1、CPU 发展史 CPU 又叫中央处理器，是英文单词 Central Processing Unit 的缩写，其内部结构大概可以分为控制单元、算术逻辑单元和存储单元等几个部分。按照其处理信息的字长可以分为：八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等等。本文后面会提到许多比较艰生的理论知识，虽然我会努力把他们讲得生动浅显，但我确实没有办法让它象还珠格格那样有趣，不过你一定要把握住所有这些技术都是围绕突破速度极限而设立的，这是个万变不离其宗的道理。顺着这条路思索下去，你一定马上会问提高速度到底都有哪些方法呢？其实说起来很简单，科学家想到的地方，我们要留心也一定能发现得了。不
2、外乎下面几种情况：优化指令集、提高处理器每个工作单元的效率、配置更多的工作单元或新的运行方式来增加并行处理能力、缩短运行的时钟周期以及增加字长等等。八位微处理器的典型产品为 Intel 公司的 8080 处理器、8086 处理器、Motorola 公司MC6800 微处理器和 Zilog 公司 Z80 微处理器。 十六位微处理器的典型产品是 Intel 公司的 8086 和 80286 微处理器。如果说 8080 处理器还不为各位所熟知的话，那么 80286 则可以说是家喻户晓了，个人电脑PC 机的第一代 CPU 便是从它开始的。 三十二位微处理器的代表产品是 Intel 公司 1985 年推
3、出的 80386，这是一种全三十二位微处理器芯片。1989 年 Intel 公司又推出准三十二位处理器芯片 80386SX。它的内部数据总线为三十二位，与 80386 相同，外部数据总线为十六位。也就是说，80386SX 的内部处理速度与 80386 接近，也支持真正的多任务操作，而它又可以接受为 80286 开发输入/输出接口芯片。80386SX 的性能优于 80286，而价格只是 80386 的三分之一。386 处理器没有内置协处理器，因此不能执行浮点运算指令，如果您需要进行浮点运算时，必须额外购买昂贵的 80387 协处理器芯片。 八十年代末九十年代初，486 处理器面市，粗略的说 48
4、6 就是集成了浮点运算单元和8KB 高速缓存（说是高速但比现在一般内存的速度也有相当差距）的 386。早期的 486 分为有协处理器的 486DX 和无协处理器的 486SX 两种，其价格也相差许多。随着芯片技术的不断发展，CPU 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 CPU 倍频技术，该技术使 CPU 内部工作频率为处理器外频的 23 倍，486DX2 、486DX4 的名字便是由此而来。九十年代中期，全面超越 486 的新一代 586 处理器问世，为了摆脱 486 时代处理器名称混乱的困扰，最大的
5、 CPU 制造商 Intel 公司把自己的新一代产品命名为 Pentium（奔腾）以示区别。而 AMD 和 Cyrix 也分别推出了 K5 和 6x86 处理器。接下来 Intel 又为冲击服务器市场和争取多媒体制高点相继发布了 Pentium Pro 和 Pentium MMX。1技术变迁，RISC 取代 CISC 在现在来看第五代的微处理器的问世，应该算得上是 PC 个人电脑发展史上里程碑式的事件。然而这并非是因为它的速度较之以前有了本质的变化，主要原因是，从这里开始传统的 X86 指令集的 CPU 开始由 CISC 复杂指令集设计，转而开始采用部分 RISC（简单指令系统计算机）技术。虽
6、然从外观上这些 CPU 的指令依然复杂而且长度也参差不齐，但实际其内部的微指令已经是整齐化一的简单指令了。而由此也产生了两项全新的技术，超标量和流水线结构。接下来，我们简单介绍下他们的情况。 （1）复杂指令集 随着 VLSI 技术的发展，计算机的硬件成本不断下降，与此同时，软件成本却越来越高，这使得人们开始热衷于在指令系统中增加更多的指令以及让每条指令完成更复杂的工作，来提高操作系统的效率，并尽量缩短指令系统与高级语言的语义差别，以便于高级语言的编译和降低软件成本。另外，为了做到程序兼容，同一系列计算机的新机器和高档机的指令系统只能扩充而不能减去任意一条，也促使指令系统愈加复杂。于是我们就把这
