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誰能為我介紹CPU的最新發展

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CPU發展歷史

CPU是Central Processing Unit(中央微處理器)的縮寫,它是計算機中最重要的壹個部分,由運算器和控制器組成。如果把計算機比作人,那麽CPU就是人的大腦。CPU的發展非常迅速,個人電腦從8088(XT)發展到現在的Pentium 4時代,只經過了不到二十年的時間。

從生產技術來說,最初的8088集成了29000個晶體管,而PentiumⅢ的集成度超過了2810萬個晶體管;CPU的運行速度,以MIPS(百萬個指令每秒)為單位,8088是0.75MIPS,到高能奔騰時已超過了1000MIPS。不管什麽樣的CPU,其內部結構歸納起來都可以分為控制單元、邏輯單元和存儲單元三大部分,這三個部分相互協調,對命令和數據進行分析、判斷、運算並控制計算機各部分協調工作。

CPU從最初發展至今已經有二十多年的歷史了,這期間,按照其處理信息的字長,CPU可以分為:4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器以及正在醞釀構建的64位微處理器,可以說個人電腦的發展是隨著CPU的發展而前進的。

Intel 4004

1971年,英特爾公司推出了世界上第壹款微處理器4004,這是第壹個可用於微型計算機的四位微處理器,它包含2300個晶體管。隨後英特爾又推出了8008,由於運算性能很差,其市場反應十分不理想。1974年,8008發展成8080,成為第二代微處理器。8080作為代替電子邏輯電路的器件被用於各種應用電路和設備中,如果沒有微處理器,這些應用就無法實現。

由於微處理器可用來完成很多以前需要用較大設備完成的計算任務,價格又便宜,於是各半導體公司開始競相生產微處理器芯片。Zilog公司生產了8080的增強型Z80,摩托羅拉公司生產了6800,英特爾公司於1976年又生產了增強型8085,但這些芯片基本沒有改變8080的基本特點,都屬於第二代微處理器。它們均采用NMOS工藝,集成度約9000只晶體管,平均指令執行時間為1μS~2μS,采用匯編語言、BASIC、Fortran編程,使用單用戶操作系統。

Intel 8086

1978年英特爾公司生產的8086是第壹個16位的微處理器。很快Zilog公司和摩托羅拉公司也宣布計劃生產Z8000和68000。這就是第三代微處理器的起點。

8086微處理器最高主頻速度為8MHz,具有16位數據通道,內存尋址能力為1MB。同時英特爾還生產出與之相配合的數學協處理器i8087,這兩種芯片使用相互兼容的指令集,但i8087指令集中增加了壹些專門用於對數、指數和三角函數等數學計算的指令。人們將這些指令集統壹稱之為 x86指令集。雖然以後英特爾又陸續生產出第二代、第三代等更先進和更快的新型CPU,但都仍然兼容原來的x86指令,而且英特爾在後續CPU的命名上沿用了原先的x86序列,直到後來因商標註冊問題,才放棄了繼續用阿拉伯數字命名。

1979年,英特爾公司又開發出了8088。8086和8088在芯片內部均采用16位數據傳輸,所以都稱為16位微處理器,但8086每周期能傳送或接收16位數據,而8088每周期只采用8位。因為最初的大部分設備和芯片是8位的,而8088的外部8位數據傳送、接收能與這些設備相兼容。8088采用40針的DIP封裝,工作頻率為6.66MHz、7.16MHz或8MHz,微處理器集成了大約29000個晶體管。

8086和8088問世後不久,英特爾公司就開始對他們進行改進,他們將更多功能集成在芯片上,這樣就誕生了80186和80188。這兩款微處理器內部均以16位工作,在外部輸入輸出上80186采用16位,而80188和8088壹樣是采用8位工作。

1981年,美國IBM公司將8088芯片用於其研制的PC機中,從而開創了全新的微機時代。也正是從8088開始,個人電腦(PC)的概念開始在全世界範圍內發展起來。從8088應用到IBM PC機上開始,個人電腦真正走進了人們的工作和生活之中,它也標誌著壹個新時代的開始。

