硬件工程师培训教程（三）

第一节 cpu 的历史

cpu 从最初发展至今已经有20 多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，c pu 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64 位微处理器等等。在风起云

涌的it 业界，pc机cpu厂商主要以intel、amd和via(威盛)三家为主，我们将以他们的产品为介绍重点。

一、intel 阵营

intel(英特尔)公司大家已经是如雷贯耳，不管你是否为计算机高手，也不管你是否是业内人士，只要你知道计算机这个词，对intel就一定不会陌生。intel是全世界硬件行业的老大，是世界上最大的芯片生产商和制造商。提到 intel公司就不能不谈谈intel cpu芯片的发展历程。按照国际上目前比较能够得到业内认同的说法，intel的cpu芯片主要经历了以下几个发展阶段:

1 .intel4004

1971年，intel公司推出了世界上第一款微处理器4004。这是第一个用于个人计算机的4位微处理器，它包含2 3 00 个晶体管，由于性能很差，市场反应冷淡。

2 .intel 8080/8085

在4004之后，intel公司又研制出了8080 处理器和8085处理器，加上当时美国motorola公司的mc6800 微处理器和zilog 公司的z80 微处理器，一起组成了8位微处理器家族。

3 .intel8086/8088

16微处理器的典型产品是intel公司的8086微处理器，以及同时生产出的数学协处理器，即8087 。这两种芯片使用互 相兼容的指令集，但在8087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。由于这些指令应用于8086和8087，因此被人们统称为x86指令集。此后intel推出新一代cpu 产品均兼容原来的x 86 指令集。

1979年intel公司推出了8086的简化版——8088芯片，它仍是16位微处理器，内含29000个晶体管，时钟频率为4.77mhz，地址总线为20位，可以使用1mb内存。8088的内部数据总线是16位，外部数据总线是 8位。1981年，8088芯片被首次用于ibmpc机当中，开创了个人电脑的新时代。如果说8080处理器还不为大多数人所熟知的话，那么8088则可以说是家喻户晓了，pc(个人电脑)机的第一代cpu 便是从它开始的。

4 .intel 80286

1982 年的intel 80286 虽然是16位芯片，但是其内部已包含了13.4 万个晶体管，时钟频率也到了前所未有的20mhz 。其内、外部数据总线均为16位，地址总线为24 位，可以使用16mb 内存，工作方式包括实模式和保护模式两种。

5 .intel 80386 dx/80386 sx

32 位微处理器的代表产品首推intel公司1985 年推出的80386，这是一种全32位微处理器芯片，也是x86家族中第一款32位芯片，其内部包含了27.5万个晶体管，时钟频率为12.5mhz，后逐步提高到33mhz。80386的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可以寻址到4gb内存。它除了具有实模式和保护模式以外，还增加了一种虚拟3 86 的工作方式，可 以通过同时模拟多个8 0 86 处理器来提供多任务能力。

1989 年，i n t el 公司又推出准32 位处理器芯片8 0 3 8 6 sx 。它 的内部数据总线为32 位，与8 0 3 86 相同，外部数据总线为16 位。 也就是说，8 0 3 8 6 sx 的内部处理速度与8 0 3 86 接近，也支持真正 的多任务操作，并且可以使用为8 0 2 86 开发的输入/输出接口芯片。8 0 3 8 6 sx 的性能优于8 0 2 86，而价格只及8 0 3 86 的1/3 。386 处理器没有内置数学协处理器，因此不能执行浮点运算指令，如果需要进行浮点运算，必须额外购买昂贵的8 0 3 87 数学协处理器。

6 .i n t e l 8 0 4 8 6 d x /8 0 4 8 6 sx

1989 年，8 0 4 86 处理器面市，它集成了125 万个晶体管，时钟频率由25mhz 逐步提升到33mhz 、4 0 m hz 和50mhz 。80486 内含 80386 和数字协处理器80387 以及一个8kb 的高速缓存，并在x 86 系列中首次使用了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，8 0 4 86 的性能比带有8 0 3 87 数学协处理器的8 0 3 86 提高了4 倍。

早期的486理器分为有数学协处理器的486dx 和无数学协处 理器的4 8 6 sx 两种，其价格也相差许多。随着芯片技术的不断发，c pu 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c pu 倍频技术，该技术使c pu 内部工作频率为处理器外频的2 ～3 倍，4 8 6 d x2 、 4 8 6 d x4 的名字便是由此而来。以后的日子里，c pu 开始了突飞猛进的发展。

7 .i n t e l p e n t i u m c l a s s i c(经典奔腾)

