中央处理器（CPU）的组成、功能及发展

Posted 2023-05-02

CPU是Central Processing Unit（中央微处理器）的缩写，它是计算机中最重要的一个部分，由运算器和控制器组成。如果把计算机比作人，那么CPU就是人的大脑。CPU的发展非常迅速，个人电脑从8088(XT)发展到现在的Pentium 4时代，只经过了不到二十年的时间。

从生产技术来说，最初的8088集成了29000个晶体管，而PentiumⅢ的集成度超过了2810万个晶体管；CPU的运行速度，以MIPS(百万个指令每秒)为单位，8088是0.75MIPS，到高能奔腾时已超过了1000MIPS。不管什么样的CPU，其内部结构归纳起来都可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，这三个部分相互协调，对命令和数据进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。

CPU从最初发展至今已经有二十多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，CPU可以分为：4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及正在酝酿构建的64位微处理器，可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的。

Intel 4004

1971年，英特尔公司推出了世界上第一款微处理器4004，这是第一个可用于微型计算机的四位微处理器，它包含2300个晶体管。随后英特尔又推出了8008，由于运算性能很差，其市场反应十分不理想。1974年，8008发展成8080,成为第二代微处理器。8080作为代替电子逻辑电路的器件被用于各种应用电路和设备中，如果没有微处理器,这些应用就无法实现。

由于微处理器可用来完成很多以前需要用较大设备完成的计算任务，价格又便宜，于是各半导体公司开始竞相生产微处理器芯片。Zilog公司生产了8080的增强型Z80，摩托罗拉公司生产了6800，英特尔公司于1976年又生产了增强型8085,但这些芯片基本没有改变8080的基本特点，都属于第二代微处理器。它们均采用NMOS工艺,集成度约9000只晶体管,平均指令执行时间为1μS～2μS,采用汇编语言、BASIC、Fortran编程，使用单用户操作系统。

Intel 8086

1978年英特尔公司生产的8086是第一个16位的微处理器。很快Zilog公司和摩托罗拉公司也宣布计划生产Z8000和68000。这就是第三代微处理器的起点。

8086微处理器最高主频速度为8MHz，具有16位数据通道，内存寻址能力为1MB。同时英特尔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i8087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。人们将这些指令集统一称之为 x86指令集。虽然以后英特尔又陆续生产出第二代、第三代等更先进和更快的新型CPU，但都仍然兼容原来的x86指令，而且英特尔在后续CPU的命名上沿用了原先的x86序列，直到后来因商标注册问题，才放弃了继续用阿拉伯数字命名。

1979年，英特尔公司又开发出了8088。8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输，所以都称为16位微处理器，但8086每周期能传送或接收16位数据，而8088每周期只采用8位。因为最初的大部分设备和芯片是8位的，而8088的外部8位数据传送、接收能与这些设备相兼容。8088采用40针的DIP封装，工作频率为6.66MHz、7.16MHz或8MHz，微处理器集成了大约29000个晶体管。

8086和8088问世后不久，英特尔公司就开始对他们进行改进，他们将更多功能集成在芯片上，这样就诞生了80186和80188。这两款微处理器内部均以16位工作，在外部输入输出上80186采用16位，而80188和8088一样是采用8位工作。

1981年，美国IBM公司将8088芯片用于其研制的PC机中，从而开创了全新的微机时代。也正是从8088开始，个人电脑(PC)的概念开始在全世界范围内发展起来。从8088应用到IBM PC机上开始,个人电脑真正走进了人们的工作和生活之中，它也标志着一个新时代的开始。

Intel 80286

1982年，英特尔公司在8086的基础上，研制出了80286微处理器，该微处理器的最大主频为20MHz，内、外部数据传输均为16位，使用24位内存储器的寻址，内存寻址能力为16MB。80286可工作于两种方式，一种叫实模式，另一种叫保护方式。

在实模式下，微处理器可以访问的内存总量限制在1兆字节；而在保护方式之下，80286可直接访问16兆字节的内存。此外，80286工作在保护方式之下，可以保护操作系统，使之不像实模式或8086等不受保护的微处理器那样，在遇到异常应用时会使系统停机。