Intel 80286

1982年,英特爾公司在8086的基礎上,研制出了80286微處理器,該微處理器的最大主頻為20MHz,內、外部數據傳輸均為16位,使用24位內存儲器的尋址,內存尋址能力為16MB。80286可工作於兩種方式,壹種叫實模式,另壹種叫保護方式。

在實模式下,微處理器可以訪問的內存總量限制在1兆字節;而在保護方式之下,80286可直接訪問16兆字節的內存。此外,80286工作在保護方式之下,可以保護操作系統,使之不像實模式或8086等不受保護的微處理器那樣,在遇到異常應用時會使系統停機。

IBM公司將80286微處理器用在先進技術微機即AT機中,引起了極大的轟動。80286在以下四個方面比它的前輩有顯著的改進:支持更大的內存;能夠模擬內存空間;能同時運行多個任務;提高了處理速度。最早PC機的速度是4MHz,第壹臺基於80286的AT機運行速度為6MHz至8MHz,壹些制造商還自行提高速度,使80286達到了20MHz,這意味著性能上有了重大的進步。

80286的封裝是壹種被稱為PGA的正方形包裝。PGA是源於PLCC的便宜封裝,它有壹塊內部和外部固體插腳,在這個封裝中,80286集成了大約130000個晶體管。

IBM PC/AT微機的總線保持了XT的三層總線結構,並增加了高低位字節總線驅動器轉換邏輯和高位字節總線。與XT機壹樣,CPU也是焊接在主板上的。

那時的原裝機僅指IBM PC機,而兼容機就是除了IBM PC以外的其它機器。在當時,生產CPU的公司除英特爾外,還有AMD及西門子公司等,而人們對自己電腦用的什麽CPU也不關心,因為AMD等公司生產的CPU幾乎同英特爾的壹樣,直到486時代人們才關心起自己的CPU來。

8086~80286這個時代是個人電腦起步的時代,當時在國內使用甚至見到過PC機的人很少,它在人們心中是壹個神秘的東西。到九十年代初,國內才開始普及計算機。

Intel 80386

1985年春天的時候,英特爾公司已經成為了第壹流的芯片公司,它決心全力開發新壹代的32位核心的CPU—80386。Intel給80386設計了三個技術要點:使用“類286”結構,開發80387微處理器增強浮點運算能力,開發高速緩存解決內存速度瓶頸。

1985年10月17日,英特爾劃時代的產品——80386DX正式發布了,其內部包含27.5萬個晶體管,時鐘頻率為12.5MHz,後逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz,最後還有少量的40MHz產品。

80386DX的內部和外部數據總線是32位,地址總線也是32位,可以尋址到4GB內存,並可以管理64TB的虛擬存儲空間。它的運算模式除了具有實模式和保護模式以外,還增加了壹種“虛擬86”的工作方式,可以通過同時模擬多個8086微處理器來提供多任務能力。

80386DX有比80286更多的指令,頻率為12.5MHz的80386每秒鐘可執行6百萬條指令,比頻率為16MHz的80286快2.2倍。80386最經典的產品為80386DX-33MHz,壹般我們說的80386就是指它。

由於32位微處理器的強大運算能力,PC的應用擴展到很多的領域,如商業辦公和計算、工程設計和計算、數據中心、個人娛樂。80386使32位CPU成為了PC工業的標準。

雖然當時80386沒有完善和強大的浮點運算單元,但配上80387協處理器,80386就可以順利完成許多需要大量浮點運算的任務,從而順利進入了主流的商用電腦市場。另外,30386還有其他豐富的外圍配件支持,如82258(DMA控制器)、8259A(中斷控制器)、8272(磁盤控制器)、82385(Cache控制器)、82062(硬盤控制器)等。針對內存的速度瓶頸,英特爾為80386設計了高速緩存(Cache),采取預讀內存的方法來緩解這個速度瓶頸,從此以後,Cache就和CPU成為了如影隨形的東西。

