计算机中央处理器
CPU的发展 (兰州大学信息科学与工程学院 10级电信基地班 胡亚昆)
摘要：上个世纪中期至今，计算机的发展日新月异。CPU是计算机的核心。本文以美国Intel公司推出的CPU为例，详细介绍了计算机CPU的发展。
关键词：CPU 数据总线 时钟频率 80X86 Pentium Core
1. 引言
自1946年第一台计算机问世以来，计算机的发展已经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路4个阶段。而中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）正是现代计算机系统的核心和引擎，计算机日新月异的发展在很大程度上归结为CPU技术的发展。通常，计算机的发展是以CPU的发展为表征的。根据摩尔定律，我们知道微处理器集成度每个18个月翻一番，芯片的性能也随之提高一倍左右。目前世界上生产CPU最强的公司是美国著名的Intel公司。本文将从Intel公司推出的第一台微处理器4004逐个介绍到Intel最近推出的Core系列处理器，通过这些介绍来让大家深刻地了解计算机中央处理器CPU的发展。
2. Intel 4004
1971年，Intel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，功能相当有限，而且速度还很慢，被当时的蓝色巨人IBM以及大部分商业用户不屑一顾，但是它毕竟是划时代的产品。从此以后，Intel便与微处理器结下了不解之缘。
3. 8086/8088/80186/80188
1978年，Intel公司正式推出了8086CPU，这是该公司生产的第一个16位芯片，内外数据总线均为16位，地址总线20位，主存寻址范围为1MB，时钟频率为5MHz，集成度只有0.040百万件/个。
由于当时的外设接口是8位，8086的16位外设数据线不能直接与外设接口连接，这一点限制了8086的推广。于是，1979年，Intel公司推出了准16位处理器8088，它只是将数据总线改为8位，其他设计都没有交大的改变，应用较为广泛。
8086/8088CPU内部结归纳起来可分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分。这三大部分互相协调，对命令各数据进行分析、判断、运算并控制计算机协调工作。以后不管什么样的CPU，其内部结构都可归纳为这三部分。
8086/8088的指令是以字节为基础构成的，建立了指令预取队列，将取指令和执行指令这两个操作分别由总线接口单元（BIU）和执行单元（EU）来完成，提高了微处理器的指令执行速度。
8086/8088内有8个通用寄存器（AX，BX,CX,DX,SP,BP,SI,DI），4个段寄存器（SS,ES,DS,CS）和2个控制寄存器（IP,FLAGS）,这些寄存器全部是16位寄存器。 8086/8088无高速缓存。
随后，Intel公司80186/80188，它们的核心分别是8006/8088，配以定时器、中断控制器、DMA控制器等支持电路，功能更多，速度更快。80186/80188指令系统比8086/8088增加了若干实用的指令，涉及堆栈操作、位移指令、输入输出指令、过程指令、边界检测及乘法指令。
4. 80286
1982年，Intel公司推出80286CPU，集成了大约130000个晶体管，时钟频率6到20MHz，16位内外数据总线，地址总线扩展到24位，物理存储器有16MB的容量。80286除原来的实模式外，还引入了保护工作模式。在保护工作模式下，80286提供了虚拟存储管理和多任务的硬件控制，能直接寻址16MB主存和1GB的虚拟存储器，提供保护机制。80286指令系统包括全部80186指令及新增的保护模式指令15条，其中有些保护模式指令在实模式下也可以使用。
5. 80386
1985年，Intel公司推出他的第一款32位微处理器80386CPU。其内部包含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后逐步提升到20MHz、25MHz、33MHz，最后还有少量40MHz。80386的内部和外部数据总线是32位，地址总线也是32位，可寻址4GB内存和64TB虚拟内存。80386除保持与80286完全兼容之外，又提供了虚拟8086操作模式，可以同时模拟多个8086处理器。80386指令系统在兼容原来16位指令系统的基础上，全面升级为32位，还新增了有关操作、条件设置指令以及对控制、调试和测试寄存器的传送指令等。
6. 80486
1989年，Intel公司推出新一代微处理器80486，它相当于在一片80386的基础上加了80387浮点运算协处理器和一片8K的Cache高速缓冲器。
