CPU及其架构 发展历史.docx

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CPU及其架构发展历史

intel_的CPU发展史（图文）

谈到处理器，就应该知道著名的摩尔定律（到目前为止，还是对的）。

摩尔定律：

1965年戈登·摩尔在《电子学》杂志（ElectronicsMagazine）第114页发表了影响科技业至今的摩尔定律：

1、集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。

2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降二分之一。

3、用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。

附：

钟摆理论：

在奇数年，英特尔将会推出新的工艺；而在偶数年，英特尔则会推出新的架构。

简单的说，就是奇数工艺年和偶数架构年的概念。

英特尔的钟摆策略，能够体现英特尔技术变化方向。

当有英特尔钟摆往左摆的时候，tick这个策略会更新工艺，往右摆的时候，tock会更新处理器微架构。

举个例子，05年说tick，英特尔更新从90纳米走向65纳米；06年是tock，用英特尔推出酷睿架构，07年走向45纳米。

值得注意的是，首先它不会在一年内两个技术同时出现。

每一年都可以在上个技术上再提升一个规模。

钟摆策略发展趋势一般是今年架构、明年工艺，是让大家循序渐进，而且实行钟摆策略也是带着整个行业按着这个钟摆形成一种共同的结构往前走。

intel系列CPU及其架构：

本文将对intel系列CPU及其架构做简要介绍，CPU（CentralprocessingUnit），又称“微处理器（Microprocessor）”，是现代计算机的核心部件。

对于PC而言，CPU的规格与频率常常被用来作为衡量一台电脑性能强弱重要指标。

   CPU的起源可以一直追溯到1971年。

在那一年，当时还处在起步阶段的Intel公司推出了世界上第一颗微处理器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，当时的蓝色巨人IBM以及大部分商业用户对此不屑一顾。

但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的历史发展历程一定意义上也就是Intel公司x86系列CPU的发展历程。

4004处理器核心架构图：

（有点像毛毛虫）。

IntelC8008为世界上第一款八位元处理器。

8008共推出两种速度，0.5Mhz以及0.8Mhz，虽然比4004的工作时脉慢，不过因为是八位元处理器（比起4004的四位元），整体效能要比4004好上许多。

8008可以支援到16KB的内存。

C8008是比较珍贵的紫色陶瓷镀金接脚版本，D8008则是后期出的量产版。

发布时间为1972年，8位运算+16位地址总线+16位数据总线，包含7个8位寄存器（A,B,C,D,E,F,G,其中BC,DE,HL组合可组成16位数据寄存器），支持16位内存，同时它也包含一些输入输出端口，这是一个相当成功的设计，还有效解决了外部设备在内存寻址能力不足的问题。

之后，intel又推出8080。

8080不仅扩充了可寻址的存储器容量和指令系统，而且指令执行速度是8008的10倍。

8008系统的加法需要20μs（每秒5万条指令），而8080系统只需要2μs（每秒50万条指令）。

另一方面8080可直接与TTL（晶体管晶体管逻辑）兼容，而8008则不能。

这样就使得接口设计更容易，而且价格更便宜。

8080可寻址的范围（64KB）是8008（16KB）的4倍，这些改进导致进入了8080时代，并且使微处理器继续繁荣昌盛。

随后，1974年第一台PC机MITSAltair8800问世了（注意，选择8800这个名字，可能是为了避免侵犯Intel的版权）。

为Altair8800计算机写的BASIC语言解释程序是由BillGates（比尔·盖茨）和PaulAllen于1975年开发的，他们是Microsoft公司的创始人。