Intel 80387/80287

嚴格地說,80387並不是壹塊真正意義上的CPU,而是配合80386DX的協處理芯片,也就是說,80387只能協助80386完成浮點運算方面的功能,功能很單壹。

Intel 80386SX

1989年英特爾公司又推出準32位微處理器芯片80386SX。這是Intel為了擴大市場份額而推出的壹種較便宜的普及型CPU,它的內部數據總線為32位,外部數據總線為16位,它可以接受為80286開發的16位輸入/輸出接口芯片,降低整機成本。

80386SX推出後,受到市場的廣泛的歡迎,因為80386SX的性能大大優於80286,而價格只是80386的三分之壹。

Intel 80386SL/80386DL

英特爾在1990年推出了專門用於筆記本電腦的80386SL和80386DL兩種型號的386芯片。這兩個類型的芯片可以說是80386DX/SX的節能型,其中,80386DL是基於80386DX內核,而80386SL是基於80386SX內核的。這兩種類型的芯片,不但耗電少,而且具有電源管理功能,在CPU不工作的時候,自動切斷電源供應。

Motorola 68000

摩托羅拉的68000是最早推出的32位微微處理器,當時是1984年,推出後,性能超群,並獲得如日中天的蘋果公司青睞,在自己的劃時代個人電腦“PC-MAC”中采用該芯片。但80386推出後,日漸沒落。

AMD Am386SX/DX

AMD的Am386SX/DX是兼容80386DX的第三方芯片,性能上和英特爾的80386DX相差無己,也成為當時的主流產品之壹。

IBM 386SLC

這個是由IBM在研究80386的基礎上設計的,和80386完全兼容,由英特爾生產制造。386SLC基本上是壹個在80386SX的基礎上配上內置Cache,同時包含80486SX的指令集,性能也不錯。

Intel 80486

1989年,我們大家耳熟能詳的80486芯片由英特爾推出。這款經過四年開發和3億美元資金投入的芯片的偉大之處在於它首次實破了100萬個晶體管的界限,集成了120萬個晶體管,使用1微米的制造工藝。80486的時鐘頻率從25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。

80486是將80386和數學協微處理器80387以及壹個8KB的高速緩存集成在壹個芯片內。80486中集成的80487的數字運算速度是以前80387的兩倍,內部緩存縮短了微處理器與慢速DRAM的等待時間。並且,在80x86系列中首次采用了RISC(精簡指令集)技術,可以在壹個時鐘周期內執行壹條指令。它還采用了突發總線方式,大大提高了與內存的數據交換速度。由於這些改進,80486的性能比帶有80387數學協微處理器的80386 DX性能提高了4倍。

隨著芯片技術的不斷發展,CPU的頻率越來越快,而PC機外部設備受工藝限制,能夠承受的工作頻率有限,這就阻礙了CPU主頻的進壹步提高。在這種情況下,出現了CPU倍頻技術,該技術使CPU內部工作頻率為微處理器外頻的2~3倍,486 DX2、486 DX4的名字便是由此而來。

Intel 80486 DX

常見的80486 CPU有80486 DX-33、40、50。486 CPU與386 DX壹樣內外都是32位的,但是最慢的486 CPU也比最快的386 CPU要快,這是因為486 SX/DX執行壹條指令,只需要壹個振蕩周期,而386DX CPU卻需要兩個周期。

Intel 80486 SX

因為80486 DX CPU具有內置的浮點協微處理器,功能強大,當然價格也就比較昂貴。為了適應普通的用戶的需要,尤其是不需要進行大量浮點運算的用戶,英特爾公司推出了486 SX CPU。80486 SX主板上壹般都有80487協微處理器插座,如果需要浮點協微處理器的功能,可以插上壹個80487協微處理器芯片,這樣就等同於486 DX了。常見的80486 SX CPU有:80486 SX-25、33。