（补充：缓存的作用是为CPU和内存进行数据交换时提供一个高速的数据缓冲区。当CPU读取数据时，首先在缓存中寻找，如果找到了则直接从缓存中读取，如果在缓存中未能找到，那么CPU就从内存中读取数据。CPU缓存一般分为L1高速缓存和L2高速缓存。L1用于暂存部分指令和数据，以使CPU能迅速地得到所需要的数据。L1高速缓存与CPU同步运行，其缓冲容量对CPU性能影响较大。L2的作用是协调CPU的运行速度与内存存取速度的差异。）
80486采用精简指令技术RISC和指令流水线技术，性能更高，许多80486指令运行时间为1个时钟周期。
80486除80386所有的三种工作模式（实地址模式、受保护的虚拟地址模式、虚拟8086模式）外，还有一种系统管理工作模式（SMM）。
80486指令系统新增了用于多处理器和内部Cache操作的6条指令。
7. Pentium，Pentium MMX
1993年，Intel公司制成Pentium（奔腾）处理器。Pentium仍为32位结构，地址总线为32位，但外部数据总线为64位，内部时钟频率位60到120MHz，内存Cache位16KB。 Pentium处理器对浮点处理单元进行重大改进，包含了专用的加法乘法和除法单元；采用具有两条整数流水线的超标量技术；对常用的简单指令用硬件实现，重新设计指令的伪代码等。所有这些都提高了Pentium的整体性能。
Pentium新增了一条8字节比较交换指令和一条处理器识别指令，以及4条系统专用指令。
1994年，为适应多媒体数据的处理要求，Intel公司将多媒体扩展技术MMX融入Pentium形成了Pentium MMX处理器。其引脚与Pentium兼容，时钟频率最高达233MHz，内部Cache为32KB。
Pentium MMX新增了57条多媒体指令，一条指令可以对多个数据进行操作，也可用这些指令对图像、音频、视频和通信方面的程序优化，提高微机对多媒体软件的执行速度。
8. Pentium Pro，Pentium II，Pentium III(P6处理器系列)
1995年，Intel公司推出Pentium Pro处理器，地址总线36条，可以寻址主存64GB容量。它由含有16KBcache的CPU和含256/512KB的二级Cache芯片组成。Pentium Pro扩展了超标量技术，具有3个整数处理单元和1个浮点处理单元，能同时执行3条指令，并对32位指令进行优化处理。此外，Pentium Pro还支持多处理器系统。Pentium Pro还新增了3条指令。
同样，为了增强对多媒体数据的处理能力，1997年，Intel公司在Pentium Pro中也采用MMX技术，推出了Pentium II。Pentium II继承了MMX技术和Pentium Pro的动态执行技术，内部一级Cache增加为64KB，二级Cache增加为512KB，时钟频率进一步提高。 1999年，针对国际互联网和三维多媒体程序的应用要求，Intel公司又采用数据流SIMD扩展SSE技术推出了Pentium III处理器。Pentium III还首次增加了处理器序列标号PSN。PSN的设置可用来加强资源跟踪、安全保护和内容管理。Pentium III在Pentium II的基础上又新增了70条SSE指令，极大地提高了浮点3D数据的处理能力。（后来，为了占领低端微机市场，Intel公司推出了Pentium II和III的简化版本Celeron（赛扬）微处理器；再后来，又推出支持SSE2指令的Celeron 2（赛扬2）微处理器。）
9. Pentium 4
2000年底，Intel公司推出Pentium 4，它是继1995年出品的Pentium Pro之后的第一款重新设计过的处理器，新增了76条SSE2指令，引入了NetBurst微结构。SSE2指令系统侧重于增强浮点双精度数据的运算能力，主要面向高性能的多媒体程序的应用。Pentium 4有着非常快速到400MHz的前端总线，之后更有提升到533MHz、800MHz。
10. Intel Xeon 处理器系列
2001年，Intel公司推出了基于NetBurst微结构的Xeon处理器，在Xeon MP处理器中增加了超线程技术；64位的Xeon处理器则支持64位扩展内存；双核的Xeon处理器则支持双核技术；Xeon 70XX系列处理器支持虚拟技术。
11. Pentium M 处理器
2003年，Intel公司推出了低功耗、高性能、可移动的Pentium M处理器系列。支持动态执行的Intel结构，具有32MB的指令Cache和32MB的回写数据Cache；具有先进的分支预测和数据预取逻辑；支持MMX、SIDM、和SSE2指令集合。
12. Pentium D 处理器