IBM公司将80286微处理器用在先进技术微机即AT机中，引起了极大的轰动。80286在以下四个方面比它的前辈有显著的改进：支持更大的内存；能够模拟内存空间；能同时运行多个任务；提高了处理速度。最早PC机的速度是4MHz，第一台基于80286的AT机运行速度为6MHz至8MHz，一些制造商还自行提高速度，使80286达到了20MHz，这意味着性能上有了重大的进步。

80286的封装是一种被称为PGA的正方形包装。PGA是源于PLCC的便宜封装，它有一块内部和外部固体插脚，在这个封装中，80286集成了大约130000个晶体管。

IBM PC/AT微机的总线保持了XT的三层总线结构，并增加了高低位字节总线驱动器转换逻辑和高位字节总线。与XT机一样，CPU也是焊接在主板上的。

那时的原装机仅指IBM PC机，而兼容机就是除了IBM PC以外的其它机器。在当时，生产CPU的公司除英特尔外，还有AMD及西门子公司等，而人们对自己电脑用的什么CPU也不关心，因为AMD等公司生产的CPU几乎同英特尔的一样，直到486时代人们才关心起自己的CPU来。

8086～80286这个时代是个人电脑起步的时代，当时在国内使用甚至见到过PC机的人很少，它在人们心中是一个神秘的东西。到九十年代初，国内才开始普及计算机。

Intel 80386

1985年春天的时候，英特尔公司已经成为了第一流的芯片公司，它决心全力开发新一代的32位核心的CPU—80386。Intel给80386设计了三个技术要点：使用“类286”结构，开发80387微处理器增强浮点运算能力，开发高速缓存解决内存速度瓶颈。

1985年10月17日，英特尔划时代的产品——80386DX正式发布了，其内部包含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz，最后还有少量的40MHz产品。

80386DX的内部和外部数据总线是32位，地址总线也是32位，可以寻址到4GB内存，并可以管理64TB的虚拟存储空间。它的运算模式除了具有实模式和保护模式以外，还增加了一种“虚拟86”的工作方式，可以通过同时模拟多个8086微处理器来提供多任务能力。

80386DX有比80286更多的指令，频率为12.5MHz的80386每秒钟可执行6百万条指令，比频率为16MHz的80286快2.2倍。80386最经典的产品为80386DX－33MHz，一般我们说的80386就是指它。

由于32位微处理器的强大运算能力，PC的应用扩展到很多的领域，如商业办公和计算、工程设计和计算、数据中心、个人娱乐。80386使32位CPU成为了PC工业的标准。

虽然当时80386没有完善和强大的浮点运算单元，但配上80387协处理器，80386就可以顺利完成许多需要大量浮点运算的任务，从而顺利进入了主流的商用电脑市场。另外，30386还有其他丰富的外围配件支持，如82258（DMA控制器）、8259A（中断控制器）、8272（磁盘控制器）、82385（Cache控制器）、82062（硬盘控制器）等。针对内存的速度瓶颈，英特尔为80386设计了高速缓存（Cache），采取预读内存的方法来缓解这个速度瓶颈，从此以后，Cache就和CPU成为了如影随形的东西。

Intel 80387/80287

严格地说，80387并不是一块真正意义上的CPU，而是配合80386DX的协处理芯片，也就是说，80387只能协助80386完成浮点运算方面的功能，功能很单一。

Intel 80386SX

1989年英特尔公司又推出准32位微处理器芯片80386SX。这是Intel为了扩大市场份额而推出的一种较便宜的普及型CPU，它的内部数据总线为32位，外部数据总线为16位，它可以接受为80286开发的16位输入/输出接口芯片，降低整机成本。

80386SX推出后，受到市场的广泛的欢迎，因为80386SX的性能大大优于80286，而价格只是80386的三分之一。

Intel 80386SL/80386DL

英特尔在1990年推出了专门用于笔记本电脑的80386SL和80386DL两种型号的386芯片。这两个类型的芯片可以说是80386DX/SX的节能型，其中，80386DL是基于80386DX内核，而80386SL是基于80386SX内核的。这两种类型的芯片，不但耗电少，而且具有电源管理功能，在CPU不工作的时候，自动切断电源供应。

Motorola 68000

摩托罗拉的68000是最早推出的32位微微处理器，当时是1984年，推出后，性能超群，并获得如日中天的苹果公司青睐，在自己的划时代个人电脑“PC－MAC”中采用该芯片。但80386推出后，日渐没落。

