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。