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CPU发展史
CPU是CentralProcessingUnit(中央微处理器)的缩写,它是计算机中最重要的一个部分,由运算器和控制器组成。
如果把计算机比作人,那么CPU就是人的大脑。
CPU的发展非常迅速,个人电脑从8088(XT)发展到现在的Pentium4时代,只经过了不到二十年的时间。
从生产技术来说,最初的8088集成了29000个晶体管,而PentiumⅢ的集成度超过了2810万个晶体管;CPU的运行速度,以MIPS(百万个指令每秒)为单位,8088是0.75MIPS,到高能奔腾时已超过了1000MIPS。
不管什么样的CPU,其内部结构归纳起来都可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分,这三个部分相互协调,对命令和数据进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。
CPU从最初发展至今已经有二十多年的历史了,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位微处理器以及正在酝酿构建的64位微处理器,可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的。
Intel4004
1971年,英特尔公司推出了世界上第一款微处理器4004,这是第一个可用于微型计算机的四位微处理器,它包含2300个晶体管。
随后英特尔又推出了8008,由于运算性能很差,其市场反应十分不理想。
1974年,8008发展成8080,成为第二代微处理器。
8080作为代替电子逻辑电路的器件被用于各种应用电路和设备中,如果没有微处理器,这些应用就无法实现。
由于微处理器可用来完成很多以前需要用较大设备完成的计算任务,价格又便宜,于是各半导体公司开始竞相生产微处理器芯片。
Zilog公司生产了8080的增强型Z80,摩托罗拉公司生产了6800,英特尔公司于1976年又生产了增强型8085,但这些芯片基本没有改变8080的基本特点,都属于第二代微处理器。
它们均采用NMOS工艺,集成度约9000只晶体管,平均指令执行时间为1μS~2μS,采用汇编语言、BASIC、Fortran编程,使用单用户操作系统。
Intel8086
1978年英特尔公司生产的8086是第一个16位的微处理器。
很快Zilog公司和摩托罗拉公司也宣布计划生产Z8000和68000。
这就是第三代微处理器的起点。
8086微处理器最高主频速度为8MHz,具有16位数据通道,内存寻址能力为1MB。
同时英特尔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的指令。
人们将这些指令集统一称之为x86指令集。
虽然以后英特尔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,而且英特尔在后续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。
1979年,英特尔公司又开发出了8088。
8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输,所以都称为16位微处理器,但8086每周期能传送或接收16位数据,而8088每周期只采用8位。
因为最初的大部分设备和芯片是8位的,而8088的外部8位数据传送、接收能与这些设备相兼容。
8088采用40针的DIP封装,工作频率为6.66MHz、7.16MHz或8MHz,微处理器集成了大约29000个晶体管。
8086和8088问世后不久,英特尔公司就开始对他们进行改进,他们将更多功能集成在芯片上,这样就诞生了80186和80188。
这两款微处理器内部均以16位工作,在外部输入输出上80186采用16位,而80188和8088一样是采用8位工作。
1981年,美国IBM公司将8088芯片用于其研制的PC机中,从而开创了全新的微机时代。
也正是从8088开始,个人电脑(PC)的概念开始在全世界范围内发展起来。
从8088应用到IBMPC机上开始,个人电脑真正走进了人们的工作和生活之中,它也标志着一个新时代的开始。
Intel80286
1982年,英特尔公司在8086的基础上,研制出了80286微处理器,该微处理器的最大主频为20MHz,内、外部数据传输均为16位,使用24位内存储器的寻址,内存寻址能力为16MB。
80286可工作于两种方式,一种叫实模式,另一种叫保护方式。