2005年，Intel公司推出了Pentium D处理器。奔腾D是双核心加了64位指令集 ，这是和奔4 最本质的区别了。D 处理器是用于台式机的双内核处理器。它在一个物理处理器内包含两个完整的执行内核，这两个内核以相同的频率运行。两个内核共享相同的封装和芯片组/内存接口。双内核在一个物理处理器中提供两个执行内核，允许平台在更少的时间完成更多的任务，同时享受与计算机的流畅交互。这是 Pentium D 处理器的主要特性与优势。
13. Intel Core Solo和Intel Core Duo处理器
2006年，Intel公司推出了Intel Core Solo和Intel Core Duo处理器。Core Solo是单核处理器，Core Duo是处理器采用了双核技术，他们都具有低功耗、高性能的特点。这两款处理器在Pentium M处理器的基础上对微结构进行了改进，并改进了解码和SIMD指令的执行。
14. Core i系列
2010年，征战多时的Core 2 Duo/Quad/Extreme将逐步退役，取而代之的是分别面向高中低端市场的三个新系列：Core i7、Core i5和Core i3。Intel公司进来推出的Core i系列处理器生产工艺降至32nm,时钟频率有的高达之3100MHz，集成度达每个芯片820.00百万件器件，除一级二级缓存外，又有3M到8M的三级缓存。2011年2月份，Intel公司发布了四款新酷睿i系列处理器和六核芯旗舰酷睿i7-990X。其中包括新版的I3，也就是I3 2100。新版的I3——I3 2100与旧I3相比，主频提高到3100MHz，总线频率提高到5.0GT/s，倍频提高到31倍，最重要的是采用最新且与新I5、新I7相同的构架Sandy Bridge。
15. 结束语
如今的CPU就像一匹脱缰了的野马正以超出寻常的速度向前发展，在短短的一段时间内我们满耳都充斥着频率提升、新品发布的消息。如果说显示卡、声卡的更新是技术上的创新，那么CPU的升级换代就是技术上的革命!毫无疑问，高性能、低能耗、高速度和低成本将是CPU未来发展的方向。
参考文献：
[1]马义德 张在峰等著 微型计算机原理及应用(第4版) 高等教育出版社2011.6
[2]卜艳萍 周伟著 汇编语言程序设计教程(第3版) 清华大学出版社2011.8
[3]ZhuTiaotiao CPU发展史
[4]奔腾D处理器 百度百科
[5]罗桂琼 CPU的研究与实现 http://wenku.baidu.com/viewf2d1ebd528ea81c7850.htmlfrom
计算机中央处理器
CPU的发展 (兰州大学信息科学与工程学院 10级电信基地班 胡亚昆)
摘要：上个世纪中期至今，计算机的发展日新月异。CPU是计算机的核心。本文以美国Intel公司推出的CPU为例，详细介绍了计算机CPU的发展。
关键词：CPU 数据总线 时钟频率 80X86 Pentium Core
1. 引言
自1946年第一台计算机问世以来，计算机的发展已经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路4个阶段。而中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）正是现代计算机系统的核心和引擎，计算机日新月异的发展在很大程度上归结为CPU技术的发展。通常，计算机的发展是以CPU的发展为表征的。根据摩尔定律，我们知道微处理器集成度每个18个月翻一番，芯片的性能也随之提高一倍左右。目前世界上生产CPU最强的公司是美国著名的Intel公司。本文将从Intel公司推出的第一台微处理器4004逐个介绍到Intel最近推出的Core系列处理器，通过这些介绍来让大家深刻地了解计算机中央处理器CPU的发展。
2. Intel 4004
1971年，Intel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，功能相当有限，而且速度还很慢，被当时的蓝色巨人IBM以及大部分商业用户不屑一顾，但是它毕竟是划时代的产品。从此以后，Intel便与微处理器结下了不解之缘。
3. 8086/8088/80186/80188
1978年，Intel公司正式推出了8086CPU，这是该公司生产的第一个16位芯片，内外数据总线均为16位，地址总线20位，主存寻址范围为1MB，时钟频率为5MHz，集成度只有0.040百万件/个。
由于当时的外设接口是8位，8086的16位外设数据线不能直接与外设接口连接，这一点限制了8086的推广。于是，1979年，Intel公司推出了准16位处理器8088，它只是将数据总线改为8位，其他设计都没有交大的改变，应用较为广泛。
8086/8088CPU内部结归纳起来可分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分。这三大部分互相协调，对命令各数据进行分析、判断、运算并控制计算机协调工作。以后不管什么样的CPU，其内部结构都可归纳为这三部分。