AMD Am386SX/DX

AMD的Am386SX/DX是兼容80386DX的第三方芯片，性能上和英特尔的80386DX相差无己，也成为当时的主流产品之一。

IBM 386SLC

这个是由IBM在研究80386的基础上设计的，和80386完全兼容，由英特尔生产制造。386SLC基本上是一个在80386SX的基础上配上内置Cache，同时包含80486SX的指令集，性能也不错。

Intel 80486

1989年，我们大家耳熟能详的80486芯片由英特尔推出。这款经过四年开发和3亿美元资金投入的芯片的伟大之处在于它首次实破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管，使用1微米的制造工艺。80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。

80486是将80386和数学协微处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内。80486中集成的80487的数字运算速度是以前80387的两倍，内部缓存缩短了微处理器与慢速DRAM的等待时间。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。由于这些改进，80486的性能比带有80387数学协微处理器的80386 DX性能提高了4倍。

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内部工作频率为微处理器外频的2～3倍，486 DX2、486 DX4的名字便是由此而来。

Intel 80486 DX

常见的80486 CPU有80486 DX－33、40、50。486 CPU与386 DX一样内外都是32位的，但是最慢的486 CPU也比最快的386 CPU要快，这是因为486 SX/DX执行一条指令，只需要一个振荡周期，而386DX CPU却需要两个周期。

Intel 80486 SX

因为80486 DX CPU具有内置的浮点协微处理器，功能强大，当然价格也就比较昂贵。为了适应普通的用户的需要，尤其是不需要进行大量浮点运算的用户，英特尔公司推出了486 SX CPU。80486 SX主板上一般都有80487协微处理器插座，如果需要浮点协微处理器的功能，可以插上一个80487协微处理器芯片，这样就等同于486 DX了。常见的80486 SX CPU有：80486 SX－25、33。

Intel 80486 DX2/DX4

其实这种CPU的名字与频率是有关的，这种CPU的内部频率是主板频率的两/四倍，如80486 DX2－66，CPU的频率是66MHz，而主板的频率只要是33MHz就可以了。

Intel 80486 SL CPU

80486 SL CPU最初是为笔记本电脑和其他便携机设计的，与386SL一样，这种芯片使用3.3V而不是5V电源，而且也有内部切断电路，使微处理器和其他一些可选择的部件在不工作时，处于休眠状态，这样就可以减少笔记本电脑和其他便携机的能耗，延长使用时间。

Intel 486 OverDrive

升级486 SX可以在主板的协微处理器插槽上安装一个80487SX芯片，使其等效于486 DX，但是这样升级后，只是增加了浮点协微处理器的能力，并没有提高系统的速度。为了提高系统的速度，还有另外一种升级的方法，就是在协微处理器插槽上插上一个486 OverDrive CPU，它的原理与486 DX2 CPU一样，其内部操作速度可以是外部速度的两倍。如一个20MHz的主板上安插了OverDrive CPU之后，CPU内部的操作速度可以达到40MHz。486 OverDrive CPU也有浮点协微处理器的功能，常见的有：OverDrive－50、66、80。

TI 486 DX

作为全球知名的半导体厂商之一，美国德州仪器(TI)也在486时代异军突起，它自行生产了486 DX系列CPU，尤其在486DX2成为主流后，其DX2－80因较高的性价比成为当时主流产品之一，TI 486最高主频为DX4－100，但其后再也没有进入过CPU市场。

Cyrix 486DLC

这是Cyrix公司生产的486 CPU，说它是486 CPU，是指它的效率上逼近486 CPU，却并不是严格意义上的486 CPU，这是由486 CPU的特点而定的。486DLC CPU只是将386DX CPU与1K Cache组合在一块芯片里，没有内含浮点协微处理器，执行一条指令需要两个振荡周期。但是由于486DLC CPU设计精巧，486DLC－33 CPU的效率逼近英特尔公司的486 SX－25，而486DLC－40 CPU则超过了486 SX－25，并且486DLC－40 CPU的价格比486 SX－25便宜。486DLC CPU是为了升级386DM而设计的，如果原来有一台386电脑，想升级到486，但是又不想更换主板，就可以拔下原来的386 CPU，插上一块486DLC CPU就可以了。