在实模式下,微处理器可以访问的内存总量限制在1兆字节;而在保护方式之下,80286可直接访问16兆字节的内存。
此外,80286工作在保护方式之下,可以保护操作系统,使之不像实模式或8086等不受保护的微处理器那样,在遇到异常应用时会使系统停机。
IBM公司将80286微处理器用在先进技术微机即AT机中,引起了极大的轰动。
80286在以下四个方面比它的前辈有显著的改进:
支持更大的内存;能够模拟内存空间;能同时运行多个任务;提高了处理速度。
最早PC机的速度是4MHz,第一台基于80286的AT机运行速度为6MHz至8MHz,一些制造商还自行提高速度,使80286达到了20MHz,这意味着性能上有了重大的进步。
80286的封装是一种被称为PGA的正方形包装。
PGA是源于PLCC的便宜封装,它有一块内部和外部固体插脚,在这个封装中,80286集成了大约130000个晶体管。
IBMPC/AT微机的总线保持了XT的三层总线结构,并增加了高低位字节总线驱动器转换逻辑和高位字节总线。
与XT机一样,CPU也是焊接在主板上的。
那时的原装机仅指IBMPC机,而兼容机就是除了IBMPC以外的其它机器。
在当时,生产CPU的公司除英特尔外,还有AMD及西门子公司等,而人们对自己电脑用的什么CPU也不关心,因为AMD等公司生产的CPU几乎同英特尔的一样,直到486时代人们才关心起自己的CPU来。
8086~80286这个时代是个人电脑起步的时代,当时在国内使用甚至见到过PC机的人很少,它在人们心中是一个神秘的东西。
到九十年代初,国内才开始普及计算机。
Intel80386
1985年春天的时候,英特尔公司已经成为了第一流的芯片公司,它决心全力开发新一代的32位核心的CPU—80386。
Intel给80386设计了三个技术要点:
使用“类286”结构,开发80387微处理器增强浮点运算能力,开发高速缓存解决内存速度瓶颈。
1985年10月17日,英特尔划时代的产品——80386DX正式发布了,其内部包含27.5万个晶体管,时钟频率为12.5MHz,后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz,最后还有少量的40MHz产品。
80386DX的内部和外部数据总线是32位,地址总线也是32位,可以寻址到4GB内存,并可以管理64TB的虚拟存储空间。
它的运算模式除了具有实模式和保护模式以外,还增加了一种“虚拟86”的工作方式,可以通过同时模拟多个8086微处理器来提供多任务能力。
80386DX有比80286更多的指令,频率为12.5MHz的80386每秒钟可执行6百万条指令,比频率为16MHz的80286快2.2倍。
80386最经典的产品为80386DX-33MHz,一般我们说的80386就是指它。
由于32位微处理器的强大运算能力,PC的应用扩展到很多的领域,如商业办公和计算、工程设计和计算、数据中心、个人娱乐。
80386使32位CPU成为了PC工业的标准。
虽然当时80386没有完善和强大的浮点运算单元,但配上80387协处理器,80386就可以顺利完成许多需要大量浮点运算的任务,从而顺利进入了主流的商用电脑市场。
另外,30386还有其他丰富的外围配件支持,如82258(DMA控制器)、8259A(中断控制器)、8272(磁盘控制器)、82385(Cache控制器)、82062(硬盘控制器)等。
针对内存的速度瓶颈,英特尔为80386设计了高速缓存(Cache),采取预读内存的方法来缓解这个速度瓶颈,从此以后,Cache就和CPU成为了如影随形的东西。
Intel80387/80287
严格地说,80387并不是一块真正意义上的CPU,而是配合80386DX的协处理芯片,也就是说,80387只能协助80386完成浮点运算方面的功能,功能很单一。
Intel80386SX
1989年英特尔公司又推出准32位微处理器芯片80386SX。
这是Intel为了扩大市场份额而推出的一种较便宜的普及型CPU,它的内部数据总线为32位,外部数据总线为16位,它可以接受为80286开发的16位输入/输出接口芯片,降低整机成本。
80386SX推出后,受到市场的广泛的欢迎,因为80386SX的性能大大优于80286,而价格只是80386的三分之一。
Intel80386SL/80386DL
英特尔在1990年推出了专门用于笔记本电脑的80386SL和80386DL两种型号的386芯片。
这两个类型的芯片可以说是80386DX/SX的节能型,其中,80386DL是基于80386DX内核,而80386SL是基于80386SX内核的。
这两种类型的芯片,不但耗电少,而且具有电源管理功能,在CPU不工作的时候,自动切断电源供应。