Intel 80486 DX2/DX4

其實這種CPU的名字與頻率是有關的,這種CPU的內部頻率是主板頻率的兩/四倍,如80486 DX2-66,CPU的頻率是66MHz,而主板的頻率只要是33MHz就可以了。

Intel 80486 SL CPU

80486 SL CPU最初是為筆記本電腦和其他便攜機設計的,與386SL壹樣,這種芯片使用3.3V而不是5V電源,而且也有內部切斷電路,使微處理器和其他壹些可選擇的部件在不工作時,處於休眠狀態,這樣就可以減少筆記本電腦和其他便攜機的能耗,延長使用時間。

Intel 486 OverDrive

升級486 SX可以在主板的協微處理器插槽上安裝壹個80487SX芯片,使其等效於486 DX,但是這樣升級後,只是增加了浮點協微處理器的能力,並沒有提高系統的速度。為了提高系統的速度,還有另外壹種升級的方法,就是在協微處理器插槽上插上壹個486 OverDrive CPU,它的原理與486 DX2 CPU壹樣,其內部操作速度可以是外部速度的兩倍。如壹個20MHz的主板上安插了OverDrive CPU之後,CPU內部的操作速度可以達到40MHz。486 OverDrive CPU也有浮點協微處理器的功能,常見的有:OverDrive-50、66、80。

TI 486 DX

作為全球知名的半導體廠商之壹,美國德州儀器(TI)也在486時代異軍突起,它自行生產了486 DX系列CPU,尤其在486DX2成為主流後,其DX2-80因較高的性價比成為當時主流產品之壹,TI 486最高主頻為DX4-100,但其後再也沒有進入過CPU市場。

Cyrix 486DLC

這是Cyrix公司生產的486 CPU,說它是486 CPU,是指它的效率上逼近486 CPU,卻並不是嚴格意義上的486 CPU,這是由486 CPU的特點而定的。486DLC CPU只是將386DX CPU與1K Cache組合在壹塊芯片裏,沒有內含浮點協微處理器,執行壹條指令需要兩個振蕩周期。但是由於486DLC CPU設計精巧,486DLC-33 CPU的效率逼近英特爾公司的486 SX-25,而486DLC-40 CPU則超過了486 SX-25,並且486DLC-40 CPU的價格比486 SX-25便宜。486DLC CPU是為了升級386DM而設計的,如果原來有壹臺386電腦,想升級到486,但是又不想更換主板,就可以拔下原來的386 CPU,插上壹塊486DLC CPU就可以了。

Cyrix 5x86

自從英特爾另辟蹊徑,開發了Pentium之後,Cyrix也很快推出了自己的新壹代產品5x86。它仍然延用原來486系列的CPU插座,而將主頻從100MHz提高到120MHz。5x86比起486來說性能是有所增加,可是比起Pentium來說,不但浮點性能遠遠不足,就連Cyrix壹向自豪的整數運算性能也不那麽高超,給人壹種比上不足比下有余的感覺。由於5x86可以使用486的主板,因此壹般將它看成是過渡產品。

AMD 5x86

AMD 486DX是AMD公司在 486市場的利器,它內置16KB回寫緩存,並且開始了單周期多指令的時代,還具有分頁虛擬內存管理技術。由於後期TI推出了486DX2-80,價格非常低,英特爾又推出了Pentium系列,AMD為了搶占市場的空缺,推出了5x86系列CPU。它是486級最高主頻的產品,為5x86-120及133。它采用了壹體的16K回寫緩存,0.35微米工藝,33×4的133頻率,性能直指Pentiun 75,並且功耗要小於Pentium。

Intel Pentium

1993年,全面超越486的新壹代586 CPU問世,為了擺脫486時代微處理器名稱混亂的困擾,英特爾公司把自己的新壹代產品命名為Pentium(奔騰)以區別AMD和Cyrix的產品。AMD和Cyrix也分別推出了K5和6x86微處理器來對付芯片巨人,但是由於奔騰微處理器的性能最佳,英特爾逐漸占據了大部分市場。

