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【X86】---关于Intel芯片架构的发展史

2019-10-15 10:15| 发布者: admin| 查看: 120| 评论: 0

   当你真正的深入去行走在底层的道路上,你就会接触大量的一些貌似懂的概念性名词,比如Intel公司的x86架构,x64等等,又或者是当年的386,486等等,唉,有的时候真的是很麻烦啊,经常看到,但是不指导,甚至曾经有过一个疑问,为何64bit计算酒称之为x64,但是32bit的就叫做x86,为何不叫x32呢(虽然我指导仅仅就是一个名字而已,但是我仍然想知道其中原因),看的多了,因此今天得地整理了以下Intel公司发展史,也算是学习了。

  本文节选自网络,由作者编辑整理而成!

谈到处理器,就应该知道著名的摩尔定律(到目前为止,还是对的)。

摩尔定律:

1965年戈登·摩尔在《电子学》杂志(Electronics Magazine)第114页发表了影响科技业至今的摩尔定律:

  1、集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔18个月就翻一番。

  2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍,而价格下降二分之一。

  3、用一个美元所能买到的电脑性能,每隔18个月翻两番。

钟摆理论:

  在奇数年,英特尔将会推出新的工艺;而在偶数年,英特尔则会推出新的架构。简单的说,就是奇数工艺年和偶数架构年的概念。英特尔的钟摆策略,能够体现英特尔技术变化方向。当有英特尔钟摆往左摆的时候,tick这个策略会更新工艺,往右摆的时候,tock会更新处理器微架构。举个例子,05年说tick,英特尔更新从90纳米走向65纳米;06年是tock,用英特尔推出酷睿架构,07年走向45纳米。值得注意的是,首先它不会在一年内两个技术同时出现。每一年都可以在上个技术上再提升一个规模。钟摆策略发展趋势一般是今年架构、明年工艺,是让大家循序渐进,而且实行钟摆策略也是带着整个行业按着这个钟摆形成一种共同的结构往前走。

intel系列CPU及其架构:

  本文将对intel系列CPU及其架构做简要介绍,CPU(Central processing Unit),又称“微处理器(Microprocessor)”,是现代计算机的核心部件。对于PC而言,CPU的规格与频率常常被用来作为衡量一台电脑性能强弱重要指标。

  CPU的起源可以一直追溯到1971年。在那一年,当时还处在起步阶段的Intel公司推出了世界上第一颗微处理器4004。这不但是第一个用于计算器的4位微处理器,也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器!

  4004含有2300个晶体管,功能相当有限,而且速度还很慢,当时的蓝色巨人IBM以及大部分商业用户对此不屑一顾。但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。可以这么说,CPU的历史发展历程一定意义上也就是Intel公司x86系列CPU的发展历程。

  Intel C8008为世界上第一款八位元处理器。8008共推出两种速度,0.5 Mhz以及0.8 Mhz,虽然比4004的工作时脉慢,不过因为是八位元处理器(比起4004的四位元),整体效能要比4004好上许多。8008可以支援到16KB的内存。C8008是比较珍贵的紫色陶瓷镀金接脚版本,D8008则是后期出的量产版。发布时间为1972年,8位运算+16位地址总线+16位数据总线,包含7个8位寄存器(A,B,C,D,E,F,G,其中BC,DE,HL组合可组成16位数据寄存器),支持16位内存,同时它也包含一些输入输出端口,这是一个相当成功的设计,还有效解决了外部设备在内存寻址能力不足的问题。

  之后,intel又推出8080。8080不仅扩充了可寻址的存储器容量和指令系统,而且指令执行速度是8008的10倍。8008系统的加法需要20μs(每秒5万条指令),而8080系统只需要2μs(每秒50万条指令)。另一方面8080可直接与TTL(晶体管?晶体管逻辑)兼容,而8008则不能。这样就使得接口设计更容易,而且价格更便宜。8080可寻址的范围(64KB)是8008(16KB)的4倍,这些改进导致进入了8080时代,并且使微处理器继续繁荣昌盛。随后,1974年第一台PC机MITS Altair 8800问世了(注意,选择8800这个名字,可能是为了避免侵犯Intel的版权)。为Altair 8800计算机写的BASIC语言解释程序是由Bill Gates(比尔·盖茨)和Paul Allen于1975年开发的,他们是Microsoft公司的创始人。Altair 8800的汇编程序是由Digital Research公司编写的,它曾为PC机开发了DR?DOS。

