1、简述 Intel 系列 CPU 的发展史CPU(Central Processing Unit)，中文全称中央处理器。从 1971 年 Intel 发布了全世界第一款微处理器芯片 4004 以来,它的发展速度之快实在令人咋舌。那么 CPU 从研发至今，到底经过了哪些变化呢，我们主要查询了 Intel 公司的芯片生产历程资料。根据微处理器的字长和功能，可将其发展划分为以下几个阶段。第 1 阶段第 1 阶段（19711973 年）是 4 位和 8 位低档微处理器时代，通常称为第 1 代，其典型产品是 Intel4004 和 Intel8008 微处理器和分别由它们组成的 MCS-4 和 MCS-8
2、 微机。众所周知，世界上第一款商用计算机微处理器是 Intel 公司于 Intel 4004 微处理器（如 图 1） 。就像当时的广告说的一样，它是“一件划时代的作品“ ；其首席执行官戈登.摩尔将 4004 称之为“人类历史上最具革新性的产品之一“。其诞生的原因是最初 Intel 专门为日本一家名为 Busicom 的公司设计制造一款用于该公司的计算器产品。但由于技术原因，Intel 的延期交货让 Busicom 公司颇为恼怒。与此同时，计算器领域的竞争日益激烈，当 Intel 彻底完成 4004 芯片的设计和样品的生产时，Busicom 公司要求 Intel 打折扣，Intel 同意了，但是
3、它附加了一个条件：允许 Intel 在除计算器芯片市场之外的其它市场上自由出售 4004 芯片。至此，Intel 公司完成了从单一的存储器制造商向微处理器制造商的转型。为什么第一款芯片编号要叫做 4004 呢，因为第一个“4”是代表客户订购的产品编号，后一个“4”则是代表此芯片是 Intel 公司制作的第四个定制芯片，在此之前还有 Intel 还曾开发出 4001（动态随机存储器 DRAM） 、4002 （只读存储器 ROM） 、4003 （寄存器（ Register） ） ，三者再加上 4004，就可架构出一台微型计算机系统。虽然第一款商用计算机微处理器是作为“一件划时代的作品” ，但站在今
4、天的角度，它还是比较简单的芯片，其主要参数如 表格 1 Intel4004 8008 主要参数。表格 1 Intel4004 8008 主要参数中文名称 发布年 运行频率/最高频率前端总线 针脚数量 核心技术/ 晶体管数量英特尔40041971 108KHZ 4Bit 16 针 10 微米/2300英特尔80081972 500-800KHZ 8bit 16 针 10 微米/3500图 1 Intel 4004 微处理器当 4004 芯片推出以后，当时的业内对其反应相当平淡，因为其处理能力相当有限。但当一年后 Intel 推出 8008 微处理器（如）时，业内的目光都几乎集中在 Intel 身
5、上了。因为 8008 的晶体管数量已经达到了 3500 个，超过 4004 一半，工作频率 200KHZ，且能处理 8 比特数据。更为重要的是还获得了处理器指令系统。因为最初 8008 原本是为德克萨斯州的 DataPoint 公司设计的，由于这家公司财力不足以支付费用，于是双方达成协议，Intel 拥有芯片的所有知识产权并获得 DataPoint 公司开发的指令集。正是这套指令集奠定了英特尔公司 X86系列微处理器指令集的基础。图 2 Intel 8008 微处理器第 2 阶段第二阶段（19741977 年）是 8 位中高档微处理器时代，通常称为第 2 代，其典型产品是 Intel8080/
6、8085、Motorola 公司、Zilog 公司的 Z80 等。图 3 Intel8080Intel8080 在 1974 年发布，是一枚 8 位元处理器。它集成 6000 只晶体管，每秒运算 29 万次，拥有 16 位地址总线和 8 位数据总线，这是一个相当成功的设计，有效解决了外部设备在内存寻址能力不足的问题。自 1975 年第一台个人电脑诞生以后，8080 芯片帮助英特尔在几年后占据了电脑芯片的霸主地位 。第 3 阶段第 3 阶段（19781984 年）是 16 位微处理器时代，通常称为第 3 代，其典型产品是 Intel 公司的 8086/8088，Motorola 公司的 M680
7、00，Zilog 公司的Z8000 等微处理器。其特点是采用 HMOS 工艺，集成度（2000070000 晶体管/片）和运算速度（基本指令执行时间是 0.5s ）都比第 2 代提高了一个数量级。指令系统更加丰富、完善，采用多级中断、多种寻址方式、段式存储机构、硬件乘除部件，并配置了软件系统。这一时期著名微机产品有 IBM 公司的个人计算机。1981 年 IBM 公司推出的个人计算机采用 8088CPU。紧接着 1982 年又推出了扩展型的个人计算机 IBM PC/XT，它对内存进行了扩充，并增加了一个硬磁盘驱动器。图 4 Intel 8086图 5Intel 8088 图 6Intel 80
8、286表格 2 Intel 8086/8088 80286 主要参数中文名称 发布年 主频 内外部数据总线针脚数量核心技术/晶体管数量地址总线/寻址能力英特尔80861978 5MHZ 16 位/16 位40 3 微米/2900020 位/1MB英特尔80881978 5MHZ 16 位/8 位40 3 微米/2900020 位/1MB英特尔802861982 6MHZ 16 位/16 位68 1.5 微米/13400024 位/16MBIntel 8086 拥有四个 16 位的通用寄存器，也能够当作八个 8 位寄存器来存取，以及四个 16 位索引寄存器（包含了堆栈指标） 。资料寄存器通常由指