Motorola68000
摩托罗拉的68000是最早推出的32位微微处理器,当时是1984年,推出后,性能超群,并获得如日中天的苹果公司青睐,在自己的划时代个人电脑“PC-MAC”中采用该芯片。
但80386推出后,日渐没落。
AMDAm386SX/DX
AMD的Am386SX/DX是兼容80386DX的第三方芯片,性能上和英特尔的80386DX相差无己,也成为当时的主流产品之一。
IBM386SLC
这个是由IBM在研究80386的基础上设计的,和80386完全兼容,由英特尔生产制造。
386SLC基本上是一个在80386SX的基础上配上内置Cache,同时包含80486SX的指令集,性能也不错。
Intel80486
1989年,我们大家耳熟能详的80486芯片由英特尔推出。
这款经过四年开发和3亿美元资金投入的芯片的伟大之处在于它首次实破了100万个晶体管的界限,集成了120万个晶体管,使用1微米的制造工艺。
80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。
80486是将80386和数学协微处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内。
80486中集成的80487的数字运算速度是以前80387的两倍,内部缓存缩短了微处理器与慢速DRAM的等待时间。
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数学协微处理器的80386DX性能提高了4倍。
随着芯片技术的不断发展,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内部工作频率为微处理器外频的2~3倍,486DX2、486DX4的名字便是由此而来。
Intel80486DX
常见的80486CPU有80486DX-33、40、50。
486CPU与386DX一样内外都是32位的,但是最慢的486CPU也比最快的386CPU要快,这是因为486SX/DX执行一条指令,只需要一个振荡周期,而386DXCPU却需要两个周期。
Intel80486SX
因为80486DXCPU具有内置的浮点协微处理器,功能强大,当然价格也就比较昂贵。
为了适应普通的用户的需要,尤其是不需要进行大量浮点运算的用户,英特尔公司推出了486SXCPU。
80486SX主板上一般都有80487协微处理器插座,如果需要浮点协微处理器的功能,可以插上一个80487协微处理器芯片,这样就等同于486DX了。
常见的80486SXCPU有:
80486SX-25、33。
Intel80486DX2/DX4
其实这种CPU的名字与频率是有关的,这种CPU的内部频率是主板频率的两/四倍,如80486DX2-66,CPU的频率是66MHz,而主板的频率只要是33MHz就可以了。
Intel80486SLCPU
80486SLCPU最初是为笔记本电脑和其他便携机设计的,与386SL一样,这种芯片使用3.3V而不是5V电源,而且也有内部切断电路,使微处理器和其他一些可选择的部件在不工作时,处于休眠状态,这样就可以减少笔记本电脑和其他便携机的能耗,延长使用时间。
Intel486OverDrive
升级486SX可以在主板的协微处理器插槽上安装一个80487SX芯片,使其等效于486DX,但是这样升级后,只是增加了浮点协微处理器的能力,并没有提高系统的速度。
为了提高系统的速度,还有另外一种升级的方法,就是在协微处理器插槽上插上一个486OverDriveCPU,它的原理与486DX2CPU一样,其内部操作速度可以是外部速度的两倍。
如一个20MHz的主板上安插了OverDriveCPU之后,CPU内部的操作速度可以达到40MHz。
486OverDriveCPU也有浮点协微处理器的功能,常见的有:
OverDrive-50、66、80。
TI486DX
作为全球知名的半导体厂商之一,美国德州仪器(TI)也在486时代异军突起,它自行生产了486DX系列CPU,尤其在486DX2成为主流后,其DX2-80因较高的性价比成为当时主流产品之一,TI486最高主频为DX4-100,但其后再也没有进入过CPU市场。
Cyrix486DLC
这是Cyrix公司生产的486CPU,说它是486CPU,是指它的效率上逼近486CPU,却并不是严格意义上的486CPU,这是由486CPU的特点而定的。
486DLCCPU只是将386DXCPU与1KCache组合在一块芯片里,没有内含浮点协微处理器,执行一条指令需要两个振荡周期。