7、些计算机称为 CISC（复杂指令系统计算机） 。 （2）简单指令集 在发现了上述弊病以后，科学家们开始寻求解决办法。1975 年 IBM 公司开始研究指令系统的合理性问题。其结果发现，CISC 电脑中，各种指令的使用频率相差悬殊，最常使用的一些比较简单的指令，仅占指令总数的 20%，但在程序中出现的频率却占 80%。于是着眼于减少指令的执行周期数，简化指令使计算机结构更加合理并提高运行速度的 RISC电脑开始出现。 在 80 年代，由于 PC 机不能满足图形处理和科学计算等应用的需求，而大型机又非常昂贵，因此创造了工作站这种相对便宜的台式系统。但是，用于 PC 机的处理器不可能满足工作站的需求
8、，所以提出 RISC 处理器的思想。因为通过研究发现，只有大约 20%的指令是最常用的，把处理器能执行的指令数目减少到最低限度，对它们的执行进行优化，就可以极大地提高处理器的工作速度。一般来说，RISC 处理器比同等的 CISC 处理器要快50%75%，同时 RISC 处理器更容易设计和纠错。 目前，比较有影响的 RISC 处理器产品有 Compaq 公司的 Alpha、HP 公司的 PA-RISC、 IBM 公司的 Power PC、MIPS 公司的 MIPS 和 Sun 公司的 Sparc。下面将分别介绍它们的有关情况。 Alpha 处理器 - Alpha 处理器最早由 DEC 公司设计制
9、造，在Compaq 公司收购 DEC 之后， Alpha 处理器继续得到发展，应用于许多高档的 Compaq 服务器上。从 1995 年开始有 21164 芯片，那时的工艺为 0.5mm，主频达到 200MHz。1998 年，推出新型号 21264，当时的主频是 600MHz。 MIPS 处理器一种流行的 RISC 处理器MIPS 技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式 32 位和 64 位处理器的厂商。在 RISC 处理器方面占有重要地位。 1984 年，MIPS 计算机公司成立。 1992 年，SGI 收购了 MIPS 计算机公司。1998 年， MIPS 脱离 SGI，成为 MIP
10、S 技术公司。 MIPS 公司设计 RISC 处理器始于 80 年代初，1986 年推出 R2000 处理器，1988 年推出 R3000 处理器，1991 年推出第一款 64 位商用微处理器 R4000。之后，又陆续推出R8000（于 1994 年） 、R10000（于 1996 年）和 R12000（于 1997 年）等型号。之后，MIPS 公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。1999 年，MIPS 公司发布 MIPS 32和 MIPS 64 架构标准，为未来 MIPS 处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来MIPS 指令集，并且增加了许多更强大的功能。MIPS 公司陆续开发
11、了高性能、低功耗的 32 位处理器内核（core）MIPS 32 4Kc 与高性能 64 位处理器内核 MIPS 64 5Kc。2000 年，MIPS 公司发布了针对 MIPS 32 4Kc 的新版本以及未来 64 位 MIPS 64 20Kc 处理器内核。 为了使用户更加方便地应用 MIPS 处理器，MIPS 公司推出了一套集成的开发工具， 称为 MIPS IDF （Integrated Development Framework） ，特别适合嵌入式系统的开发。PA-RISC 处 理 器 ：HP 公司的 RISC 芯片 PA-RISC 于 1986 年问世。目前，他们正在开发 HP 的 64
12、 位超标量处理器 PA-8000 系列。 同时，HP 公司与 Intel 公司合作开发的下一代芯片 IA-64， 在与原来 PA-RISC 和 Intel x86 系列芯片兼容的基础上， 性能更会有飞跃性的提高。 PA-8000 系列芯片是从 1996 年开始提供的。第 1 款芯片的型号为 PA-8000， 主频达180MHz， 后来陆续推出 PA-8200、 PA-8500 和 PA-8600 等型号。 HP 公司正在开发 64 位微处理器 PA-8700。此芯片将于 2001 年上半年正式投入器和工作站的使用。这种新型处理器的设计主频将达到 800MHz 以上。PA-8700 使用的工艺是
