整理CPU的发展历程和发展现状.docx

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整理CPU的发展历程和发展现状

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二十四、

二十五、CPU的发展历程和发展现状

发展历程

1、X86时代的CPU

CPU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.

2、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。

3、Pentium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586NOT、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的一个封装中除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安置在该封装中，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150/166/180/200,一级缓存都是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。

4、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最新发明的一项多媒体增强指令集技术，它的英文全称可以翻译“多媒体扩展指令集"。

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，处理多媒体的能力上提高了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，但由于缺少了多媒体扩展指令集这道杀手锏，K6在包括游戏在内的多媒体性能要逊于奔腾MMX。

5、优势的确立—-奔腾Ⅱ：

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solt1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内部集合了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Slot1（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。

6、世纪末的辉煌——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的多媒体指令集,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，Slot1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高，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133Mhz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Coppermine128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％.

7、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Risc核心（3WaySuperScalarRisccore）,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），三个多媒体单元（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媒体单元。

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的多媒体单元（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的封装和外观跟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。

8、踏入新世纪的CPU

进入新世纪以来，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.

在Intel方面，在上个世纪末的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核心并不受到太多的好评，主要原因是新的CPU架构还不能受到程序软件的充分支持,因此Pentium4经常大幅落后于同频的Athlon，甚至还如Intel自己的奔腾III。

但在一年以后，Intel发布了第二个Pentium4核心，代号为Northwood，改用了更为精细的0.13微米制程，集成了更大的512KB二级缓存，性能有了大幅的提高,加上Intel孜孜不倦的推广和主板芯片厂家的支持,目前Pentium4已经成为最受欢迎的中高端处理器。

在低端CPU方面，Intel发布了第三代的Celeron核心，代号为Tualatin,这个核心也转用了0.13微米的工艺,与此同时二级缓存的容量提高到256KB，外频也提高到100Mhz,目前TualatinCeleron的主频有1。

0、1。

1、1。

2、1。

3Ghz等型号。

Intel也推出了Tualatin核心的奔腾III，集成了更大的512KB二级缓存，但它们只应用于服务器和笔记本电脑市场,在台式机市场很少能看到。

在AMD方面，在2000年中发布了第二个Athlon核心—-Tunderbird，这个核心的Athlon有以下的改进，首先是制造工艺改进为0。

18微米，其次是安装界面改为了SocketA,这是一种类似于Socket370，但针脚数为462的安装接口。

最后是二级缓存改为256KB，但速度和CPU同步，与Coppermine核心的奔腾III一样。

Tunderbird核心的Athlon不但在性能上要稍微领先于奔腾III，而且其最高的主频也一直比奔腾III高，1Ghz频率的里程碑就是由这款CPU首先达到的。

不过随着Pentium4的发布，Tunderbird开始在频率上落后于对手，为此,AMD又发布了第三个Athlon核心——Palomino，并且采用了新的频率标称制度，从此Athlon型号上的数字并不代表实际频率，而是根据一个公式换算相当于竞争对手（也就是Intel）产品性能的频率,名字也改为AthlonXP。

例如AthlonXP1500+处理器实际频率并不是1。

5Ghz，而是1.33GHz。

最后，AthlonXP还兼容Intel的SSE指令集，在专门为SSE指令集优化的软件中也能充分发挥性能.

在低端CPU方面，AMD推出了DuronCPU，它的基本架构和Athlon一样，只是二级缓存只有64KB。

Duron从发布开始，就能远远抛离同样主攻低端市场的Celeron,而且价格更低廉,一时间Duron成为低价DIY兼容机的第一选择,但Duron也有它致命的弱点，首先是继承了Athlon发热量大的特点,其次是它的核心非常脆弱，在安装CPU散热器时很容易损坏。

国内外CPU现状

据中科院计算所介绍，“十一五”计划期间，中科院计算所将研制多核的龙芯3号，可用来研制生产高性能的计算机和服务器，进一步缩小与国外先进水平的差距。

现在龙芯系列研发和推广的重点依然是龙芯2号产品，与此同时也末放弃龙芯1号和3号的继续研发，龙芯家族的各号产品嵌入式系统（龙芯1号）、PC机（龙芯2号）和服务器（龙芯3号）研发将齐头并进。

面对中国这个潜力广阔的大市场,龙芯还有很长的一段路要走，合理地找准市场地位，如何发挥其产品的技术优势并加大应用推广的力度，是目前龙芯处理所需要做的.目前单核心处理器已经走到尽头，在国外双核心被Intel和AMD确定为下步发展项目。

双核处理器的应用环境已经颇为成熟,大多数操作系统已经支持并行处理，许多新或即将发布的应用软件都对并行技术提供了支持,双核处理器一旦上市，系统性能的提升将能得到迅速的提升，整个软件市场其实已经为多核心处理器架构提供了充分的准备。

在单一处理器上安置两个或更多强大