Altair8800的汇编程序是由DigitalResearch公司编写的，它曾为PC机开发了DRDOS。

8085：

8085的主频，我们现在看来非常的可怜，甚至还不如一个MP3的DSP。

它最低主频3MHz，最高主频也不过6MHz。

当年使用此CPU的厂商非常多，包括了AMD，TOSHIBA，FUJI，SIEMENS等等。

我的这位朋友收了一大批的8085，当然不少是连号的，INTEL这批CPU

这是8085的一个分枝，区别在于其主频的工作频率，如同现在的赛扬D325，330一样。

此CPU是8085系列中拥有最高主频的一颗。

8086：

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，毫无疑问，8086是在我们曾经的计算机课本中出现频率最高的一个型号。

它的产品线也分了3个部分，分别是8086，8086－8，8086－10。

后缀分别代表了CPU的主频。

8086是整个产品线中最低主频的一颗，仅仅是4.77MHz。

它与上一代产品最大的区别就在于它是一颗16bit的处理器。

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、指数和三角函数等的数学计算指令这两种芯片使用相同的指令集，可以互相配合提升科学运算的效率。

之后，在8086的基础上，公司发展了8088，以技术的观点来看，8088其实是8086的一个简版，其内部指令是16位的，但是外部是8位数据总线；相对于8086内部数据总线（CPU内部传输数据的总线）、外部数据总线（CPU外部传输数据的总线）均为16位，地址总线为20位，可寻址1MB内存的规格来说，是稍差了一点，但是已经足以胜任DOS系统和当时的应用程序了。

80286，intel最后一块16位cpu，

1982年。

这一年，Intel推出了划时代的最新产品80286芯片，该芯片比8086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，。

与8086相比，80286寻址能力达到了16MB，可以使用外存储设备模拟大量存储空间，从而大大扩展了80286的工作范围，还能通过多任务硬件机构使处理器在各种任务间来回快速切换，以同时运行多个任务，其速度比8086提高了5倍甚至更多。

。

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。

80386，intel第一代32位cpu

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，后逐步提高到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。

同时也是第一种具有“多任务”功能的处理器——这对微软的操作系统发展有着重要的影响，所谓“多任务”就是说处理器可以在同时处理几个程序的指令。

80486，这是intel最后一代以数字编号的cpu

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。

·P5架构带来了第一款与数字无关的处理器：

pentiumpro

稍后Intel推出了PentimuPro（中文名称“高能奔腾”），尽管性能不错，但远没有达到抛离对手的程度。

加上价格十分昂贵，因此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，但PentiumPro的设计思想和总体架构却对Intel此后的处理器设计造成了深远的影响。

PentiumPro处理器采用了一种新的总线接口Socket8。

新的处理器对多媒体功能提供了很好的支持。

PentiumPro的工作频率有150/166/180和200MHz四种，都具有16KB的一级缓存和256KB的二级缓存。

它是基于Pentium完全相同的指令集和兼容性，达到了440MIPs的处理能力和5.5M个晶体管。

这几乎相当于比4004处理器的晶体管提升了2400倍。

值得一提的是PentiumPro采用了“PPGA”封装技术。

即一个256KB的二级缓存芯片与PentiumPro芯片封装在一起，两个芯片之间用高频宽的内部总线互连，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。

例如PentiumPro200MHzCPU的L2Cache就是运行在200MHz，也就是工作在与处理器相同的频率上，这在当时可以算得上是CPU技术的一个创新。

PentiumPro的推出，为以后Intel推出PⅡ奠定了基础。

P6架构与支持多媒体技术的PentiumMMX:

英特奔腾MMX的推出，是Intel的辉煌时代的到来，所以对奔腾系列将做比较详细的介绍：

吸取了奔腾Pro的教训，Intel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（中文名称“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指令集来增强性能。

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。

奔腾Ⅱ处理器融合了IntelMMX技术——Intel近10年来,在架构方面最显著的提高。

MMX技术提升了视频的加压和解压、图像处理、编码及I/O处理,所有的这一切在今天的办公套件、商用多媒体、通信和Internet中被广泛地应用。

（1）单指令、多数据（SIMD）技术

今天的媒体和通信应用程序中经常使用重复循环,这些仅占总程序10%甚至更少的代码,却要占用90%的运行时间。

一个被称作单指令、多数据（SIMD）的流程使得一条指令能完成多重数据的的工作。

这就好比一个长官对整个排发出"立正!