8085:

  8085的主频,我们现在看来非常的可怜,甚至还不如一个MP3的DSP。它最低主频3 MHz,最高主频也不过6MHz。当年使用此CPU的厂商非常多,包括了AMD,TOSHIBA,FUJI,SIEMENS等等。我的这位朋友收了一大批的8085,当然不少是连号的,INTEL这批

CPU是8085的一个分枝,区别在于其主频的工作频率,如同现在的赛扬D 325,330一样。此CPU是8085系列中拥有最高主频的一颗。

8086:

  1978年,Intel公司再次领导潮流,首次生产出16位的微处理器,并命名为i8086,毫无疑问,8086是在我们曾经的计算机课本中出现频率最高的一个型号。它的产品线也分了3个部分,分别是8086,8086-8,8086-10。后缀分别代表了CPU的主频。8086是整个产品线中最低主频的一颗,仅仅是4.77MHz。它与上一代产品最大的区别就在于它是一颗16bit的处理器。同时还生产出与之相配合的数学协处理器i8087,这两种芯片使用相互兼容的指令集,但在i8087指令集中增加了一些专门用于对数、指数和三角函数等的数学计算指令这两种芯片使用相同的指令集,可以互相配合提升科学运算的效率。之后,在8086的基础上,公司发展了8088,以技术的观点来看,8088其实是8086的一个简版,其内部指令是16位的,但是外部是8位数据总线;相对于8086内部数据总线(CPU内部传输数据的总线)、外部数据总线(CPU外部传输数据的总线)均为16位,地址总线为20位,可寻址1MB内存的规格来说,是稍差了一点,但是已经足以胜任DOS系统和当时的应用程序了。

80286,intel最后一块16位cpu

  1982年。这一年,Intel推出了划时代的最新产品80286芯片,该芯片比8086和8088都有了飞跃的发展,虽然它仍旧是16位结构,但是在CPU的内部含有13.4万个晶体管,时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其内部和外部数据总线皆为16位,地址总线24位,。与8086相比,80286寻址能力达到了 16MB,可以使用外存储设备模拟大量存储空间,从而大大扩展了80286的工作范围,还能通过多任务硬件机构使处理器在各种任务间来回快速切换,以同时运行多个任务,其速度比 8086提高了5倍甚至更多。。从80286开始,CPU的工作方式也演变出两种来:实模式和保护模式。

80386,intel第一代32位cpu

  1985年Intel推出了80386芯片,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,时钟频率为12.5MHz,后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz。80386的内部和外部数据总线都是32位,地址总线也是32位,可寻址高达4GB内存。同时也是第一种具有“多任务 ”功能的处理器——这对微软的操作系统发展有着重要的影响,所谓“多任务”就是说处理器可以在同时处理几个程序的指令。

80486,intel最后一代以数字编号的cpu

  1989年,我们大家耳熟能详的80486芯片由Intel推出,这种芯片的伟大之处就在于它实破了100万个晶体管的界限,集成了120万个晶体管。80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、50MHz。80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内,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度。

  80x86系列至此已经画上了一个句号,但是其划时代的意义却被历史所铭记,可能也正是因为这个系列的出现,所以才有了32bit机都叫做x86机器了。

·P5架构带来了第一款与数字无关的处理器 :

pentium pro

  稍后Intel推出了Pentimu Pro(中文名称“高能奔腾”),尽管性能不错,但远没有达到抛离对手的程度。加上价格十分昂贵,因此Pentimu Pro实际上出售的数目非常至少,市场生命也非常的短。Pentimu Pro可以说是Intel第一个失败的产品,但Pentium Pro的设计思想和总体架构却对Intel此后的处理器设计造成了深远的影响。

  Pentium Pro处理器采用了一种新的总线接口Socket 8。新的处理器对多媒体功能提供了很好的支持。Pentium Pro的工作频率有150/166/180和200MHz四种,都具有16KB的一级缓存和256KB的二级缓存。它是基于Pentium 完全相同的指令集和兼容性,达到了440 MIPs 的处理能力和5.5 M个晶体管。这几乎相当于比4004处理器的晶体管提升了2400倍。值得一提的是Pentium Pro采用了“PPGA” 封装技术。即一个256KB的二级缓存芯片与Pentium Pro芯片封装在一起 ,两个芯片之间用高频宽的内部总线互连,处理器与高速缓存的连接线路也被安置在该封装中,这样就使高速缓存能更容易地运行在更高的频率上。例如Pentium Pro 200MHz CPU的L2 Cache就是运行在200MHz,也就是工作在与处理器相同的频率上,这在当时可以算得上是;P6架构与支持多媒体技术的PentiumMMX:;英特奔腾MMX的推出,是Intel的辉煌时代的到;吸取了奔腾Pro的教训,Intel在1996年底;!等指令集也是从MMX;发展演变过来的;奔腾Ⅱ处理器融合了IntelMMX技术——Int;(1)单指令、多数据(SIMD)技术;今天的媒体和通信应用程序中经常使工作在与处理器相同的频率上,这在当时可以算得上是CPU技术的一个创新。Pentium Pro的推出,为以后Intel推出PⅡ奠定了基础。