Cyrix 5x86

自从英特尔另辟蹊径，开发了Pentium之后，Cyrix也很快推出了自己的新一代产品5x86。它仍然延用原来486系列的CPU插座，而将主频从100MHz提高到120MHz。5x86比起486来说性能是有所增加，可是比起Pentium来说，不但浮点性能远远不足，就连Cyrix一向自豪的整数运算性能也不那么高超，给人一种比上不足比下有余的感觉。由于5x86可以使用486的主板，因此一般将它看成是过渡产品。

AMD 5x86

AMD 486DX是AMD公司在 486市场的利器，它内置16KB回写缓存，并且开始了单周期多指令的时代，还具有分页虚拟内存管理技术。由于后期TI推出了486DX2－80，价格非常低，英特尔又推出了Pentium系列，AMD为了抢占市场的空缺，推出了5x86系列CPU。它是486级最高主频的产品，为5x86－120及133。它采用了一体的16K回写缓存，0.35微米工艺，33×4的133频率，性能直指Pentiun 75，并且功耗要小于Pentium。

Intel Pentium

1993年，全面超越486的新一代586 CPU问世，为了摆脱486时代微处理器名称混乱的困扰，英特尔公司把自己的新一代产品命名为Pentium(奔腾)以区别AMD和Cyrix的产品。AMD和Cyrix也分别推出了K5和6x86微处理器来对付芯片巨人，但是由于奔腾微处理器的性能最佳，英特尔逐渐占据了大部分市场。

Pentium最初级的CPU是Pentium 60和Pentium 66，分别工作在与系统总线频率相同的60MHz和66MHz两种频率下，没有我们现在所说的倍频设置。

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。

Intel Pentium MMX

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3D NOW!。 MMX（MultiMedia Extensions，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(Pentium MMX)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Pentium CPU要快得多。

这57条MMX指令专门用来处理音频、视频等数据。这些指令可以大大缩短CPU在处理多媒体数据时的等待时间，使CPU拥有更强大的数据处理能力。与经典奔腾不同，多能奔腾采用了双电压设计，其内核电压为2.8V，系统I/O电压仍为原来的3.3V。如果主板不支持双电压设计，那么就无法升级到多能奔腾。

多能奔腾的代号为P55C，是第一个有MMX技术(整量型单元执行)的CPU，拥有16KB数据L1 Cache，16KB指令L1 Cache，兼容SMM，64位总线，528MB/s的频宽，2时钟等待时间，450万个晶体管，功耗17瓦。支持的工作频率有:133MHz、150MHz、166MHz、200MHz、233MHz。

Intel Pentium Pro

曾几何时，Pentium Pro是高端CPU的代名词，Pentium Pro所表现的性能在当时让很多人大吃一惊，但是Pentium Pro是32位数据结构设计的CPU，所以Pentium Pro运行16位应用程序时性能一般，但仍然是32位的赢家，但是后来，MMX的出现使它黯然失色。

Pentium Pro(高能奔腾，686级的CPU)的核心架构代号为P6（也是未来PⅡ、PⅢ所使用的核心架构），这是第一代产品，二级Cache有256KB或512KB，最大有1MB的二级Cache。工作频率有:133/66MHz(工程样品)，150/60MHz、166/66MHz、180/60MHz、200/66MHz。

AMD K5

K5是AMD公司第一个独立生产的x86级CPU，发布时间在1996年。由于K5在开发上遇到了问题，其上市时间比英特尔的Pentium晚了许多，再加上性能不好，这个不成功的产品一度使得AMD的市场份额大量丧失。K5的性能非常一般，整数运算能力不如Cyrix的6x86，但是仍比Pentium略强，浮点运算能力远远比不上Pentium，但稍强于Cyrix。综合来看，K5属于实力比较平均的那一种产品。K5低廉的价格显然比其性能更能吸引消费者，低价是这款CPU最大的卖点。

AMD K6

AMD 自然不甘心Pentium在CPU市场上呼风唤雨，因此它们在1997年又推出了K6。K6这款CPU的设计指标是相当高的，它拥有全新的MMX指令以及64KB L1 Cache（比奔腾MMX多了一倍），整体性能要优于奔腾MMX，接近同主频PⅡ的水平。K6与K5相比，可以平行地处理更多的指令，并运行在更高的时钟频率上。AMD在整数运算方面做得非常成功，K6稍微落后的地方是在运行需要使用到MMX或浮点运算的应用程序方面，比起同样频率的Pentium 要差许多。