但是由于486DLCCPU设计精巧,486DLC-33CPU的效率逼近英特尔公司的486SX-25,而486DLC-40CPU则超过了486SX-25,并且486DLC-40CPU的价格比486SX-25便宜。
486DLCCPU是为了升级386DM而设计的,如果原来有一台386电脑,想升级到486,但是又不想更换主板,就可以拔下原来的386CPU,插上一块486DLCCPU就可以了。
Cyrix5x86
自从英特尔另辟蹊径,开发了Pentium之后,Cyrix也很快推出了自己的新一代产品5x86。
它仍然延用原来486系列的CPU插座,而将主频从100MHz提高到120MHz。
5x86比起486来说性能是有所增加,可是比起Pentium来说,不但浮点性能远远不足,就连Cyrix一向自豪的整数运算性能也不那么高超,给人一种比上不足比下有余的感觉。
由于5x86可以使用486的主板,因此一般将它看成是过渡产品。
AMD5x86
AMD486DX是AMD公司在486市场的利器,它内置16KB回写缓存,并且开始了单周期多指令的时代,还具有分页虚拟内存管理技术。
由于后期TI推出了486DX2-80,价格非常低,英特尔又推出了Pentium系列,AMD为了抢占市场的空缺,推出了5x86系列CPU。
它是486级最高主频的产品,为5x86-120及133。
它采用了一体的16K回写缓存,0.35微米工艺,33×4的133频率,性能直指Pentiun75,并且功耗要小于Pentium。
IntelPentium
1993年,全面超越486的新一代586CPU问世,为了摆脱486时代微处理器名称混乱的困扰,英特尔公司把自己的新一代产品命名为Pentium(奔腾)以区别AMD和Cyrix的产品。
AMD和Cyrix也分别推出了K5和6x86微处理器来对付芯片巨人,但是由于奔腾微处理器的性能最佳,英特尔逐渐占据了大部分市场。
Pentium最初级的CPU是Pentium60和Pentium66,分别工作在与系统总线频率相同的60MHz和66MHz两种频率下,没有我们现在所说的倍频设置。
早期的奔腾75MHz~120MHz使用0.5微米的制造工艺,后期120MHz频率以上的奔腾则改用0.35微米工艺。
经典奔腾的性能相当平均,整数运算和浮点运算都不错。
IntelPentiumMMX
为了提高电脑在多媒体、3D图形方面的应用能力,许多新指令集应运而生,其中最著名的三种便是英特尔的MMX、SSE和AMD的3DNOW!
。
MMX(MultiMediaExtensions,多媒体扩展指令集)是英特尔于1996年发明的一项多媒体指令增强技术,包括57条多媒体指令,这些指令可以一次处理多个数据,MMX技术在软件的配合下,就可以得到更好的性能。
多能奔腾(PentiumMMX)的正式名称就是“带有MMX技术的Pentium”,是在1996年底发布的。
从多能奔腾开始,英特尔就对其生产的CPU开始锁倍频了,但是MMX的CPU超外频能力特别强,而且还可以通过提高核心电压来超倍频,所以那个时候超频是一个很时髦的行动。
超频这个词语也是从那个时候开始流行的。
多能奔腾是继Pentium后英特尔又一个成功的产品,其生命力也相当顽强。
多能奔腾在原Pentium的基础上进行了重大的改进,增加了片内16KB数据缓存和16KB指令缓存,4路写缓存以及分支预测单元和返回堆栈技术。
特别是新增加的57条MMX多媒体指令,使得多能奔腾即使在运行非MMX优化的程序时,也比同主频的PentiumCPU要快得多。
这57条MMX指令专门用来处理音频、视频等数据。
这些指令可以大大缩短CPU在处理多媒体数据时的等待时间,使CPU拥有更强大的数据处理能力。
与经典奔腾不同,多能奔腾采用了双电压设计,其内核电压为2.8V,系统I/O电压仍为原来的3.3V。
如果主板不支持双电压设计,那么就无法升级到多能奔腾。
多能奔腾的代号为P55C,是第一个有MMX技术(整量型单元执行)的CPU,拥有16KB数据L1Cache,16KB指令L1Cache,兼容SMM,64位总线,528MB/s的频宽,2时钟等待时间,450万个晶体管,功耗17瓦。
支持的工作频率有:
133MHz、150MHz、166MHz、200MHz、233MHz。
IntelPentiumPro
曾几何时,PentiumPro是高端CPU的代名词,PentiumPro所表现的性能在当时让很多人大吃一惊,但是PentiumPro是32位数据结构设计的CPU,所以PentiumPro运行16位应用程序时性能一般,但仍然是32位的赢家,但是后来,MMX的出现使它黯然失色。
PentiumPro(高能奔腾,686级的CPU)的核心架构代号为P6(也是未来PⅡ、PⅢ所使用的核心架构),这是第一代产品,二级Cache有256KB或512KB,最大有1MB的二级Cache。