13、0.18mm 绝缘硅（Silicon-On-Insulator，SOI）铜 CMOS 工艺，采用 7 层铜导体互连，芯片上的高速缓存达到 2.25MB，比 PA-8600 增加了 50%。这种新的 0.18mm 工艺降低了电压，从而使工作在较高频率下的芯片大大降低了功耗，工作温度也较低。此外，这种工艺使芯片几何尺寸更小，主频更高。因此，PA-8700 计算速度高达每秒 32 亿次运算。而惠普现在安装的处理器就有 PA-8800 的微处理器。1997 年对于所有 Wintel 体系的兼容 CPU 生产厂家而言，可算是悲喜交加的一年了。在这一年里的大部分时间里，Intel 不但凭借其 Pentiu
14、m MMX（P55C ）系列 CPU 仗剑天下，打得 AMD K6 和 Cyrix M II 等芯片毫无还手之力，更有取得专利保护的 Slot 1 主板的推出反观，其他的 PC 系统 CPU 生产厂家，由于不能继续在 CPU 接口上同 Intel 保持兼容，他们被逼上了绝境，前途一片暗淡。就在业界一致认为 Intel 行将一统江湖之时，Intel 退出Socket 7 市场，为 PC 系统开发 100MHz 的新架构。当时 Slot 1 市场还未完全成熟。首先，从 386 以来，AMD 和 Cyrix 便一直跟跑在后，技术革新大都是是 Intel 出钱出力，最后又让他们来兼容，争夺市场。 。再
15、者说，业界在 66MHz 的外频下已经停留了很长时间，Socket 7 架构已经发展得十分成熟，如果从这里来提升系统外频，不但对新技术的运用有一定限制，而且其利润也不如新东西来得高。所以权衡再三，Intel 终于做出了这个现在看来几乎不可思议的决定。由此一场波澜壮阔的“芯 “际大战便拉开了序幕。 Intel 刚宣布退出 Socket 7 市场，AMD 就敏锐地抓住了这一百年不遇的良机，坚定的在 Socket 7 架构上推出高频 K6。并率先发难，带头提出了 Super 7 架构，大有要和 Intel分庭抗礼之势。于是本来最早由 Intel 提出的 100MHz 外频概念，成了 AMD 反击 I
16、ntel 的主要武器。各大系统芯片开发商也鼎力相助，VIA 的 MVP3、SIS 的 5591、ALI 的 Aladdin 等系统芯片组也如雨后春笋一般冒了出来，由于众志成城，开发措施得力，100MHz 外频在 Super 7 架构上比 Slot 1 的 440 BX 芯片组早进入市场。且其综合性能比在 66MHz 下要高出 6.8%15%左右（这主要归功于 100MHz 主频对前置总线的 2 级缓存的影响） ，反观Slot 1 架构却只有 2%5%的提升。100MHz 外频这柄双刃剑终于砍伤了 Intel 自己。而AMD 也因此声名大震。 提一下作为 CPU 三大厂商之一的 Cyrix。由于
17、 Cyrix 一直把 Intel 估计得过于强大，从不犯错。所以，面对 Intel 的步步紧逼，他几乎不愿和 Intel 做任何正面交锋，甚至放缓了针对主流 CPU 市场的 6x86MX 系列 CPU 的开发，转而致力于研发多功能合一的 Media GX系列处理器。以至在 97 年底前后的风波中显得措手不及，毫无应变能力。随着 AMD 市场份额的扩大，而缩小了自己的市场。从 486 中最 cool 的“ 芯“ ，有些高烧的 6x86，再到Media GX，Cyrix 一步步衰落了。 介绍流水线结构打个比方最容易。请大家设想一下工厂里产品装配线的情况，在我们想要提高它的运行速度的时候，把复杂的装
18、配过程分解成一个一 个 简 单 的工序，让每个装配工人只专门从事其中的一个细节，这样每个人的办事效率都会得到很大的提高，从而使整个产品装配的速度加快。这就是流水线的核心思想。 （4）超标量技术 如果说，流水线是依靠提高每个“操作工人“ 的效率来达到促进整体的结果的话，那超标量就纯粹是在增加“工人“ 的数量了。它通过重复设置大量的处理单元，并按一定方式连接起来，在统一的控制部件控制下，对各自分配的不同任务并行的来完成不同操作。由此近年来电脑微处理器发展的基石总算奠定了下来，接下来考虑的就是如何提高流水线的使用效率和研发更先进的并行技术了。 就在 Intel 主流桌面市场全面告捷的同时，它已经开始