8086/8088的指令是以字节为基础构成的，建立了指令预取队列，将取指令和执行指令这两个操作分别由总线接口单元（BIU）和执行单元（EU）来完成，提高了微处理器的指令执行速度。
8086/8088内有8个通用寄存器（AX，BX,CX,DX,SP,BP,SI,DI），4个段寄存器（SS,ES,DS,CS）和2个控制寄存器（IP,FLAGS）,这些寄存器全部是16位寄存器。 8086/8088无高速缓存。
随后，Intel公司80186/80188，它们的核心分别是8006/8088，配以定时器、中断控制器、DMA控制器等支持电路，功能更多，速度更快。80186/80188指令系统比8086/8088增加了若干实用的指令，涉及堆栈操作、位移指令、输入输出指令、过程指令、边界检测及乘法指令。
4. 80286
1982年，Intel公司推出80286CPU，集成了大约130000个晶体管，时钟频率6到20MHz，16位内外数据总线，地址总线扩展到24位，物理存储器有16MB的容量。80286除原来的实模式外，还引入了保护工作模式。在保护工作模式下，80286提供了虚拟存储管理和多任务的硬件控制，能直接寻址16MB主存和1GB的虚拟存储器，提供保护机制。80286指令系统包括全部80186指令及新增的保护模式指令15条，其中有些保护模式指令在实模式下也可以使用。
5. 80386
1985年，Intel公司推出他的第一款32位微处理器80386CPU。其内部包含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后逐步提升到20MHz、25MHz、33MHz，最后还有少量40MHz。80386的内部和外部数据总线是32位，地址总线也是32位，可寻址4GB内存和64TB虚拟内存。80386除保持与80286完全兼容之外，又提供了虚拟8086操作模式，可以同时模拟多个8086处理器。80386指令系统在兼容原来16位指令系统的基础上，全面升级为32位，还新增了有关操作、条件设置指令以及对控制、调试和测试寄存器的传送指令等。
6. 80486
1989年，Intel公司推出新一代微处理器80486，它相当于在一片80386的基础上加了80387浮点运算协处理器和一片8K的Cache高速缓冲器。
（补充：缓存的作用是为CPU和内存进行数据交换时提供一个高速的数据缓冲区。当CPU读取数据时，首先在缓存中寻找，如果找到了则直接从缓存中读取，如果在缓存中未能找到，那么CPU就从内存中读取数据。CPU缓存一般分为L1高速缓存和L2高速缓存。L1用于暂存部分指令和数据，以使CPU能迅速地得到所需要的数据。L1高速缓存与CPU同步运行，其缓冲容量对CPU性能影响较大。L2的作用是协调CPU的运行速度与内存存取速度的差异。）
80486采用精简指令技术RISC和指令流水线技术，性能更高，许多80486指令运行时间为1个时钟周期。
80486除80386所有的三种工作模式（实地址模式、受保护的虚拟地址模式、虚拟8086模式）外，还有一种系统管理工作模式（SMM）。
80486指令系统新增了用于多处理器和内部Cache操作的6条指令。
7. Pentium，Pentium MMX
1993年，Intel公司制成Pentium（奔腾）处理器。Pentium仍为32位结构，地址总线为32位，但外部数据总线为64位，内部时钟频率位60到120MHz，内存Cache位16KB。 Pentium处理器对浮点处理单元进行重大改进，包含了专用的加法乘法和除法单元；采用具有两条整数流水线的超标量技术；对常用的简单指令用硬件实现，重新设计指令的伪代码等。所有这些都提高了Pentium的整体性能。
Pentium新增了一条8字节比较交换指令和一条处理器识别指令，以及4条系统专用指令。
1994年，为适应多媒体数据的处理要求，Intel公司将多媒体扩展技术MMX融入Pentium形成了Pentium MMX处理器。其引脚与Pentium兼容，时钟频率最高达233MHz，内部Cache为32KB。
Pentium MMX新增了57条多媒体指令，一条指令可以对多个数据进行操作，也可用这些指令对图像、音频、视频和通信方面的程序优化，提高微机对多媒体软件的执行速度。
8. Pentium Pro，Pentium II，Pentium III(P6处理器系列)
1995年，Intel公司推出Pentium Pro处理器，地址总线36条，可以寻址主存64GB容量。它由含有16KBcache的CPU和含256/512KB的二级Cache芯片组成。Pentium Pro扩展了超标量技术，具有3个整数处理单元和1个浮点处理单元，能同时执行3条指令，并对32位指令进行优化处理。此外，Pentium Pro还支持多处理器系统。Pentium Pro还新增了3条指令。
