高速缓存（L2Cache），最多可支持到8MB的L2Cache，大的缓存可进一步提高服务器系统所需要的庞大数据吞吐量。Athlon的圭寸装和外观跟PentiumII相似，但Athlon采用的是SlotA接口规格。SlotA接口源于AlphaEV6总线，时钟频率高达200MHz,使峰值带宽达到1.6GB/S,在内存总线上仍然兼容传统的100MHz总线，现这样就保护了用户的投资，也降低了成本。后来还采用性能更高的DDRSDRAM，这和Intel力推的800MHzRAMBUS的数据吞吐量差不多。EV6总线最高可以支持到400MHz，可以完善的支持多处理器。所以具有天生的优势，要知道Slot1只支持双处理器而SlotA可支持4处理器。SlotA外观看起来跟传统的Slot1插槽很像，就像Slot1插槽倒转180度一样，但两者在电气规格、总线协议是完全不兼容的。Slot1/Socket370的CPU，是无法安装到SlotA插槽的Athlon主板上，反之亦然。编者按：任何东西从发展到壮大都会经历一个过程，CPU能够发展到今天这个规模和成就，其中的发展史更是耐人寻味。作为电脑之“芯”的CPU也不例外，本文让我们进入时间不长却风云激荡的CPU发展历程中去。在这个回顾的过程中，我们主要叙述了目前两大CPU巨头——Intel和AMD的产品发展历程，对于其他的CPU公司，例如Cyrix和IDT等，因为其产品我们极少见到，篇幅所限我们就不再累述了。三、踏入新****的CPU进入新****以来，CPU进入了更高速发展的时代，以往可望而不可及的1Ghz大关被轻松突破了，在市场分布方面，仍然是Intel跟AMD公司在两雄争霸，它们分别推出了Pentium4、Tualatin核心PentiumII和Celeron、Tunderbird核心Athlon、AthlonXP和Duron等处理器，竞争日益激烈。1、 在Intel方面，在上个****末的2000年11月，Intel发布了旗下第四代的Pentium处理器，也就是我们天天都能接触到的Pentium4。Pentium4没有沿用PIII的架构，而是采用了全新的设计，包括等效于的400MHz前端总线（100x4）,SSE2指令集,256K-512KB的二级缓存,全新的超管线技术及NetBurst架构，起步频率为1.3GHz。第一个Pentium4核心为Willamette,全新的Socket423插座，集成256KB的二级缓存，支持更为强大的SSE2指令集，多达20级的超标量流水线，搭配i850/i845系列芯片组，随后Intel陆续推出了1.4GHz-2.0GHz的WillametteP4处理器，而后期的P4处理器均转到了针角更多的Socket478插座。和奔腾III一样，第一个Pentium4核心并不受到