代号:p54c

发布时间:1993 年

核心频率:60 ～200mhz

总线频率:50 ～66mhz

工作电压:3.3v

制造工艺:0.8 ～0.35 μm

晶体管数目:310 ～330 万个

芯片面积:191mm 2

缓存容量:16kb l1 cache

指令内置:x 86 指令集、x 86 译码器、80 位浮点单元

接口类型:socket 7

早期的pentium 处理器(主要是pentium 60 和pentium 66)存在浮点运算错误的问题，intel 为此

花4 亿美元回收了大批有问题的cpu，这在当时是十分冒险的行为，但intel 的这一做法最终赢得了用

户的信任，p e n t i um 再度成为市场上最畅销的产品。

8 .i n t e l p e n t i u m p r o(高能奔腾)

代号:p6

发布时间:1995 年

核心频率:150 ～200mhz

总线频率:60 ～66mhz

工作电压:3.1v/3.3v

制造工艺:0.5 ～0.35 μm

晶体管数目:550 ～700 万个

芯片面积:196mm 2

缓存容量:16kb l1 cache 、256kb/512kb/1mb l2 cache

指令内置:x 86 指令集、x 86 译码器、80 位浮点单元、分支预测功能

接口类型:socket 8

9 .i n t e l p e n t i u m m mx

代号:p55c

发布时间:1997 年

核心频率:166 ～233mhz

总线频率:60 ～66mhz

内核电压:2.8v

i/o 电压:3.3v

制造工艺:0.35 μm

晶体管数目:450 万个

芯片面积:128mm 2

缓存容量:32kb l1 cache

指令内置:x 86 指令集、x 86 译码器、80 位浮点单元、m mx 多媒体指令集

接口类型:socket 7

p e n t i u m m mx 有1 6 kb 数据缓存、 1 6 kb 指令缓存和4 路写缓存，并增加了 从pentium pro 而来的分支预测单元和从 cyrix 6x86 而来的返回堆栈技术。新增的57 条m mx 指令用来处理音频、视频和图像数据，使c pu 在多媒体应用上的能 力大大增强。

1 0 .i n t e l p e n t i u m ⅱ 代号:k l a m a t h (1 9 97 年上市)、 deschutes(1998 年上市)

核心频率:233 ～333mhz(66mhz 外频)、350 ～450mhz(100mhz 外频)

总线频率:66 ～100mhz

制造工艺:0.35(klamath)/0.25(deschutes)μm

核心电压:2.8v(klamath)/2.0v(deschutes)

晶体管数目:750 万个

芯片面积:130.9mm 2

缓存容量:32kb l1 cache 、512kb l2 cache

接口类型:slot 1

pentium ⅱ是在pentium pro 的基础上将内置的l2 cache 移出，与c pu 焊在同一块电路板上，然后封装成卡匣形式而 成。外置l 2 c a c he 的容量为5 1 2 kb，以c pu 速度的一半运行。

1 1 .i n t e l c e l e r o n(赛扬)

代号:covington

发布时间:1998 年

核心频率:266 ～300mhz

总线频率:66mhz

制造工艺:0.25 μm

晶体管数目:750 万个

芯片面积:153.9mm 2

缓存容量:32kb l1 cache

接口类型:slot 1

1 2 .i n t e l c e l e r o n m e n d o c i n o(新赛扬)

代号:mendocino

发布时间:1998 年

核心频率:300 ～533mhz

总线频率:66mhz

制造工艺:0.25 μm

晶体管数目:1900 万个

芯片面积:153.9mm 2

缓存容量:32kb l1 cache 、128kb l2 cache

接口类型:slot 1 、socket 370

由于具有和pentium ⅱ一样的核心，所以celeron 的浮点能力依然强劲，在游戏和3d 图形处理方面与

p e n t i u m ⅱ一样出色。但没有了l 2 c a c he，c e l e r on 的整数性能大打折扣，celeron 266 的整数运算能力甚 至还不及pentium mmx 233，在与k6-2 的争斗中一败 涂地。所以i n t el 又加入了1 2 8 kb 全速l 2 c a c he，此为新赛扬。

新赛扬只有128kb l2 cache，虽然比 起p e n t i u m ⅱ的5 1 2 kb 少得多，但其性能 并不比p e n t i u m ⅱ差。因为新赛扬的缓存 速度与c pu 核心频率相同，而p e n t i u m ⅱ 的缓存速度只有c pu 核心频率的一半。

正因为如此，新赛扬不但具有同频 p e n t i u m ⅱ的高性能，并且具有很强的超 频能力，部分300mhz celeron a 能超到令 人吃惊的5 0 4 m hz 甚至更高。

1 3 .i n t e l p e n t i u m ⅲ

代号:k a t m ai 、c o p p e r m i ne

发布时间:1999 年

核心频率:450mhz 以上

总线频率:100 ～133mhz

cpu 核心电压:1.8v

制造工艺:0.25(katmai)/0.18(coppermine)μm

晶体管数目:950 万个

芯片面积:153.9mm 2

缓存容量:32kb l1 cache 、512kb l2 cache

指令内置:mmx 指令集和sse 指令集

pentium ⅲ处理器增加了70 条sse 指令，并具有惟一的处理 器序列号。