P6架构与支持多媒体技术的Pentium MMX :

英特奔腾MMX的推出,是Intel的辉煌时代的到来,所以对奔腾系列将做比较详细的介绍:

  吸取了奔腾Pro的教训,Intel在1996年底推出了奔腾系列的改进版本,厂家代号P55C,也就是我们平常所说的奔腾MMX(中文名称“多能奔腾”)。这款处理器并没有集成当时卖力不讨好的二级缓存,而是独辟蹊径,采用MMX指令集来增强性能。MMX技术是INTEL最新发明的一项多媒体增强指令集技术,它的英文全称可以翻译“多媒体扩展指令集”。MMX是Intel公司在1996年为 增强奔腾 CPU在音像、图形和通信应用方面而采取的新技术,为CPU增加了57条MMX指令,除了指令集中增加MMX指令外,还将CPU芯片内的L1缓存由原来的 16KB增加到32KB(16K指命+16K数据),因此MMX CPU比普通CPU在运行含有MMX指令的程序时,处理多媒体的能力上提高了60%左右。MMX技术不但是一个创新,而且还开创了CPU开发的新纪元,后 来的SSE,3D NOW!等指令集也是从MMX发展演变过来的。

  奔腾Ⅱ处理器融合了Intel MMX技术——Intel近10年来,在架构方面最显著的提高。MMX技术提升了视频的加压和解压、图像处理、编码及I/O处理,所有的这一切在今天的办公套件、商用多媒体、通信和Internet中被广泛地应用。

  除了现有的支持嵌入设计的高端处理器模块和芯片组以外,Intel公司还将继续支持嵌入式Intel架构产品线,包括Intel嵌入式处理器模块、Intel奔腾处理器(含有MMX技术)及PCI芯片组,Intel 486处理器、Intel 386处理器和Intel 186处理器。为满足嵌入式应用市场的需求,Intel还将提供应用软件开发支持、参考设计、第三方开发工具和服务零售商的联络信息、BIOS以及操作系统。

P6架构一直沿用到Pentium III :

  1999年英特尔发布了Pentium III处理器。从Pentium III开始,英特尔又引入了70条新指令(SIMD,SSE),主要用于因特网流媒体扩展(提升网络演示多媒体流、图像的性能)、3D、流式音频、视频和语音识别功能的提升。Pentium III可以使用户有机会在网络上享受到高质量的影片,并以3D的形式参观在线博物馆、商店等,Pentium III处理器集成了950万个晶体管,并且是首个使用0.26微米技术的微处理器。Pentium III处理器也发生过错误的事故,可能使用户储存的数据出错,但是英特尔处理这类问题的措施已经炉火纯青,所以只是帮助部分受影响的客户更换主板或者更新微码就解决了该问题。但是另外一个更严重的事情是:英特尔在Pentium III开始引入了硬件序列号功能,每一片Pentium III处理器都有独特的硬件序列号,这样就有可能区分出具体的某台电脑特征。不过很遗憾的是,世界上大多数人都对这个新特性非常不满;尤其是隐私保护团体不断游说,要求取消这个功能。这样,英特尔公司也作出了妥协,允许在硬件设置中关闭该功能,最终在处理器内部取消了这个功能收场。同样,Pentium III也有对应型号的Celeron处理器,来应对低端市场。。

Intel的巅峰王朝应该是奔4时代。所以对王朝时代的处理器及其一些技术将做以详细介绍:

  2000年英特尔发布了Pentium 4处理器,自此Intel来到了一个一统江湖的时代。基于Pentium 4处理器的个人电脑,可以让用户创建专业品质的影片,透过因特网传递电视品质的影像,并进行实时语音、影像通讯,实时3D渲染,快速进行MP3编码解码运算,在连接因特网时运行多个多媒体软件。

