微处理器的发展概况

陈RQING 2019-09-26 8828

处理器/DSP

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描述

　　第一阶段

　　（1971—1973年）通常以字长是4位或8位微处理器，典型的是美国Intel4004和Intel8008微处理器。Intel4004是一种4位微处理器，可进行4位二进制的并行运算，它有45条指令，速度0.05MIPs（MillionInstructionPerSecond，每秒百万条指令）。Intel4004的功能有限，主要用于计算器、电动打字机、照相机、台秤、电视机等家用电器上，使这些电器设备具有智能化，从而提高它们的性能。Intel8008是世界上第一种8位的微处理器。存储器采用PMOS工艺。该阶段计算机工作速度较慢，微处理器的指令系统不完整，存储器容量很小，只有几百字节，没有操作系统，只有汇编语言。主要用于工业仪表、过程控制。

　　第二代

　　（1974—1977年）典型的微处理器有Intel8080/8085，Zilog公司的Z80和Motorola公司的M6800。与第一代微处理器相比，集成度提高了1～4倍，运算速度提高了10～15倍，指令系统相对比较完善，已具备典型的计算机体系结构及中断、直接存储器存取等功能。

　　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。

　　第三代

　　第三阶段（1978—1984年）即16位微处理器。1978年，Intel公司率先推出16位微处理器8086，同时，为了方便原来的8位机用户，Intel公司又提出了一种准16位微处理器8088。

　　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。

　　在Intel公司推出8086、8088CPU之后，各公司也相继推出了同类的产品，有Zilog公司Z8000和Motorola公司的M68000等。16位微处理器比8位微处理器有更大的寻址空间、更强的运算能力、更快的处理速度和更完善的指令系统。所以，16位微处理器已能够替代部分小型机的功能，特别在单任务、单用户的系统中，8086等16位微处理器更是得到了广泛的应用。

　　1981年，美国IBM公司将8088芯片用于其研制的IBM-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。

　　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。

　　第四代

　　第四阶段（1985—1992年）即32位微处理器。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。

　　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。

　　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。

　　第五代

　　第5阶段（1993-2005年）是奔腾（pentium）系列微处理器时代，通常称为第5代。典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6系列微处理器芯片。内部采用了超标量指令流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓存。随着MMX（MultiMediaeXtended）微处理器的出现，使微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶。

　　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。　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。

　　1997年推出的PentiumII处理器结合了IntelMMX技术，能以极高的效率处理影片、音效、以及绘图资料，首次采用SingleEdgeContact（S.E.C）匣型封装，内建了高速快取记忆体。这款晶片让电脑使用者撷取、编辑、以及透过网际网络和亲友分享数位相片、编辑与新增文字、音乐或制作家庭电影的转场效果、使用视讯电话以及透过标准电话线与网际网络传送影片，IntelPentiumII处理器晶体管数目为750万颗。

　　PentiumIII处理器加入70个新指令，加入网际网络串流SIMD延伸集称为MMX，能大幅提升先进影像、3D、串流音乐、影片、语音辨识等应用的性能，它能大幅提升网际网络的使用经验，让使用者能浏览逼真的线上博物馆与商店，以及下载高品质影片，Intel首次导入0.25微米技术，IntelPentiumIII晶体管数目约为950万颗。

　　与此同年，英特尔还发布了PentiumIIIXeon处理器。作为PentiumIIXeon的后继者，除了在内核架构上采纳全新设计以外，也继承了PentiumIII处理器新增的70条指令集，以更好执行多媒体、流媒体应用软件。除了面对企业级的市场以外，PentiumIIIXeon加强了电子商务应用与高阶商务计算的能力。在缓存速度与系统总线结构上，也有很多进步，很大程度提升了性能，并为更好的多处理器协同工作进行了设计。

　　2000年推出的Pentium4处理器内建了4200万个晶体管，以及采用0.18微米的电路，Pentium4初期推出版本的速度就高达1.5GHz，晶体管数目约为4200万颗，翌年8月，Pentium4处理理达到2GHz的里程碑。2002年英特尔推出新款IntelPentium4处理器内含创新的Hyper-Threading（HT）超线程技术。超线程技术打造出新等级的高性能桌上型电脑，能同时快速执行多项运算应用，或针对支持多重线程的软件带来更高的性能。超线程技术让电脑性能增加25%。除了为桌上型电脑使用者提供超线程技术外，英特尔也达成另一项电脑里程碑，就是推出运作频率达3.06GHz的Pentium4处理器，是首款每秒执行30亿个运算周期的商业微处理器，如此优异的性能要归功于当时业界最先进的0.13微米制程技术，翌年，内建超线程技术的IntelPentium4处理器频率达到3.2GHz。