19、了第一次冲击高端工作站和服务器市场的尝试。Pentium Pro（简称 P6）正是应此要求出现的，它一经问世，就获得了满堂喝彩。我们需要给予肯定的是 P6 的内核确实十分先进，就是现在的 Pentium III 的核心也继承了它的血脉。当然超能奔腾给我们留下最深印象的还是它一体双腔的设计方案，这是款 X86 处理器发展史上第一次把大容量 L2 缓存集成到 CPU 上和核心放置非常接近的产品，但以当时的工艺制造水平根本没有办法解决热量的问题。这款穷尽 Intel 心血的处理器最终没能进入主流市场，不但消耗了大量资金，更要命的是用去整整研发一代 CPU 所需要的时间，这才让后来的 AMD K6 有
20、机可乘。 Intel 另一个不大不小的失误就出在风靡一时 MMX 指令上。MMX 技术实质上是“ 单指令流、多数据流“ 数据处理方式（ SIMD）的一项具体应用。它允许 CPU 同时对 2、4 甚至8 个整数数据进行并行处理，而丝毫不影响系统的速度。在 Pentium MMX 结构的 CPU 中，增加若干 64 位的寄存器来完成上述使命。其最初目的是用于提高 CPU 对 3D 数据的处理能力，但实质上 3D 技术更需要的是浮点运算。随后出现的 3DNow！、SSE 和用于苹果电脑的 AltiVec 指令系统很快便让其走入了历史。CISC(复杂指令集）与 RISC（精简指令集）的区别复杂指令集计
21、算机(CISC)长期来，计算机性能的提高往往是通过增加硬件的复杂性来获得随着集成电路技术特别是 VLSI（超大规模集成电路）技术的迅速发展，为了软件编程方便和提高程序的运行速度，硬件工程师采用的办法是不断增加可实现复杂功能的指令和多种灵活的编址方式甚至某些指令可支持高级语言语句归类后的复杂操作至使硬件越来越复杂，造价也相应提高为实现复杂操作，微处理器除向程序员提供类似各种寄存器和机器指令功能外还通过存于只读存贮器(ROM)中的微程序来实现其极强的功能 ，傲处理在分析每一条指令之后执行一系列初级指令运算来完成所需的功能，这种设计的型式被称为复杂指令集计算机(Complex Instruction
22、 Set Computer-CISC)结构一般 CISC 计算机所含的指令数目至少 300 条以上，有的甚至超过 500 条精简指令集计算机(RISC)采用复杂指令系统的计算机有着较强的处理高级语言的能力这对提高计算机的性能是有益的当计算机的设计沿着这条道路发展时有些人没有随波逐流他们回过头去看一看过去走过的道路，开始怀疑这种传统的做法：IBM 公司没在纽约 Yorktown 的JhomasI.Wason 研究中心于 1975 年组织力量研究指令系统的合理性问题因为当时已感到，日趋庞杂的指令系统不但不易实现而且还可能降低系统性能1979 年以帕特逊教授为首的一批科学家也开始在美国加册大学伯克莱
23、分校开展这一研究结果表明，CISC 存在许多缺点首先在这种计算机中各种指令的使用率相差悬殊：一个典型程序的运算过程所使用的 80指令只占一个处理器指令系统的 20事实上最频繁使用的指令是取、存和加这些最简单的指令这样-来，长期致力于复杂指令系统的设计，实际上是在设计一种难得在实践中用得上的指令系统的处理器同时复杂的指令系统必然带来结构的复杂性这不但增加了设计的时间与成本还容易造成设计失误此外尽管 VLSI 技术现在已达到很高的水平，但也很难把 CISC 的全部硬件做在一个芯片上，这也妨碍单片计算机的发展在 CISC 中，许多复杂指令需要极复杂的操作，这类指令多数是某种高级语言的直接翻版，因而通
24、用性差由于采用二级的微码执行方式，它也降低那些被频繁调用的简单指令系统的运行速度因而针对 CISC 的这些弊病帕特逊等人提出了精简指令的设想即指令系统应当只包含那些使用频率很高的少量指令并提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言按照这个原则发展而成的计算机被称为精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer-RISC)结构简称 RISCCISC 与 RISC 的区别:RISC 和 CISC 是目前设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达到高效的目的，但采用的方法不同，
