CPU发展史

课程名称：微机原理CPU报告名称：的发展历程探究——Intel与龙芯姓名：王永琦指导教师：周维民学院:机电工程与自动化学院CPU的发展历程探究CPU是中央处理器(Central_Processing_Unit)的缩写，它由控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分组成，可以进行运算、分析、判断并控制计算机各部分协调工作。随着集成电路加工工艺的进步和计算机体系结构的发展，CPU获得了迅猛的发展，并对现代信息社会产生了深远的影响，被誉为20世纪最伟大的发明之~。在微机的各种部件中，CPU是~核心的部件，CUP的运行速度和性能在很大程度上决定了微机的整体性能。随着电子技术的发展，CPU的集成度越来越高，其运行速度也在成倍地增长，从而促进了微机技术的发展。从某种角度来讲，微机技术的发展和CPU的发展是密切相关。计算机的发展主要表现在其核心部件——微处理器的发展上，每当~款新型的微处理器出现时，就会带动计算机系统的其他部件的相应发展，如计算机体系结构的进~步优化，存储器存取容量的不断增大、存取速度的不断提高，设备的不断改进以及新设备的不断出现等，70年代初期，大规模集成电路技术的发展，使运算器和控制器(即CUP)能集成在一个芯片上，像这样的芯片就称为微处理器。微处理器决定了微机的型号，速度和档次。在评价微机的性能时，首先应该了解其微处理器的性能。目前世界上能生产CPU的厂商主要有Intel、AMD、IBM、Motorola和台湾的威盛等，其中Intel占据了约75%的市场份额。按照处理信息的字长，CPU可以分为8位、16位、32位和64位等。如果把计算机比作~个人，CPU就是他的心脏，其重要作用是不言而喻的。目前的计算机大都采用冯·诺依曼结构，即以存储程序原理为基础，由程序通过~系列的指令来实现~定的功能。CPU执行程序所需时间为:P=I×C×T式中，I为程序编译后的机器指令数，C为执行每条机器指令所需的平均机器周期，T为每个机器周期的执行时间。P越少，CPU的性能就越好。因此，CPU的性能与I、C和T三个因素有关。其中，T依赖于CPU硬件本身，由半导体材料和加工工艺决定，I和C则依赖于CPU软件及硬件，由计算机体系结构的设计决定。CPU的性能与测试程序特性办公效率多媒体3D\浮点Internet性能描述在运行与办公室有关的软件时所表现的性能处理器在视频、音频和图像技术等应用中所表现的性能处理器在3D中的应用，如游戏等所表现的性能处理器在网络应用中所表现的性能测试软件SYSmarkWinstoneSPECintVideoMPEG-2解码3DWinbench3DmarkSPECfpWebMarkSYSmarkJCPU的性能指标主要包括频率、内存总线速度、地址总线宽度、数据总线宽度、工作电压、一级高速缓存大小、协处理器FPU的速度、指令集和体系结构等。目前，用单~运算速度MIPS或MHz已不能精确描述CPU的性能，而应以~组特性来表征。上表为CPU的性能与测试程序。目前主要采用最新版本的~组测试程序对CPU的性能进行测试，或把系统放入相应的应用环境中进行测试。自从1946年第~台电子数字计算机问世以来，随着电子器件的不断更新和发展，使得计算机的发展也是日新月异，通常把它们的发展分为电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模集成电路时代。现在正酝酿着第五代，人们预示不久的将来，会出现第五代计算机，它将是人工智能计算机，是综合计算机科学和控制论而发展起来的~门新技术，它能模拟人的智能，如识别图形、语言、梦体等，将对社会的发展带来不可估量的影响。以大规模集成电路工艺和计算机为基础的微处理器和微机的问世是计算机发展史上新的里程碑，标志着计算机步履了前三代(电子管~晶体管~中小规模集成电路)的演变而进人了大规模集成电路的第四代。1971年美国旧金山南部硅谷的Intel集成电子产品公司首先推出了4位的4004处理器，到现在不过20多年，CPU的发展日新月异，产品像潮水般地涌向市场，推动着全球经济大发展。Intel公司创始人GordonMoore，曾经预言，每隔18到24个月，CUP芯片的性能会提高一倍。后来人们称之为Moore法则，实践已逐渐映证了它的预言。第一代(71~73年):4位和低档的8位CPU。代表产品有Intel公司的4004(集成度1200个/片)，改进的8008(集成度2000)个/片)。其特点是采用PMOS工艺，字长4~8位，并行处理，多总线结构，速度较低，基本指令执行时间为10~20μs，平均指令周期为为2.5~5MZH，16~18脚封装。指令简单，运算功能较差，但价格低廉，主要用于面向消费的家用电器、计算器和进行简单控制等。第二代(73~75年):8位CPU。代表产品有Intel8080，8085，Motorola公司的MC6800，M6801，M6803，MOS，Technology公司的6502和zilog公司的Z80。其特点是采用NMOS工艺，字长8位，并行处理，单总线结构，采用40条双列直插引脚(DIP)，集成度比第~代产品提高1~2倍(8080为4900个/片，MC6800为6800个/片，Z80为10000个/片)，运算速度提高了一个数量级，基本指令执行时间为1~2μs，平均指令周期为2μs，时钟为2MHZ，指令系统比较完善，寻址能力有所增强。主要用于教学、实验、工业控制和智能控制中。第三代(75~81年):16位CUP，代表产品Intel8086(集成度29000个/片)，zilog公司的Z-80(集成度17500个/片)，MC68000(集成度为68000个/片)。其特点是采用高性能的HMOS工艺，具有IMB的寻址空间，并有多级中断的能力，采用地址分段的概念，基本指令时间为0.5μs，时钟为5~10MHZ。鉴于其字长和处理速度弥补了8位机的缺陷，因而这类微机在实时控制和实时数据处理方面开辟了广阔的应用前景。特别是80年代以来，汉字处理技术的发展，IBMPC系列微机和兼容机得到了普遍的应用，广泛用于数据处理，管理系统和计算机网络信息产业，多媒体终端等。1980年相继出现的Intel80286，MC68l00是超级的16位微处理器，集成度约10万个/片。第四代(81年~92年):32位CPU。这代产品属超大规模集成电路SLSL(sueprlargescaleIntegration)。代表产品有Intel80386,MC68020，集成度达15~45万个/片。采用新的NMOS工艺，时钟高达20MHZ。在80386后，1989年发表的8以86集成度可达10万个/片。80386和80486所组成的微机在软件上与前一代微机具有兼容性，具有大批量数据，实时任务，多道程序处理能力，具有存储保护能力，可对程序和数据保密，能实现虚拟存储系统。第5代（93年~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