第二章 CPU 相关技术.docx

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第二章CPU相关技术

第二章CPU的发展及相关产品技术

　　CPU（CentralProcessingUnit），即中央处理单元，也称微处理器，是整个系统的核心，也是整个系统最高的执行单位。

它负责整个系统指令的执行、数学与逻辑运算、数据存储、传送以及输入输出的控制。

因为CPU是决定电脑性能的核心部件，人们就以它来判定电脑的档次，于是就有了486、586（Pentium）、PⅡ、PⅢ、P4之分。

CPU既然关系着指令的执行和数据的处理，当然也关系着指令和数据处理速度的快慢，因而CPU有不同的执行功能，不同的处理速度。

一般CPU的功能和处理速度，我们可以从它的型号和编号来判断，如Pentium系列是586机种的CPU，型号后的数字即为它的工作频率（时钟频率），单位是MHz。

第一节CPU的历史

　　CPU从最初发展至今已经有20多年的历史了，这期间，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64位微处理器等等。

在风起云涌的IT业界，PC机CPU厂商主要以Intel、AMD和VIA（威盛）三家为主，我们将以他们的产品为介绍重点。

　　一、Intel阵营

　　Intel（英特尔）公司大家已经是如雷贯耳，不管你是否为计算机高手，也不管你是否是业内人士，只要你知道计算机这个词，对Intel就一定不会陌生。

Intel是全世界硬件行业的老大，是世界上最大的芯片生产商和制造商。

提到Intel公司就不能不谈谈IntelCPU芯片的发展历程。

按照国际上目前比较能够得到业内认同的说法，Intel的CPU芯片主要经历了以下几个发展阶段:

　　1.Intel4004

　　1971年，Intel公司推出了世界上第一款微处理器4004。

这是第一个用于个人计算机的4位微处理器，它包含2300个晶体管，由于性能很差，市场反应冷淡。

　　2.Intel8080/8085

　　在4004之后，Intel公司又研制出了8080处理器和8085处理器，加上当时美国Motorola公司的MC6800微处理器和Zilog公司的Z80微处理器，一起组成了8位微处理器家族。

　　3.Intel8086/8088

　　16微处理器的典型产品是Intel公司的8086微处理器，以及同时生产出的数学协处理器，即8087。

这两种芯片使用互相兼容的指令集，但在8087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的指令。

由于这些指令应用于8086和8087，因此被人们统称为x86指令集。

此后Intel推出新一代CPU产品均兼容原来的x86指令集。

　　1979年Intel公司推出了8086的简化版——8088芯片，它仍是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，可以使用1MB内存。

8088的内部数据总线是16位　，外部数据总线是8位。

1981年，8088芯片被首次用于IBMPC机当中，开创了个人电脑的新时代。

如果说8080处理器还不为大多数人所熟知的话，那么8088则可以说是家喻户晓了，PC（个人电脑）机的第一代CPU便是从它开始的。

　　4.Intel80286

　　1982年的Intel80286虽然是16位芯片，但是其内部已包含了13.4万个晶体管，时钟频率也到了前所未有的20MHz。

其内、外部数据总线均为16位，地址总线为24位，可以使用16MB内存，工作方式包括实模式和保护模式两种。

　　5.Intel80386DX/80386SX

　　32位微处理器的代表产品首推Intel公司1985年推出的80386，这是一种全32位微处理器芯片，也是x86家族中第一款32位芯片，其内部包含了27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后逐步提高到33MHz。

80386的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可以寻址到4GB内存。

它除了具有实模式和保护模式以外，还增加了一种虚拟386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。

　　1989年，Intel公司又推出准32位处理器芯片80386SX。

它的内部数据总线为32位，与80386相同，外部数据总线为16位。

也就是说，80386SX的内部处理速度与80386接近，也支持真正的多任务操作，并且可以使用为80286开发的输入/输出接口芯片。

80386SX的性能优于80286，而价格只及80386的1/3。

386处理器没有内置数学协处理器，因此不能执行浮点运算指令，如果需要进行浮点运算，必须额外购买昂贵的80387数学协处理器。

　　6.Intel80486DX/80486SX

　　1989年，80486处理器面市，它集成了125万个晶体管，时钟频率由25MHz逐步提升到33MHz、40MHz和50MHz。

80486内含80386和数字协处理器80387以及一个8KB的高速缓存，并在x86系列中首次使用了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80386提高了4倍。

　　早期的486理器分为有数学协处理器的486DX和无数学协处理器的486SX两种，其价格也相差许多。

随着芯片技术的不断发，CPU的频率越来越快，而PC机外部设备受工艺限制，能够承受的工作频率有限，这就阻碍了CPU主频的进一步提高，在这种情况下，出现了CPU倍频技术，该技术使CPU内部工作频率为处理器外频的2～3倍，486DX2、486DX4的名字便是由此而来。