K6拥有32KB数据L1 Cache,32KB指令L1 Cache,集成了880万个晶体管,采用0.35微米技术,五层CMOS,C4工艺反装晶片,内核面积168平方毫米(新产品为68平方毫米),使用Socket7架构。

Cyrix 6x86/MX

Cyrix 也算是一家老资格的CPU开发商了，早在x86时代，它和英特尔，AMD就形成了三雄并立的局面。

自从Cyrix与美国国家半导体公司合并后，使它终于拥有了自己的芯片生产线，成品也日益完善和完备。Cyrix的6x86是投放到市场上与Pentium兼容的微处理器。

IDT WinChip

美国IDT公司（Integrated Device Technology）作为新加入此领域的CPU生产厂商，在1997年推出的第一个微微处理器产品是WinChip（即C6），在整个CPU市场上所占的份额还不足1%。1998年5月，IDT宣布了它的第二代产品WinChip 2 。

WinChip 2在原有WinChip的基础上作了一些改进，增加了一个双指令的MMX单元，增强了浮点运算功能。改进后的WinChip 2比相同频率的WinChip性能提高约10%，基本达到Intel Pentium微处理器的性能。

Intel PentiumⅡ

1997年～1998年是CPU市场竞争异常激烈的一年，这一时期的CPU芯片异彩纷呈，令人目不暇接。

PentiumⅡ的中文名称叫“奔腾二代”，它有Klamath、Deschutes、Mendocino、Katmai等几种不同核心结构的系列产品，其中第一代采用Klamath核心，0.35微米工艺制造，内部集成750万个晶体管，核心工作电压为2.8V。

PentiumⅡ微处理器采用了双重独立总线结构，即其中一条总线连通二级缓存，另一条负责主要内存。PentiumⅡ使用了一种脱离芯片的外部高速L2 Cache，容量为512KB，并以CPU主频的一半速度运行。作为一种补偿，英特尔将PentiumⅡ的L1 Cache从16KB增至32KB。另外，为了打败竞争对手，英特尔第一次在PentiumⅡ中采用了具有专利权保护的Slot 1接口标准和SECC(单边接触盒)封装技术。

1998年4月16日，英特尔第一个支持100MHz额定外频的、代号为Deschutes的350、400MHz CPU正式推出。采用新核心的PentiumⅡ微处理器不但外频提升至100MHz，而且它们采用0.25微米工艺制造，其核心工作电压也由2.8V降至2.0V，L1 Cache和L2 Cache分别是32KB、512KB。支持芯片组主要是Intel的440BX。

在1998年至1999年间，英特尔公司推出了比PentiumⅡ功能更强大的CPU--Xeon（至强微处理器）。该款微处理器采用的核心和PentiumⅡ差不多，0.25微米制造工艺，支持100MHz外频。Xeon最大可配备2MB Cache，并运行在CPU核心频率下，它和PentiumⅡ采用的芯片不同，被称为CSRAM（Custom StaticRAM,定制静态存储器）。除此之外，它支持八个CPU系统；使用36位内存地址和PSE模式（PSE36模式），最大800MB/s的内存带宽。Xeon微处理器主要面向对性能要求更高的服务器和工作站系统，另外，Xeon的接口形式也有所变化，采用了比Slot 1稍大一些的Slot 2架构(可支持四个微处理器)。

Intel Celeron(赛扬)

英特尔为进一步抢占低端市场，于1998年4月推出了一款廉价的CPU—Celeron（中文名叫赛扬）。最初推出的Celeron有266MHz、300MHz两个版本，且都采用Covington核心，0.35微米工艺制造，内部集成1900万个晶体管和32KB一级缓存，工作电压为2.0V，外频66MHz。Celeron与PentiumⅡ相比，去掉了片上的L2 Cache,此举虽然大大降低了成本，但也正因为没有二级缓存，该微处理器在性能上大打折扣，其整数性能甚至不如Pentium MMX。

为弥补缺乏二级缓存的Celeron微处理器性能上的不足，进一步在低端市场上打击竞争对手，英特尔在Celeron266、300推出后不久，又发布了采用Mendocino核心的新Celeron微处理器—Celeron300A、333、366。与旧Celeron不同的是，新Celeron采用0.25微米工艺制造，同时它采用Slot 1架构及SEPP封装形式，内建32KB L1 Cache、128KB L2 Cache，且以CPU相同的核心频率工作，从而大大提高了L2 Cache的工作效率。