　　PentiumM：由以色列小组专门设计的新型移动CPU，PentiumM是英特尔公司的x86架构微处理器，供笔记簿型个人电脑使用，亦被作为Centrino的一部分，于2003年3月推出。公布有以下主频：标准1.6GHz，1.5GHz，1.4GHz，1.3GHz，低电压1.1GHz，超低电压900MHz。为了在低主频得到高效能，Banias作出了优化，使每个时钟所能执行的指令数目更多，并通过高级分支预测来降低错误预测率。另外最突出的改进就L2高速缓存增至1MB（P3-M和P4-M都只有512KB），估计Banias数目高达7700万的晶体管大部分就用在这上。

　　此外还有一系列与减少功耗有关的设计：增强型Speedstep技术是必不可少的了，拥有多个供电电压和计算频率，从而使性能可以更好地满足应用需求。

　　智能供电分布可将系统电量集中分布到处理器需要的地方，并关闭空闲的应用;移动电压定位（MVPIV）技术可根据处理器活动动态降低电压，从而支持更低的散热设计功率和更小巧的外形设计;经优化功率的400MHz系统总线;Micro-opsfusion微操作指令融合技术，在存在多个可同时执行的指令的情况下，将这些指令合成为一个指令，以提高性能与电力使用效率。专用的堆栈管理器，使用记录内部运行情况的专用硬件，处理器可无中断执行程序。

　　Banias所对应的芯片组为855系列，855芯片组由北桥芯片855和南桥芯片ICH4-M组成，北桥芯片分为不带内置显卡的855PM（代号Odem）和带内置显卡的855GM（代号Montara-GM），支持高达2GB的DDR266/200内存，AGP4X，USB2.0，两组ATA-100、AC97音效及Modem。其中855GM为三维及显示引擎优化InternalClockGating，它可以在需要时才进行三维显示引擎供电，从而降低芯片组的功率。

　　2005年Intel推出的双核心处理器有PentiumD和PentiumExtremeEdition，同时推出945/955/965/975芯片组来支持新推出的双核心处理器，采用90nm工艺生产的这两款新推出的双核心处理器使用是没有针脚的LGA775接口，但处理器底部的贴片电容数目有所增加，排列方式也有所不同。

　　桌面平台的核心代号Smithfield的处理器，正式命名为PentiumD处理器，除了摆脱阿拉伯数字改用英文字母来表示这次双核心处理器的世代交替外，D的字母也更容易让人联想起Dual-Core双核心的涵义。

　　Intel的双核心构架更像是一个双CPU平台，PentiumD处理器继续沿用Prescott架构及90nm生产技术生产。PentiumD内核实际上由于两个独立的2独立的Prescott核心组成，每个核心拥有独立的1MBL2缓存及执行单元，两个核心加起来一共拥有2MB，但由于处理器中的两个核心都拥有独立的缓存，因此必须保正每个二级缓存当中的信息完全一致，否则就会出现运算错误。

　　为了解决这一问题，Intel将两个核心之间的协调工作交给了外部的MCH（北桥）芯片，虽然缓存之间的数据传输与存储并不巨大，但由于需要通过外部的MCH芯片进行协调处理，毫无疑问的会对整个的处理速度带来一定的延迟，从而影响到处理器整体性能的发挥。

　　由于采用Prescott内核，因此PentiumD也支持EM64T技术、XDbit安全技术。值得一提的是，PentiumD处理器将不支持Hyper-Threading技术。原因很明显：在多个物理处理器及多个逻辑处理器之间正确分配数据流、平衡运算任务并非易事。比如，如果应用程序需要两个运算线程，很明显每个线程对应一个物理内核，但如果有3个运算线程呢？因此为了减少双核心PentiumD架构复杂性，英特尔决定在针对主流市场的PentiumD中取消对Hyper-Threading技术的支持。

　　同出自Intel之手，而且PentiumD和PentiumExtremeEdition两款双核心处理器名字上的差别也预示着这两款处理器在规格上也不尽相同。其中它们之间最大的不同就是对于超线程（Hyper-Threading）技术的支持。PentiumD不支持超线程技术，而PentiumExtremeEdition则没有这方面的限制。在打开超线程技术的情况下，双核心PentiumExtremeEdition处理器能够模拟出另外两个逻辑处理器，可以被系统认成四核心系统。