NetBurst架构的Pentium 4

NetBurst是沿用时间最长的一代构架,以下是NetBurst结构带来的好处:

1.较快的系统总线(Faster System Bus);

2.高级传输缓存(Advanced Transfer Cache);

3.高级动态执行(Advanced Dynamic Execution) (包含执行追踪缓存Execution Trace Cache、高级分支预测Enhanced Branch Prediction)

4.超长管道处理技术(Hyper Pipelined Technology);

5.快速执行引擎(Rapid Execution Engine);

6.高级浮点以及多媒体指令集(SSE2)等等。

第一代64bit处理器

  2001年:英特尔安腾(Itanium)处理器 英特尔安腾处理器是英特尔推出的64位处理器家族中的首款产品。该处理器是在基于英特尔简明并行指令计算(EPIC)设计技术的全新架构之基础上开发制造的,设计用于高端、企业级服务器和工作站。该处理器能够为要求最苛刻的企业和高性能计算应用(包括电子商务安全交易、大型数据库、计算机辅助的机械工程以及精密的科学和工程计算)提供全球最出色的性能。

  2002年:英特尔安腾2处理器(Itanium2) Intel Pentium 4 /Hyper Threading处理器

  英特尔安腾2处理器是安腾处理器家族的第二位成员,同样是一款企业用处理器。该处理器家族为数据密集程度最高、业务最关键和技术要求最高的计算应用提供英特尔 架构的出色性能及规模经济等优势。该处理器能为数据库、计算机辅助工程、网上交易安全等提供领先的性能。  

  2003年:英特尔 奔腾 M(Pentium M) /赛扬 M (Celeron M)处理器

  英特尔奔腾M处理器,英特尔855芯片组家族以及英特尔PRO/无线2100网卡是英特尔迅驰? 移动计算技术的三大组成部分。英特尔迅驰移动计算技术专门设计用于便携式计算,具有内建的无线局域网能力和突破性的创新移动性能。该处理器支持更耐久的电池使用时间,以及更轻更薄的笔记本电脑造形。

  2005年:Intel Pentium D 处理器

  首颗内含2个处理核心的Intel Pentium D处理器登场,正式揭开x86处理器多核心时代。(绰号胶水双核,被别人这样叫是有原因的,PD由于高频低能噪音大,所以才有这个称号)

  2005年:Intel Core处理器

  这是英特尔向酷睿架构迈进的第一步。但是,酷睿处理器并没有采用酷睿架构,而是介于NetBurst和Core之间(第一个基于Core架构的处理器是酷睿2)。最初酷睿处理器是面向移动平台的,它是英特尔迅驰3的一个模块,但是后来苹果转向英特尔平台后推出的台式机就是采用的酷睿处理器。酷睿使双核技术在移动平台上第一次得到实现。与后来的酷睿2类似,酷睿仍然有数个版本:Duo双核版,Solo单核版。其中还有数个低电压版型号以满足对节电要求苛刻的用户的要求。

  2006年:(酷睿2,俗称“”)/ 赛扬 Duo 处理器

  Core微架构桌面/移动处理器:桌面处理器核心代号Conroe。将命名为Core 2 Duo/Extreme家族,其E6700 2.6GHz型号比先前推出之最强的Intel Pentium D 960(3.6GHz)处理器,在效能方面提升了40%,省电效率亦增加40%,Core 2 Duo处理器内含2.91亿个晶体管。移动处理器核心代号Merom。是迅驰3.5和迅驰4的处理器模块。当然这两种酷睿2有区别,最主要的就是将FSB由667MHz/533MHz提升到了800MHz。

  2007年:Intel 四核心服务器用处理器

  英特尔已经推出了若干四核台式机芯片,作为其双核Quad和Extreme家族的组成部分。在服务器领域,英特尔将在其低电压3500和7300系列中交付使用不少于具有9个四核处理器的Xeons。

  2007年:Intel QX9770四核至强45nm处理器

  先进制程带来的节能冷静,HI-K的引进使CPU更加稳定。先进的SSE4.1指令集、快速除法器,卓越的执行效率,INTEL在处理器方面不断领先

  2008年:Intel Atom凌动处理器

  低至0.6W的超低功耗处理器,带给大家的是难以想象的节能与冷静

  2008年11月17日:Intel发布core i7处理器

  2009-2010分别推出之后i5,i3系列,至此Intel家族core系列发布完毕。

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