Pentium最初級的CPU是Pentium 60和Pentium 66,分別工作在與系統總線頻率相同的60MHz和66MHz兩種頻率下,沒有我們現在所說的倍頻設置。

早期的奔騰75MHz~120MHz使用0.5微米的制造工藝,後期120MHz頻率以上的奔騰則改用0.35微米工藝。經典奔騰的性能相當平均,整數運算和浮點運算都不錯。

Intel Pentium MMX

為了提高電腦在多媒體、3D圖形方面的應用能力,許多新指令集應運而生,其中最著名的三種便是英特爾的MMX、SSE和AMD的3D NOW!。 MMX(MultiMedia Extensions,多媒體擴展指令集)是英特爾於1996年發明的壹項多媒體指令增強技術,包括57條多媒體指令,這些指令可以壹次處理多個數據,MMX技術在軟件的配合下,就可以得到更好的性能。

多能奔騰(Pentium MMX)的正式名稱就是“帶有MMX技術的Pentium”,是在1996年底發布的。從多能奔騰開始,英特爾就對其生產的CPU開始鎖倍頻了,但是MMX的CPU超外頻能力特別強,而且還可以通過提高核心電壓來超倍頻,所以那個時候超頻是壹個很時髦的行動。超頻這個詞語也是從那個時候開始流行的。

多能奔騰是繼Pentium後英特爾又壹個成功的產品,其生命力也相當頑強。多能奔騰在原Pentium的基礎上進行了重大的改進,增加了片內16KB數據緩存和16KB指令緩存,4路寫緩存以及分支預測單元和返回堆棧技術。特別是新增加的57條MMX多媒體指令,使得多能奔騰即使在運行非MMX優化的程序時,也比同主頻的Pentium CPU要快得多。

這57條MMX指令專門用來處理音頻、視頻等數據。這些指令可以大大縮短CPU在處理多媒體數據時的等待時間,使CPU擁有更強大的數據處理能力。與經典奔騰不同,多能奔騰采用了雙電壓設計,其內核電壓為2.8V,系統I/O電壓仍為原來的3.3V。如果主板不支持雙電壓設計,那麽就無法升級到多能奔騰。

多能奔騰的代號為P55C,是第壹個有MMX技術(整量型單元執行)的CPU,擁有16KB數據L1 Cache,16KB指令L1 Cache,兼容SMM,64位總線,528MB/s的頻寬,2時鐘等待時間,450萬個晶體管,功耗17瓦。支持的工作頻率有:133MHz、150MHz、166MHz、200MHz、233MHz。

Intel Pentium Pro

曾幾何時,Pentium Pro是高端CPU的代名詞,Pentium Pro所表現的性能在當時讓很多人大吃壹驚,但是Pentium Pro是32位數據結構設計的CPU,所以Pentium Pro運行16位應用程序時性能壹般,但仍然是32位的贏家,但是後來,MMX的出現使它黯然失色。

Pentium Pro(高能奔騰,686級的CPU)的核心架構代號為P6(也是未來PⅡ、PⅢ所使用的核心架構),這是第壹代產品,二級Cache有256KB或512KB,最大有1MB的二級Cache。工作頻率有:133/66MHz(工程樣品),150/60MHz、166/66MHz、180/60MHz、200/66MHz。

AMD K5

K5是AMD公司第壹個獨立生產的x86級CPU,發布時間在1996年。由於K5在開發上遇到了問題,其上市時間比英特爾的Pentium晚了許多,再加上性能不好,這個不成功的產品壹度使得AMD的市場份額大量喪失。K5的性能非常壹般,整數運算能力不如Cyrix的6x86,但是仍比Pentium略強,浮點運算能力遠遠比不上Pentium,但稍強於Cyrix。綜合來看,K5屬於實力比較平均的那壹種產品。K5低廉的價格顯然比其性能更能吸引消費者,低價是這款CPU最大的賣點。