以后的日子里，CPU开始了突飞猛进的发展。

　　7.IntelPentiumClassic（经典奔腾）

　　代号:

P54C

　　发布时间:

1993年

　　核心频率:

60～200MHz

　　总线频率:

50～66MHz

　　工作电压:

3.3V

　　制造工艺:

0.8～0.35μm

　　晶体管数目:

310～330万个

　　芯片面积:

191mm2

　　缓存容量:

16KBL1Cache

　　指令内置:

x86指令集、x86译码器、80位浮点单元

　　接口类型:

Socket7

　　早期的Pentium处理器（主要是Pentium60和Pentium66）存在浮点运算错误的问题，Intel为此花4亿美元回收了大批有问题的CPU，这在当时是十分冒险的行为，但Intel的这一做法最终赢得了用户的信任，Pentium再度成为市场上最畅销的产品。

　　8.IntelPentiumPro（高能奔腾）

　　代号:

P6

　　发布时间:

1995年

　　核心频率:

150～200MHz

　　总线频率:

60～66MHz

　　工作电压:

3.1V/3.3V

　　制造工艺:

0.5～0.35μm

　　晶体管数目:

550～700万个

　　芯片面积:

196mm2

　　缓存容量:

16KBL1Cache、256KB/512KB/1MBL2Cache

　　指令内置:

x86指令集、x86译码器、80位浮点单元、分支预测功能

　　接口类型:

Socket8

　　9.IntelPentiumMMX

　　代号:

P55C

　　发布时间:

1997年

　　核心频率:

166～233MHz

　　总线频率:

60～66MHz

　　内核电压:

2.8V

　　I/O电压:

3.3V

　　制造工艺:

0.35μm

　　晶体管数目:

450万个

　　芯片面积:

128mm2

　　缓存容量:

32KBL1Cache

　　指令内置:

x86指令集、x86译码器、80位浮点单元、MMX多媒体指令集

　　接口类型:

Socket7

　　PentiumMMX有16KB数据缓存、16KB指令缓存和4路写缓存，并增加了从PentiumPro而来的分支预测单元和从Cyrix6x86而来的返回堆栈技术。

新增的57条MMX指令用来处理音频、视频和

图像数据，使CPU在多媒体应用上的能力大大增强。

　　10.IntelPentiumⅡ代号:

Klamath（1997年上市）、Deschutes（1998年上市）

　　核心频率:

233～333MHz（66MHz外频）、350～450MHz（100MHz外频）

　　总线频率:

66～100MHz

　　制造工艺:

0.35（Klamath）/0.25（Deschutes）μm

　　核心电压:

2.8V（Klamath）/2.0V（Deschutes）

　　晶体管数目:

750万个

　　芯片面积:

130.9mm2

　　缓存容量:

32KBL1Cache、512KBL2Cache

　　接口类型:

Slot1

　　PentiumⅡ是在PentiumPro的基础上将内置的L2Cache移出，与CPU焊在同一块电路板上，然后封装成卡匣形式而成。

外置L2Cache的容量为512KB，以CPU速度的一半运行。

　　11.IntelCeleron（赛扬）

　　代号:

Covington

　　发布时间:

1998年

　　核心频率:

266～300MHz

　　总线频率:

66MHz

　　制造工艺:

0.25μm

　　晶体管数目:

750万个

　　芯片面积:

153.9mm2

　　缓存容量:

32KBL1Cache

　　接口类型:

Slot1

　　12.IntelCeleronMendocino（新赛扬）

　　代号:

Mendocino

　　发布时间:

1998年

　　核心频率:

300～533MHz

　　总线频率:

66MHz

　　制造工艺:

0.25μm

　　晶体管数目:

1900万个

　　芯片面积:

153.9mm2

　　缓存容量:

32KBL1Cache、128KBL2Cache

　　接口类型:

Slot1、Socket370

　　由于具有和PentiumⅡ一样的核心，所以Celeron的浮点能力依然强劲，在游戏和3D图形处理方面与

PentiumⅡ一样出色。

但没有了L2Cache，Celeron的整数性能大打折扣，Celeron266的整数运算能力甚至还不及PentiumMMX233，在与K6-2的争斗中一败涂地。

所以Intel又加入了128KB全速L2Cache，此为新赛扬。

　　新赛扬只有128KBL2Cache，虽然比起PentiumⅡ的512KB少得多，但其性能并不比PentiumⅡ差。

因为新赛扬的缓存速度与CPU核心频率相同，而PentiumⅡ的缓存速度只有CPU核心频率的一半。

　　正因为如此，新赛扬不但具有同频PentiumⅡ的高性能，并且具有很强的超频能力，部分300MHzCeleronA能超到令人吃惊的504MHz甚至更高。

　　13.IntelPentiumⅢ

　　代号:

Katmai、Coppermine

　　发布时间:

1999年

　　核心频率:

450MHz以上

　　总线频率:

100～133MHz

　　CPU核心电压:

1.8V

　　制造工艺:

0.25（Katmai）/0.18（Coppermine）μm

　　晶体管数目:

950万个

　　芯片面积:

153.9mm2

　　缓存容量:

32KBL1Cache、512KBL2Cache

　　指令内置:

MMX指令集和SSE指令集

　　PentiumⅢ处理器增加了70条SSE指令，并具有惟一的处理器序列号。

　　二、AMD阵营

　　在CPU市场的多年较量中，与Intel始终相执不下的就是　CPU芯片的另一霸主——同是美国公司的AMD了。

从K5起，AMD就一直致力于与Intel争夺在低端应用领域的市场份额。

　　1.AMDK5

　　代号:

5K86

　　发布时间:

1996年

　　核心频率:

75～133MHz

　　总线频率:

50～66MHz

　　CPU核心电压:

3.52V

　　制造工艺:

0.35μm

　　晶体管数目:

430万个

　　芯片面积:

181mm2

　　缓存容量:

24KBL1Cache（16KB数据Cache、8KB指令Cache）

　　接口类型:

Socket7

　　K5是AMD公司第一块自行设计的处理器，时钟频率有90MHz、100MHz、120MHz等几款。

AMD也采用P-Rating系统，该系统本身就是与Cyrix协作开发出来的。

尽管K5的浮点运算能力比6x86稍强一些，但也好不到哪里去。

同时由于K5的时钟频率比不上Cyrix，所以它在CPU市场并不成功。

但是1年以后，分别比90、100和116.66MHz更快的120、133和166MHzAMDP-Rating处理器又杀了回来。

由于推出的时间较晚，因此刚一推出就面临着被Intel公司淘汰出局的悲惨命运。

　　2.AMDK6

　　发布时间:

1997年

　　核心频率:

166～300MHz

　　总线频率:

66MHz

　　CPU核心电压:

2.9～3.2V

　　I/O电压:

3.3V

　　制造工艺:

0.35～0.25μm

　　晶体管数目:

880万个

　　芯片面积:

68/162mm2

　　缓存容量:

64KBL1Cache

　　指令内置:

MMX多媒体指令集

　　接口类型:

Socket7

　　这是AMD公司并购NexGen公司之后制造的第一代K6处理器，性能基本达到了低频PⅡ处理器的水平，缺点是发热量较大。

K6和Cyrix6x86/MX性能相当。

第一代166MHz和200MHzK6处理器的内核电压是2.9V，输入/输出电压为3.3V，而第二代233、266和300MHz的K6都为3.2V。

AMDK6和Cyrix6x86MX的整数运算能力接近3年前的PentiumPro，但它们的浮点运算速度仍然不快。

　　3.AMDK6-2

　　代号:

Chomper

　　发布时间:

1998年

　　核心频率:

266～550MHz

　　总线频率:

66～100MHz

　　CPU核心电压:

2.2V

　　制造工艺:

0.25μm

　　晶体管数目:

930万个

　　芯片面积:

68mm2

　　缓存容量:

64KBL1Cache

　　指令内置:

3DNow!

指令集、MMX多媒体指令集

　　接口类型:

Socket7

　　K6-2/3DNow!

采用了和K6一样的内核，支持MMX指令和3DNow!

指令。

随着DirectX和OpenGl等应用程序接口提供对3DNow!

的支持，K6-2处理器在游戏和图形应用领域的表现比其上一代产品有了质的提高。

　　4.AMDK6-3

　　代号:

Sharptooth（利齿）

　　发布时间:

1999年

　　核心频率:

350～550MHz

　　总线频率:

66/100MHz

　　CPU核心电压:

2.2V/2.4V

　　CPUI/O电压:

3.3V

　　制造工艺:

0.25μm

　　晶体管数目:

2130万个

　　芯片面积:

135mm2

　　缓存容量:

64KBL1Cache、256KBL2Cache

　　指令内置:

3DNow!

指令集、MMX多媒体指令集

　　接口类型:

Socket7

　　K6-3是AMD公司最后一款支持Super7架构的CPU，其特点是内置了256KB全速L2Cache（超过新赛扬128KB），并持主板上的512KB～2MB三级Cache，支持MMX和3DNow!