9、令隐含地使用，针对暂存值需要复杂的寄存器配置。它提供 64K 8 位元的输出输入（或 32K 16 位元） ，以及固定的向量中断。大部分的指令只能够存取一个内存位址，所以其中一个操作数必须是一个寄存器。运算结果会储存在操作数中的一个寄存器。而 Intel 8088 则是一个以 8086 为基础的微处理器，拥有 16 位元暂存器和8 位元外部资料总线。8088 使用 8 位元的设计，所针对的是较为经济之系统。在它推出时候，大的资料总线宽度电路板还是相当地昂贵。8088 的预取(prefetch)贮列 (queue)是 4 字节，相对于 8086 的是 6 字节。1979 年，英特尔公司开发出了
10、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。Intel 1982 年推出 80286 芯片（如 图 6）是英特尔首款能执行所有旧款处理器专属软件的处理器。该芯片相比 8086 和 8088 有了飞跃式发展，虽然它仍是16 位结构，但在 CPU 内部含有 13.4 万个晶体管，时钟频率由最初 6MHz 逐步提高到 20MHz。内部和外部数据总线皆为 16 位，
11、地址总线 24 位，可寻址内存大小达到 16Mb。80286 兼容了 8086 所有功能，并且是 8086 的向上兼容的微处理器，使 8086 的汇编语言程序可以不做任何修改地在 80286 上运行。同时 80286的推出也是实模式和保护模式 CPU 的分水岭。80286 微处理器内部有 4 个功能部件，即地址部件 AU，指令部件 IU，执行部件 EU 和总线部件 BU。这四个部件的并行操作，提高了吞吐率，加快了处理速度。而 68000 处理器则是 Motorola 公司 680x0 微处理器的鼻祖，采用 CISC 结构，于 1979 年推出，用于最早的 Apple Macintosh 计算机
12、，以及 Apple LaserWriter SC 和 Hewlett-Packard 公司的 LaserJet 打印机。68000 具有 32 位内部寄存器，但只能在 16 位数据总线上传送数据。处理器能访问 16 兆内存，是 IBM PC 中Intel 8088 的 16 倍。68000 系列处理器广泛应用于街机中，我们所熟悉的日本街机厂商 Capcom、SNK 和台湾的 IGS，他们生产的街机主板都是采用的 68000系列的处理器。图 7 Motorola 公司 68000第 4 阶段第 4 阶段（19851992 年）是 32 位微处理器时代，又称为第 4 代。其典型产品是 Intel
13、公司的 80386/80486，Motorola 公司的 M69030/68040 等。其特点是采用 HMOS 或 CMOS 工艺，集成度高达 100 万个晶体管 /片，具有 32 位地址线和 32 位数据总线。每秒钟可完成 600 万条指令（Million Instructions Per Second，MIPS） 。微型计算机的功能已经达到甚至超过超级小型计算机，完全可以胜任多任务、多用户的作业。同期，其他一些微处理器生产厂商（如AMD、TEXAS 等）也推出了 80386/80486 系列的芯片。80386 是 Intel 公司在 1985 年推出的 CPU 芯片，让 Intel 公司的
14、微处理器开启了 32 位时代。80386 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，超过 4004 芯片的一百多倍。时钟频率为 12.5MHz，后提高到20MHz，25MHz，33MHz。每秒可处理 500 万条指令。同时也是 第一款具有“多任务”功能的处理器。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 4GB 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 80x86 处理器来提供多任务能力。总的来说
15、80386 的重要特点是：1) 首次在 x86 处理器中实现了 32 位系统（IA-32 ） 。2) 可配合使用 80387 数字辅助处理器增强浮点运算能力。3) 首次采用高速缓存（外置）解决内存速度瓶颈问题。除了标准的 80386 芯片，也就是 80386DX 外，出于不同的市场和应用考虑，Intel 又陆续推出了一些其它类型的 80386 芯片：80386SX、80386SL、80386DL等。80386-DX：主流版本。内外部数据总线都是 32 位，地址总线也是 32 位。80386-SX：1988 年末推出的廉价版本。外部数据总线 16 位，地址总线 24位，与 80286 相同，从而