同样，为了增强对多媒体数据的处理能力，1997年，Intel公司在Pentium Pro中也采用MMX技术，推出了Pentium II。Pentium II继承了MMX技术和Pentium Pro的动态执行技术，内部一级Cache增加为64KB，二级Cache增加为512KB，时钟频率进一步提高。 1999年，针对国际互联网和三维多媒体程序的应用要求，Intel公司又采用数据流SIMD扩展SSE技术推出了Pentium III处理器。Pentium III还首次增加了处理器序列标号PSN。PSN的设置可用来加强资源跟踪、安全保护和内容管理。Pentium III在Pentium II的基础上又新增了70条SSE指令，极大地提高了浮点3D数据的处理能力。（后来，为了占领低端微机市场，Intel公司推出了Pentium II和III的简化版本Celeron（赛扬）微处理器；再后来，又推出支持SSE2指令的Celeron 2（赛扬2）微处理器。）
9. Pentium 4
2000年底，Intel公司推出Pentium 4，它是继1995年出品的Pentium Pro之后的第一款重新设计过的处理器，新增了76条SSE2指令，引入了NetBurst微结构。SSE2指令系统侧重于增强浮点双精度数据的运算能力，主要面向高性能的多媒体程序的应用。Pentium 4有着非常快速到400MHz的前端总线，之后更有提升到533MHz、800MHz。
10. Intel Xeon 处理器系列
2001年，Intel公司推出了基于NetBurst微结构的Xeon处理器，在Xeon MP处理器中增加了超线程技术；64位的Xeon处理器则支持64位扩展内存；双核的Xeon处理器则支持双核技术；Xeon 70XX系列处理器支持虚拟技术。
11. Pentium M 处理器
2003年，Intel公司推出了低功耗、高性能、可移动的Pentium M处理器系列。支持动态执行的Intel结构，具有32MB的指令Cache和32MB的回写数据Cache；具有先进的分支预测和数据预取逻辑；支持MMX、SIDM、和SSE2指令集合。
12. Pentium D 处理器
2005年，Intel公司推出了Pentium D处理器。奔腾D是双核心加了64位指令集 ，这是和奔4 最本质的区别了。D 处理器是用于台式机的双内核处理器。它在一个物理处理器内包含两个完整的执行内核，这两个内核以相同的频率运行。两个内核共享相同的封装和芯片组/内存接口。双内核在一个物理处理器中提供两个执行内核，允许平台在更少的时间完成更多的任务，同时享受与计算机的流畅交互。这是 Pentium D 处理器的主要特性与优势。
13. Intel Core Solo和Intel Core Duo处理器
2006年，Intel公司推出了Intel Core Solo和Intel Core Duo处理器。Core Solo是单核处理器，Core Duo是处理器采用了双核技术，他们都具有低功耗、高性能的特点。这两款处理器在Pentium M处理器的基础上对微结构进行了改进，并改进了解码和SIMD指令的执行。
14. Core i系列
2010年，征战多时的Core 2 Duo/Quad/Extreme将逐步退役，取而代之的是分别面向高中低端市场的三个新系列：Core i7、Core i5和Core i3。Intel公司进来推出的Core i系列处理器生产工艺降至32nm,时钟频率有的高达之3100MHz，集成度达每个芯片820.00百万件器件，除一级二级缓存外，又有3M到8M的三级缓存。2011年2月份，Intel公司发布了四款新酷睿i系列处理器和六核芯旗舰酷睿i7-990X。其中包括新版的I3，也就是I3 2100。新版的I3——I3 2100与旧I3相比，主频提高到3100MHz，总线频率提高到5.0GT/s，倍频提高到31倍，最重要的是采用最新且与新I5、新I7相同的构架Sandy Bridge。
15. 结束语
如今的CPU就像一匹脱缰了的野马正以超出寻常的速度向前发展，在短短的一段时间内我们满耳都充斥着频率提升、新品发布的消息。如果说显示卡、声卡的更新是技术上的创新，那么CPU的升级换代就是技术上的革命!毫无疑问，高性能、低能耗、高速度和低成本将是CPU未来发展的方向。
参考文献：
[1]马义德 张在峰等著 微型计算机原理及应用(第4版) 高等教育出版社2011.6
[2]卜艳萍 周伟著 汇编语言程序设计教程(第3版) 清华大学出版社2011.8
[3]ZhuTiaotiao CPU发展史
[4]奔腾D处理器 百度百科
[5]罗桂琼 CPU的研究与实现 http://wenku.baidu.com/viewf2d1ebd528ea81c7850.htmlfrom