指令集，性能不错，但成品率较低，与上一代产品相比价格偏贵。

　　5.AMDAthlon

　　代号:

K7

　　发布时间:

1999年

　　核心频率:

500MHz以上

　　总线频率:

200MHz

　　CPU核心电压:

1.6（K7核心）或1.7V/1.8V（K75核心）

　　制造工艺:

0.18/0.25μm

　　晶体管数目:

2130万个

　　芯片面积:

120mm2

　　缓存容量:

128KBL1Cache、512KB～8MBL2Cache

　　指令内置:

3DNow!

指令集、MMX多媒体指令集、部分SSE指令

　　接口类型:

SlotA

　　AMDAthlon采用了EV6总线架构，可以上到200MHz的外频，同样支持MMX指令集和3DNow!

指令集。

为了在CPU上集成更多的缓存，AMD不得不从Socket架构转变到Slot架构。

集成在CPU电路板上的L2Cache最大可达到8MB。

　　Athlon有两种规格，一种采用0.25μm工艺制造，使用K7核心，工作电压为1.6V，缓存速度为内核速度的一半。

另一种采用0.18μm工艺制造，使用K75核心，缓存速度为内核速度的1/3或2/5，工作电压为1.7V或1.8V。

AMD的SlotA架构与Intel的Slot1架构在物理上完全兼容，但电气性能不兼容，因此，用户不能在PentiumⅡ主板上安装Athlon，反之亦然。

　　Athlon处理器还采用大容量缓存提高性能，在CPU核心中集成了128KB一级缓存，其容量为PentiumⅡ处理器的4倍，而二级缓存则采用类似IntelXeon的配置，标准版本的二级缓存为512KB，工作在处理器主频速度一半的状态下。

Athlon还具备3个并行的超标量结构，在一个时钟周期中可以处理比PentiumⅢ更多的指令。

　　除了上述CPU市场的两大霸主外，几年来，由于众多的厂商都看好CPU芯片这个市场，于是便有了以下的内容。

　　三、非Intel、AMD“Inside”一派

　　1.Cyrix6x86/6x86L

　　发布时间:

1995年

　　核心频率:

100～150MHz

　　总线频率:

50～75MHz

　　CPU核心电压:

3.3V/3.52V（6x86）/2.8V（6x86L）

　　I/O电压:

3.3V/3.52V（6x86）/3.3V（6x86L）

　　制造工艺:

0.65μm（6x86）/0.35μm（6x86L）

　　晶体管数目:

300万个

　　缓存容量:

16KBL1Cache

　　接口类型:

Socket7

　　美国Cyrix公司是第一家胆敢与PentiumPro一较高低的公司，就像其将CPU命名为6x86一样，多少有点瞒天过海的味道，这是试图超越Intel高性能处理器的第一次尝试。

不幸的是，6x86并没有击败PentiumPro。

汲取了以前的教训，Cyrix决定改变它的市场策略，转而用6x86与Pentium竞争。

6x86的运行速度比同频率的Pentium要快一个级别，如时钟频率为133MHz的6x86与166MHz的Pentium相当。

也因为这个成就，Cyrix和AMD让用户们明白了在较慢的时钟频率下，处理器的速度可以更快。

于是，一种名为“P-Rating”（性能评级）的处理器评级系统出现了（也是后来AMD公司所采用的方式）。

　　“P-Rating”简单衡量了6x86处理器相对于Pentium的性能。

133MHz的6x86之所以叫做“Cyrix6x86P166+”，是因为它的速度和Pentium166相差无几。

但6x86的浮点运算能力很差，6x86P166+的浮点能力仅与Pentium90相当。

　　由于6x86的发热量很大，所以Cyrix推出了一款采用双电压设计的6x86L，核心电压为2.8V，大大降低了发热量。

不过6x86和6x86L都存在一定的兼容性问题，有些软件需要安装特定的补丁程序才能正常运行。

在Intel推出PentiumMMX以后，Cyrix也推出了6x86MX，其整数性能在当时是最高的，但浮点运算能力依然没有多大改观。

　　2.CyrixMⅡ发布时间:

1998年

　　核心频率:

225～300MHz

　　总线频率:

66～100MHz

　　CPU核心电压:

2.8V

　　I/O电压:

3.3V

　　制造工艺:

0.35～0.25μm

　　晶体管数目:

650万个

　　缓存容量:

64KBL1Cache

　　接口类型:

Socket7

　　在推出6x86后，为了进一步与PentiumMMX争夺市场，Cyrix沿用Cyrix6x86MX的设计模式，生产出了名叫CyrixMⅡ的新型处理芯片。

从6x86到MⅡ的变化，不仅在于其MMX指令集的改变，整个处理器的设计工艺也有所变化。

如果配合Cyrix专用的散热芯片和风扇，MⅡ不再烫得可怕，同时FPU（FloatPointUnit，浮点运算单元）的性能也大幅提高了。

但它的总体性能仍比PentiumMMX低，甚至在AMDK6之下。