CPU的发展历程和发展现状

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1、CPU的发展历程和发展现状1. 发展历程1.1 X86 时代的 CPUCPU勺溯源可以一直去到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 一个用于计算器勺 4 位微处理器，也是第一款个人有能力买得起勺电 脑处理器！1978年， Intel 公司再次领导潮流，首次生产出 16位勺微处理 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勺指令集， 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

2、以人们也这些指令集统一称之为 X86指令集。 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16亿外部数据总线是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

3、是16位结构，但是在CPU勺内部含有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。1.2 Intel 80286 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4G

4、B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。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。1.3 Pentium 的来历在286、386、486这些产品深入人

5、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In tel第五代处理器 被命名Pentium，而不是586，出乎许多人预料。值得注意的是在 Pentimu Pro的一个圭寸装中除 Pentimu Pro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 Pro 200MHZCP的L2 CACHE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 Pentimu Pro 最引人注目的地

6、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。 Pentimu Pro 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 Pentimu Pro 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 Pentimu Pro 实际上出售的数目非常至 少，市场生命也非常的短， Pentimu Pr

7、o 可以说是 Intel 第一个失败 的产品。1.4 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 In tel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 MM指令外，还将 CPU芯片内的L1缓

8、存由原来的16KB增加到32KR16K指命+ 16K数据）, 因此MMCPUt匕普通CPU在运行含有MM指令的程序时，处理多媒体 的能力上提高了 60%左右。MM技术不但是一个创新，而且还开创了 CPL开发的新纪元，后来的SSE 3D NOW!等指令集也是从 MM发展 演变过来的。1.5优势的确立一一奔腾n：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n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n处理器与单边插接卡（也称S

9、EC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n 的 标志和奔腾n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。除了用于普通用途的奔腾n之外，In tel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 Slot 2插口技术，32KB 一级 高速缓存，512KB及1MB勺二级高速缓存

10、，双重独立总线结构，100MHz 系统总线，支持多达 8 个 CPU。1.6 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勺基础上添加了 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 MM程序。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 133Mh

11、z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。1.7 AMD 的绝地反击 Athlon在AMD公司方面，刚开始时为了对抗奔腾 山，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(Level 1)及256K的第二层高速缓存(Level 2)，主板上则配置第三级高速缓存( Level 3 )。 K6-3 处理器还支持 增强型的3D Now指令集。由于成本上和成品率方面的问题，K6-

12、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AMDS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（3WaySuperScalar Rise core），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。Athlon内建128KB全速高速缓存（L1 Cache），芯片外部则是1/2 时频率

13、、512KB容量的二级高速缓存（L2 Cache）,最多可支持到8MB 的L2 Cache,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。1.8踏入新世纪的CPU进入新世纪以来，CPUS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In tel跟AMD公司在两雄争霸，它们分别推出了 Pentium4、Tualatin核心 Pentium II 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

14、旗下第四代的 Pentium 处理器，也就是我们天天都能接触到的 Pentium 4 。 Pentium 4 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（100 x 4）, 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。在低端CPU方面，In tel发布了第三代的Celero n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Tualatin Celeron 的主频有 1.0、1.1、

15、1.2、1.3Ghz 等型号。In tel 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。在低端CPL方面，AM推出了 Duron CPU它的基

16、本架构和 Athlon 一样，只是二级缓存只有 64KB。2. 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In tel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