"的命令,而不是对每个士兵都说一遍。

SIMD允许芯片减少在视频、声音、图像和动画中计算密集的循环。

（2）新的指令集

Intel的工程师们特别设计了57条功能强大的指令,以更有效地操作、处理视频、声音和图像数据。

这些指令主要针对多媒体操作中经常出现的高并行、重复运算。

奔腾Ⅱ处理器的MMX技术和奔腾处理器中的MMX技术是兼容的,它和奔腾Ⅱ处理器的核心架构也有非常好的结合。

强大的MMX技术指令集充分利用了动态执行的技术,在多媒体和通信中性能表现卓著。

4.紧密相连的512K二级高速缓存器

5.266MHz处理器主频,支持嵌入式应用

6.66MHz系统总线频率

7.优化的包装体积

为合理利用宝贵的空间,Intel设计了Intel便携式模型（IMM）和最新的迷你包装,以保证芯片的安装。

包装体积为4英寸×2.5英寸×0.39英寸。

8.能耗低

主频为266MHz时,能耗为1.7V内核电压,内核处理器能耗为7.8W,整个模块最大能耗为12.4W。

全面的解决方案:

除了现有的支持嵌入设计的高端处理器模块和芯片组以外,Intel公司还将继续支持嵌入式Intel架构产品线,包括Intel嵌入式处理器模块、Intel奔腾处理器（含有MMX技术）及PCI芯片组,Intel486处理器、Intel386处理器和Intel186处理器。

为满足嵌入式应用市场的需求,Intel还将提供应用软件开发支持、参考设计、第三方开发工具和服务零售商的联络信息、BIOS以及操作系统

在Intel奔2之后，Intel为了占领更多的市场，推出了celeron系列，引发超频热潮。

（超频会适当提高机子性能，但不会超频的同志千万不要尝试！

会烧坏机子。

）

当初推出的Celeron处理器，架构上维持和PentiumII相同（Deschutes），采用Slot-1，核心架构也和PentiumII一样，具有MMX多媒体指令集，但是PentiumII上的两颗L2没了，Intel拿掉L2快取，除了可以降低成本之外，最主要是为了和当时的主流PentiumII在效能上有所分别，除了L2快取，处理器的外部工作频率（FrontSideBUS），也是Intel用来区分主流与低价处理器的分水岭；当时IntelPentiumII处理器的外频为100MHz（最早是PentiumII350），而属于低价的Celeron则是维持传统的66MHz。

Celeron的核心架构，和PentiumII完全相同，只是少了L2快取，这对整体效能上的影响很大，在效能上一直为大家所唾弃。

不过Celeron的核心架构和PentiumII是完全相同的，所以在浮点运算能力上，是完全相同的，执行一些3D游戏时，效能还不差。

由于不具L2快取记忆体的Celeron效能以及价位上，并不能够取代K6-2，所以，Intel再度推出新版本的Celeron（核心代号:

Mendocino），不但加上了L2快取记忆体之外，由于Intel在制程上的进步，以及成本方面的考量，所以改良后的Celeron，具有128KB的L2全速On-Die快取，效能上和同时脉的PentiumII相当接近。

On-Die128KL2快取的Celeron推出之后，在电脑业界还是没有受到大家的厚爱，尤其是D.I.Y.的玩家，更是完全看不上眼，不过在Intel推出PPGA封装的Celeron之后，情况开始有180º的大转变。