25、因此，在很多方面差异很大，它们主要有：（1） 指令系统：RISC 设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此，在 RISC 机器上实现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISC 计算机的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能。因此，处理特殊任务效率较高。（2） 存储器操作：RISC 对存储器操作有限制，使控制简单化；而 CISC 机器的存储器操作指令多，操作直接。（3） 程序：RISC 汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而 CISC 汇编语言
26、程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序设计相对容易，效率较高。（4） 中断：RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而 CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。（5） CPU：RISC CPU 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而 CISC CPU 包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。（6） 设计周期：RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且易于采用最新技术；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长。（7） 用户使用：RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC 微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。（8）
27、 应用范围：由于 RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关，故 RISC 机器更适合于专用机；而 CISC 机器则更适合于通用机。我们经常谈论有关“PC“与 “Macintosh“的话题，但是又有多少人知道以 Intel 公司 X86为核心的 PC 系列正是基于 CISC 体系结构，而 Apple 公司的 Macintosh 则是基于 RISC 体系结构，CISC 与 RISC 到底有何区别？从硬件角度来看 CISC 处理的是不等长指令集，它必须对不等长指令进行分割，因此在执行单一指令的时候需要进行较多的处理工作。而 RISC 执行的是等长精简指令集，CPU 在执行指令的时候速度较快且性能
28、稳定。因此在并行处理方面 RISC 明显优于CISC， RISC 可同时执行多条指令，它可将一条指令分割成若干个进程或线程，交由多个处理器同时执行。由于 RISC 执行的是精简指令集，所以它的制造工艺简单且成本低廉。从软件角度来看，CISC 运行的则是我们所熟识的 DOS、Windows 操作系统。而且它拥有大量的应用程序。因为全世界有 65%以上的软件厂商都理为基于 CISC 体系结构的 PC及其兼容机服务的，象赫赫有名的 Microsoft 就是其中的一家。而 RISC 在此方面却显得有些势单力薄。虽然在 RISC 上也可运行 DOS、Windows，但是需要一个翻译过程，所以运行速度要慢许多。目前 CISC 与 RISC 正在逐步走向融合，Pentium Pro、Nx586、K5 就是一个最明显的例子，它们的内核都是基于 RISC 体系结构的。他们接受 CISC 指令后将其分解分类成RISC 指令以便在遇一时间内能够执行多条指令。由此可见，下一代的 CPU 将融合 CISC与 RISC 两种技术，从软件与硬件方面看二者会取长补短。