16、方便 80286 电脑的升级。由于内部的 32 位结构及其他优化设计，80386-SX 性能仍大大优于 80286，而价格只相当于 80386-DX 的三分之一，因而很受市场的欢迎。与之相配的数学辅助处理器型号为 80387-SX。80386-SL：1990 年推出的低功耗版本，基于 80386-SX。增加了系统管理方式（SMM）工作模式，具有电源管理功能，可以自动降低运行速度乃至休眠状态以实现节能。80386-DL：1990 年推出的低功耗版本，基于 80386-DX。与 80386-SL 类似。图 8 Intel 80386 处理器还有一款微处理器被很多人忽视，这就是 Intel Rapi
17、dCAD。RapidCAD 是英特尔有史以来第一款为旧款个人计算机所提供的升级套件（也就是 OverDrive 的始祖） 。原 386 的使用者不需要更换主机板，只要把 RapidCAD 买回来将主机板上旧有的中央处理器芯片（CPU）替换掉，就可以享受接近 486 的运算能力。RapidCAD 其实就是把 486 DX 芯片去掉内部高速缓存然后装入 386 的封装里面，RapidCAD 也不支持 486 增加的新指令。不过由于 386 封装的频宽限制，RapidCAD 对整体的效能提升比不上直接升级到 486 DX。相同频率下，486 DX 可以有比 386/387 快上两倍的速度，而 Rap
18、idCAD 在整数运算方面最多只能提升35%，在浮点运算方面，则可以提升将近 70%。Intel RapidCAD 特殊的地方在于，它是由两颗芯片组成，缺一不可。这归咎于 486 DX 内建浮点运算器（ FPU） ，而 386 则是将浮点运算器分开（就是 387） 。由于 RapidCAD-1 本身就含有浮点运算器（因为它就是 486 DX 阉割版） ，根本不需要 387，所以 RapidCAD-2 就是用来替代原来主机板上的 387 芯片。RapidCAD-1 负责所有的运算，而 RapidCAD-2 则是负责假装浮点运算器，以防止旧有主机板以为没有安装浮点运算功能（尤其在执行 286/28
19、7 的程序时） 。市面上有时候把 RapidCAD-1 与 RapidCAD-2 分开卖，这是就是不了解 RapidCAD 运作方式的结果。图 9 Intel RapidCAD表格 3 Intel386 和 486 相关参数中文名称 发布年 主频 内外部数据总线针脚数量核心技术/晶体管数量地址总线/寻址能力英特尔803861985 16MHZ 16 位/16 位132 1.5 微米/27500032 位/4GB英特尔804861989 25MHZ 16 位/8 位168 1 微米/120000032 位/4GB1989 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
20、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
21、度。由于这些改进，80486 的性能比带有 80387 数学协微处理器的 80386 DX 性能提高了 4 倍。80486 作为 Intel 最后一款以数字编号的处理器还有一个重要的意义就是使用户摆脱了命令行的使用方式，进入“选中即点击”的时代。图 10 Intel 80486第 5 阶段第 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、K7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（Multi Media eXte
22、nded）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。第一代 Pentium 处理器英特尔奔腾处理器采用了 0.60 微米工艺技术制造，核心由 320 万个晶体管组成。支持计算机更轻松的集成“现实世界”数据，如语音、声音、手写体和图片等， “奔腾”二字频繁出现在漫画和电视谈话节目中，使其在推出之后很快成为一个家喻户晓的词语。 奔腾是一个划时代的产品，并且影响了 PC 领域十年之久，该“名字”依然在沿用。Pentium 是 x86 系列一大革新。其中晶体管数大幅提高、增强了浮点运算功能、并把十年未变的工作电压降至 3.3V。表格 4 第一代奔腾处理器不同型号产品
23、主要参数区别发布时间 型号名称 工艺 集成晶体管数1995 年 3 月 27 日 Pentium 120MHz 0.60 /0.35 微米 320 万1995 年 6 月 Pentium 133MHz 0.35 微米 330 万1995 年 11 月 1 日Pentium 150MHzPentium 166MHzPentium 180MHzPentium 200MHz0.60 /0.35 微米 550 万1996 年 1 月 4 日 Pentium 150MHzPentium 166MHz 0.35 微米 330 万1996 年 6 月 10 日 Pentium 200MHz 0.35 微米 330 万图 11 第一代奔腾 图 12 Pentium MMXIntel Pentium MMX 中央处理器1997 年 1 月 Intel Pentium MMX 中央处理器面世，它在 X86 指令集的基础上加入了 57 条多媒体指令。这些指令专门用来处理视频、音频和图象数据，使CPU 在多媒体操作上具有更强大的处理能力，Pentium MMX 还使用了许多新技术。单指令多数据流 SIMD 技术能够用一个指令并行处理多个数据，缩短了