Intel为了因应市场的各项需求，开始深深体验到，只是推出‘阉割’版的Celeron，是不能够满足大家需求的，新的Celeron除了有全速128K快取之外，为了进一步降低成本，Intel连Slot-1都不要了，旧的SEPP（SingleEdgeProcessorPackage）封装方式，需要较高的成本，所以Celeron新的PPGA（PlasticsPinGirdArray）封装方式，不但降低了处理器生产成本，连带的，主机板的设计，也更具有价格空间，Intel为了成功打入低价电脑市场，也推出ZX以及EX晶片组，让主机板场可以提供系统厂更低价的选择。

终于，Celeron处理器，在Intel强力促销下，成功的成为低价处理器的主流，其中更是以Celeron300A扮演着相当重要的角色，由于可超频性优，马上成为许多超频玩家的最爱。

（不会超频的同志千万不要尝试！

会烧坏机子。

）

·P6架构一直沿用到PentiumIII：

1999年英特尔发布了PentiumIII处理器。

从PentiumIII开始，英特尔又引入了70条新指令（SIMD，SSE），主要用于因特网流媒体扩展（提升网络演示多媒体流、图像的性能）、3D、流式音频、视频和语音识别功能的提升。

PentiumIII可以使用户有机会在网络上享受到高质量的影片，并以3D的形式参观在线博物馆、商店等，PentiumIII处理器集成了950万个晶体管，并且是首个使用0.26微米技术的微处理器。

PentiumIII处理器也发生过错误的事故，可能使用户储存的数据出错，但是英特尔处理这类问题的措施已经炉火纯青，所以只是帮助部分受影响的客户更换主板或者更新微码就解决了该问题。

但是另外一个更严重的事情是：

英特尔在PentiumIII开始引入了硬件序列号功能，每一片PentiumIII处理器都有独特的硬件序列号，这样就有可能区分出具体的某台电脑特征。

不过很遗憾的是，世界上大多数人都对这个新特性非常不满；尤其是隐私保护团体不断游说，要求取消这个功能。

这样，英特尔公司也作出了妥协，允许在硬件设置中关闭该功能，最终在处理器内部取消了这个功能收场。

同样，PentiumIII也有对应型号的Celeron处理器，来应对低端市场。

。

从PentiumIII开始的Socket370和0.18微米制造工艺

起初的IntelP3处理器仍然采用SLOT1接口，它采用0.25微米制造工艺，拥有32K一级缓存和512K二级缓存（运行在芯片核心速度的一半下），包含MMX指令和INTEL自己的“3D”指令SSE，最初发行的PIII有450和500MHz两种规格，其系统总线频率为100MHz。

（奔III的特别之处就是增加了SSE指令，事实上在运行没有为SSE指令优化过的应用软件时，PIII与PII的速度差不多。

Socket370接口的P3处理器

随后英特尔开发出来代替SLOT架构的Socket370架构，外观上与Socket7非常像，也采用零插拔力插槽，对应的CPU是370针脚。

英特尔公司著名的“铜矿”和”图拉丁”系列CPU就是采用此接口，并且将制造工艺成功专制成0.18微米。

PentiumIII的芯片内核

Intel的巅峰王朝应该是奔4时代。

所以对王朝时代的处理器及其一些技术将做以详细介绍：

2000年英特尔发布了Pentium4处理器，自此Intel来到了一个一统江湖的时代。

基于Pentium4处理器的个人电脑，可以让用户创建专业品质的影片，透过因特网传递电视品质的影像，并进行实时语音、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。

NetBurst架构的Pentium4

NetBurst是Intel沿用时间最长的一代构架，以下是NetBurst结构带来的好处：

1.较快的系统总线（FasterSystemBus）；

2.高级传输缓存（AdvancedTransferCache）；

3.高级动态执行（AdvancedDynamicExecution）（包含执行追踪缓存ExecutionTraceCache、高级分支预测EnhancedBranchPrediction）