工作频率有:
133/66MHz(工程样品),150/60MHz、166/66MHz、180/60MHz、200/66MHz。
AMDK5
K5是AMD公司第一个独立生产的x86级CPU,发布时间在1996年。
由于K5在开发上遇到了问题,其上市时间比英特尔的Pentium晚了许多,再加上性能不好,这个不成功的产品一度使得AMD的市场份额大量丧失。
K5的性能非常一般,整数运算能力不如Cyrix的6x86,但是仍比Pentium略强,浮点运算能力远远比不上Pentium,但稍强于Cyrix。
综合来看,K5属于实力比较平均的那一种产品。
K5低廉的价格显然比其性能更能吸引消费者,低价是这款CPU最大的卖点。
AMDK6
AMD自然不甘心Pentium在CPU市场上呼风唤雨,因此它们在1997年又推出了K6。
K6这款CPU的设计指标是相当高的,它拥有全新的MMX指令以及64KBL1Cache(比奔腾MMX多了一倍),整体性能要优于奔腾MMX,接近同主频PⅡ的水平。
K6与K5相比,可以平行地处理更多的指令,并运行在更高的时钟频率上。
AMD在整数运算方面做得非常成功,K6稍微落后的地方是在运行需要使用到MMX或浮点运算的应用程序方面,比起同样频率的Pentium要差许多。
K6拥有32KB数据L1Cache,32KB指令L1Cache,集成了880万个晶体管,采用0.35微米技术,五层CMOS,C4工艺反装晶片,内核面积168平方毫米(新产品为68平方毫米),使用Socket7架构。
Cyrix6x86/MX
Cyrix也算是一家老资格的CPU开发商了,早在x86时代,它和英特尔,AMD就形成了三雄并立的局面。
自从Cyrix与美国国家半导体公司合并后,使它终于拥有了自己的芯片生产线,成品也日益完善和完备。
Cyrix的6x86是投放到市场上与Pentium兼容的微处理器。
IDTWinChip
美国IDT公司(IntegratedDeviceTechnology)作为新加入此领域的CPU生产厂商,在1997年推出的第一个微微处理器产品是WinChip(即C6),在整个CPU市场上所占的份额还不足1%。
1998年5月,IDT宣布了它的第二代产品WinChip2。
WinChip2在原有WinChip的基础上作了一些改进,增加了一个双指令的MMX单元,增强了浮点运算功能。
改进后的WinChip2比相同频率的WinChip性能提高约10%,基本达到IntelPentium微处理器的性能。
IntelPentiumⅡ
1997年~1998年是CPU市场竞争异常激烈的一年,这一时期的CPU芯片异彩纷呈,令人目不暇接。
PentiumⅡ的中文名称叫“奔腾二代”,它有Klamath、Deschutes、Mendocino、Katmai等几种不同核心结构的系列产品,其中第一代采用Klamath核心,0.35微米工艺制造,内部集成750万个晶体管,核心工作电压为2.8V。
PentiumⅡ微处理器采用了双重独立总线结构,即其中一条总线连通二级缓存,另一条负责主要内存。
PentiumⅡ使用了一种脱离芯片的外部高速L2Cache,容量为512KB,并以CPU主频的一半速度运行。
作为一种补偿,英特尔将PentiumⅡ的L1Cache从16KB增至32KB。
另外,为了打败竞争对手,英特尔第一次在PentiumⅡ中采用了具有专利权保护的Slot1接口标准和SECC(单边接触盒)封装技术。
1998年4月16日,英特尔第一个支持100MHz额定外频的、代号为Deschutes的350、400MHzCPU正式推出。
采用新核心的PentiumⅡ微处理器不但外频提升至100MHz,而且它们采用0.25微米工艺制造,其核心工作电压也由2.8V降至2.0V,L1Cache和L2Cache分别是32KB、512KB。
支持芯片组主要是Intel的440BX。
在1998年至1999年间,英特尔公司推出了比PentiumⅡ功能更强大的CPU--Xeon(至强微处理器)。
该款微处理器采用的核心和PentiumⅡ差不多,0.25微米制造工艺,支持100MHz外频。
Xeon最大可配备2MBCache,并运行在CPU核心频率下,它和PentiumⅡ采用的芯片不同,被称为CSRAM(CustomStaticRAM,定制静态存储器)。
除此之外,它支持八个CPU系统;使用36位内存地址和PSE模式(PSE36模式),最大800MB/s的内存带宽。
Xeon微处理器主要面向对性能要求更高
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