　　PentiumEE系列都采用三位数字的方式来标注，形式是PentiumEE8xx或9xx，例如PentiumEE840等等，数字越大就表示规格越高或支持的特性越多。

　　PentiumEE8x0：表示这是Smithfield核心、每核心1MB二级缓存、800MHzFSB的产品，其与PentiumD8x0系列的唯一区别仅仅只是增加了对超线程技术的支持，除此之外其它的技术特性和参数都完全相同。

　　PentiumEE9x5：表示这是Presler核心、每核心2MB二级缓存、1066MHzFSB的产品，其与PentiumD9x0系列的区别只是增加了对超线程技术的支持以及将前端总线提高到1066MHzFSB，除此之外其它的技术特性和参数都完全相同。

　　第六代

　　第6阶段（2005年至今）是酷睿（core）系列微处理器时代，通常称为第6代。“酷睿”是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所谓的能效比。早期的酷睿是基于笔记本处理器的。酷睿2：英文名称为Core2Duo，是英特尔在2006年推出的新一代基于Core微架构的产品体系统称。于2006年7月27日发布。酷睿2是一个跨平台的构架体系，包括服务器版、桌面版、移动版三大领域。其中，服务器版的开发代号为Woodcrest，桌面版的开发代号为Conroe，移动版的开发代号为Merom。

　　Corei5是一款基于Nehalem架构的四核处理器，采用整合内存控制器，三级缓存模式，L3达到8MB，支持TurboBoost等技术的新处理器电脑配置。它和Corei7（Bloomfield）的主要区别在于总线不采用QPI，采用的是成熟的DMI（DirectMediaInterface），并且只支持双通道的DDR3内存。结构上它用的是LGA1156接口，Corei7用的是LGA1366。i5有睿频技术，可以在一定情况下超频。

　　Corei3可看作是Corei5的进一步精简版（或阉割版），将有32nm工艺版本（研发代号为Clarkdale，基于Westmere架构）这种版本。Corei3最大的特点是整合GPU（图形处理器），也就是说Corei3将由CPU+GPU两个核心封装而成。由于整合的GPU性能有限，用户想获得更好的3D性能，可以外加显卡。值得注意的是，即使是Clarkdale，显示核心部分的制作工艺仍会是45nm。i3i5区别最大之处是i3没有睿频技术。

　　2010年6月，Intel再次发布革命性的处理器——第二代Corei3/i5/i7。第二代Corei3/i5/i7隶属于第二代智能酷睿家族，全部基于全新的SandyBridge微架构，相比第一代产品主要带来五点重要革新：1、采用全新32nm的SandyBridge微架构，更低功耗、更强性能。2、内置高性能GPU（核芯显卡），视频编码、图形性能更强。3、睿频加速技术2.0，更智能、更高效能。4、引入全新环形架构，带来更高带宽与更低延迟。5、全新的AVX、AES指令集，加强浮点运算与加密解密运算。

　　SNB（SandyBridge）是英特尔在2011年初发布的新一代处理器微架构，这一构架的最大意义莫过于重新定义了“整合平台”的概念，与处理器“无缝融合”的“核芯显卡”终结了“集成显卡”的时代。这一创举得益于全新的32nm制造工艺。由于SandyBridge构架下的处理器采用了比之前的45nm工艺更加先进的32nm制造工艺，理论上实现了CPU功耗的进一步降低，及其电路尺寸和性能的显著优化，这就为将整合图形核心（核芯显卡）与CPU封装在同一块基板上创造了有利条件。此外，第二代酷睿还加入了全新的高清视频处理单元。视频转解码速度的高与低跟处理器是有直接关系的，由于高清视频处理单元的加入，新一代酷睿处理器的视频处理时间比老款处理器至少提升了30%。

　　在2012年4月24日下午北京天文馆，intel正式发布了ivybridge（IVB）处理器。22nmIvyBridge会将执行单元的数量翻一番，达到最多24个，自然会带来性能上的进一步跃进。IvyBridge会加入对DX11的支持的集成显卡。另外新加入的XHCIUSB3.0控制器则共享其中四条通道，从而提供最多四个USB3.0，从而支持原生USB3.0。cpu的制作采用3D晶体管技术的CPU耗电量会减少一半。

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