4.超长管道处理技术（HyperPipelinedTechnology）；

5.快速执行引擎（RapidExecutionEngine）；

6.高级浮点以及多媒体指令集（SSE2）等等。

Pentium4的功能模块图

　　当程序指令与数据一开始进入处理时，就会进入系统总线队列。

Pentium3处理器外频FSB设定在133Mhz，每时钟周期传输64位数据，提供8字节*133Mhz=1066MB/s的数据带宽；而Pentium4处理器的系统总线虽然仅为100Mhz，同样是64位数据带宽，但由于其利用了与AGP4X相同的原理“四倍速”（即FSB400）技术，因此可传输高达3200MB/秒的数据传输速度。

因此，Pentium4处理器传输数据到系统的其他部分比目前所有的x86处理器都快，也打破了Pentium3处理器受系统总线瓶颈的限制。

其后英特尔又不断改进系统总线技术，推出了FSB533、FSB800的新规格，将数据传输速度进一步提升。

Pentium4还提供的SSE2指令集，这套指令集增加144个全新的指令，在128bit压缩的数据，在SSE时，仅能以4个单精度浮点值的形式来处理，而在SSE2指令集，该资料能采用多种数据结构来处理：

4个单精度浮点数（SSE）。

2个双精度浮点数（SSE2）。

16字节数（SSE2）

8个字数（word）数（SSE2）。

4个双字数（SSE2）。

2个四字数（SSE2）

1个128位长的整数（SSE2）。

Pentium4的芯片内核

尽管如今的Pentium4已经是众人皆知的产品，但是在其发展初期可并不是一帆风顺，第一代Willamette核心就饱受批评。

对于全新的NetBurst结构而言，发挥强大的性能需要更高的主频以及强大的缓存结构，而这些都是Willamette核心所不具备的。

起初P4处理器集成了4200万个晶体管，并设计有256KB二级缓存，此时的整体性能受到很大影响。

然而最让Intel尴尬的是，Willamette核心的Pentium41.5G甚至不如Tualatin核心的PentiumIII。

423接口的Willamette

Socket423与Willamette一同消亡

　　最初Pentium4处理器的标准接口为Socket423插槽，Socket423的外形和前几种Socket类的插槽类似，对应的CPU针脚数为423。

Socket423插槽多是基于Intel850芯片组主板，支持1.3GHz～1.8GHz的Pentium4处理器。

不过随着DDR内存的流行，英特尔又开发了支持SDRAM及DDR内存的i845芯片组，CPU插槽也改成了Socket478，Socket423接口也就销声匿迹了，850+Rambus成为当时最为失败的产品。

·Northwood与Socket478让Intel挽回面子

Pentium42.2GHz

很快改进版的Pentium4（Northwood）出现了，新款处理器集成了5500百万个晶体管；采用0.18微米进行制造，初始速度就达到了1.5GHz（gigahertz），相当于从旧金山到纽约只花了13秒的车程（当然，没人有这么快的汽车）。

当然Pentium4也有对应型号的Celeron处理器，来应对低端市场。

　　Socket478接口是目前Pentium4系列处理器所采用的接口类型，针脚数为478针。

Socket478的Pentium4处理器面积很小，其针脚排列极为紧密。

英特尔公司的Pentium4系列和P4赛扬系列都采用此接口。

Prescott核心处理器诞生，让IntelNetBurst结构再度升温

随着制造工艺的进步，Intel将取代Northwood核心的新Prescot（普雷斯科特）核心处理器的制造工艺全面转移到了90纳米，Prescot核心处理器已经将晶体管数量由原来的5500万个提升到现在的1．25亿个晶体管，晶体管数量的增加能够使芯片存储量增至原来的两倍。

另外，由于英特尔公司采用了先进技术，芯片的体积将会更小，可大幅提高芯片运行速度。

Prescot处理器外观:

Prescott处理器内部核心

从上图可以看到，在核心的中间部分，上下分布的两块区域就是能够决定Prescott能够支持64位运算的两组32位的算术逻辑单元（ALU）以及两组32位的寄存器。

不得不承认Intel