AMD K6

AMD 自然不甘心Pentium在CPU市場上呼風喚雨,因此它們在1997年又推出了K6。K6這款CPU的設計指標是相當高的,它擁有全新的MMX指令以及64KB L1 Cache(比奔騰MMX多了壹倍),整體性能要優於奔騰MMX,接近同主頻PⅡ的水平。K6與K5相比,可以平行地處理更多的指令,並運行在更高的時鐘頻率上。AMD在整數運算方面做得非常成功,K6稍微落後的地方是在運行需要使用到MMX或浮點運算的應用程序方面,比起同樣頻率的Pentium 要差許多。

K6擁有32KB數據L1 Cache,32KB指令L1 Cache,集成了880萬個晶體管,采用0.35微米技術,五層CMOS,C4工藝反裝晶片,內核面積168平方毫米(新產品為68平方毫米),使用Socket7架構。

Cyrix 6x86/MX

Cyrix 也算是壹家老資格的CPU開發商了,早在x86時代,它和英特爾,AMD就形成了三雄並立的局面。

自從Cyrix與美國國家半導體公司合並後,使它終於擁有了自己的芯片生產線,成品也日益完善和完備。Cyrix的6x86是投放到市場上與Pentium兼容的微處理器。

IDT WinChip

美國IDT公司(Integrated Device Technology)作為新加入此領域的CPU生產廠商,在1997年推出的第壹個微微處理器產品是WinChip(即C6),在整個CPU市場上所占的份額還不足1%。1998年5月,IDT宣布了它的第二代產品WinChip 2 。

WinChip 2在原有WinChip的基礎上作了壹些改進,增加了壹個雙指令的MMX單元,增強了浮點運算功能。改進後的WinChip 2比相同頻率的WinChip性能提高約10%,基本達到Intel Pentium微處理器的性能。

Intel PentiumⅡ

1997年~1998年是CPU市場競爭異常激烈的壹年,這壹時期的CPU芯片異彩紛呈,令人目不暇接。

PentiumⅡ的中文名稱叫“奔騰二代”,它有Klamath、Deschutes、Mendocino、Katmai等幾種不同核心結構的系列產品,其中第壹代采用Klamath核心,0.35微米工藝制造,內部集成750萬個晶體管,核心工作電壓為2.8V。

PentiumⅡ微處理器采用了雙重獨立總線結構,即其中壹條總線連通二級緩存,另壹條負責主要內存。PentiumⅡ使用了壹種脫離芯片的外部高速L2 Cache,容量為512KB,並以CPU主頻的壹半速度運行。作為壹種補償,英特爾將PentiumⅡ的L1 Cache從16KB增至32KB。另外,為了打敗競爭對手,英特爾第壹次在PentiumⅡ中采用了具有專利權保護的Slot 1接口標準和SECC(單邊接觸盒)封裝技術。

1998年4月16日,英特爾第壹個支持100MHz額定外頻的、代號為Deschutes的350、400MHz CPU正式推出。采用新核心的PentiumⅡ微處理器不但外頻提升至100MHz,而且它們采用0.25微米工藝制造,其核心工作電壓也由2.8V降至2.0V,L1 Cache和L2 Cache分別是32KB、512KB。支持芯片組主要是Intel的440BX。

在1998年至1999年間,英特爾公司推出了比PentiumⅡ功能更強大的CPU--Xeon(至強微處理器)。該款微處理器采用的核心和PentiumⅡ差不多,0.25微米制造工藝,支持100MHz外頻。Xeon最大可配備2MB Cache,並運行在CPU核心頻率下,它和PentiumⅡ采用的芯片不同,被稱為CSRAM(Custom StaticRAM,定制靜態存儲器)。除此之外,它支持八個CPU系統;使用36位內存地址和PSE模式(PSE36模式),最大800MB/s的內存帶寬。Xeon微處理器主要面向對性能要求更高的服務器和工作站系統,另外,Xeon的接口形式也有所變化,采用了比Slot 1稍大壹些的Slo

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