AMD K6－2

AMD于1998年4月正式推出了K6－2微处理器。它采用0.25微米工艺制造，芯片面积减小到了68平方毫米，晶体管数目也增加到930万个。另外，K6－2具有64KB L1 Cache，二级缓存集成在主板上，容量从512KB到2MB之间，速度与系统总线频率同步，工作电压为2.2V，支持Socket 7架构。

K6－2是一个K6芯片加上100MHz总线频率和支持3D Now！浮点指令的“结合物”。3D Now！技术是对x86体系的重大突破，它大大加强了处理3D图形和多媒体所需要的密集浮点运算性能。此外，K6－2支持超标量MMX技术，支持100MHz总线频率，这意味着系统与L2缓存和内存的传输率提高近50%，从而大大提高了整个系统的表现。

Cyrix MⅡ

作为Cyrix公司独自研发的最后一款微处理器，Cyrix MⅡ是于1998年3月开始生产的。除了具有6x86本身的特性外,该微处理器还支持MMX指令，其核心电压为2.9V，具有256字节指令;3.5X倍频;核心内集成650万个晶体管,功耗20.6瓦；64KB一级缓存。

Rise mp6

Rise公司是一家成立于1993年11月的美国公司，主要生产x86兼容的CPU，在1998年推出了mP6 CPU。mp6不仅价格便宜，而且性能优异，有着很好的多媒体性能和强大的浮点运算。mp6使用Socket 7/Super 7兼容插座，只有16KB的一级缓存。

Intel PentiumⅢ

1999年春节刚过，英特尔公司就发布了采用Katmai核心的新一代微处理器—PentiumⅢ。该微处理器除采用0.25微米工艺制造，内部集成950万个晶体管，Slot 1架构之外，它还具有以下新特点：系统总线频率为100MHz；采用第六代CPU核心—P6微架构，针对32位应用程序进行优化，双重独立总线；一级缓存为32KB(16KB指令缓存加16KB数据缓存)，二级缓存大小为512KB，以CPU核心速度的一半运行；采用SECC2封装形式；新增加了能够增强音频、视频和3D图形效果的SSE(Streaming SIMD Extensions,数据流单指令多数据扩展）指令集，共70条新指令。PentiumⅢ的起始主频速度为450MHz。

和PentiumⅡ Xeon一样，英特尔同样也推出了面向服务器和工作站系统的高性能CPU—PentiumⅢ Xeon至强微处理器。除前期的PentiumⅡ Xeon500、550采用0.25微米技术外，该款微处理器是采用0.18微米工艺制造，Slot 2架构和SECC封装形式，内置32KB一级缓存和512KB二级缓存，工作电压为1.6V。

Intel CeleronⅡ

为进一步巩固低端市场优势，英特尔于2000年3月29日推出了采用Coppermine核心CeleronⅡ。该款微处理器同样采用0.18微米工艺制造，核心集成1900万个晶体管，采用FC－PGA封装形式，它和赛扬Mendocino一样内建128KB和CPU同步运行的L2 Cache，故其内核也称为Coppermine 128。CeleronⅡ不支持多微处理器系统。但是，CeleronⅡ的外频仍然只有66MHz，这在很大程度上限制了其性能的发挥。

AMD K6－Ⅲ

AMD于1999年2月推出了代号为“Sharptooth”(利齿)的K6－Ⅲ，它是该公司最后一款支持Super 7架构和CPGA封装形式的CPU，采用0.25微米制造工艺、内核面积是135平方毫米，集成了2130万个晶体管，工作电压为2.2V/2.4V。 参考技术A CPU的组成：
CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。
各部分的功能：
运算器，即算术逻辑单元是CPU的执行单元，由“与”门和“或”门电路构成，主要功能是进行二位元的算术逻辑运算。
控制器，负责指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号，启动ALU单元完成运算。
寄存器，包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。通用寄存器用来保存指令执行过程中临时存放的寄存器操作数和中间（或最终）的操作结果。专用寄存器是为了执行一些特殊操作所需用的寄存器。
总线，是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信线路，它是由若干条导线组成。按照所传输的信息种类不同，计算机总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。 参考技术B 寄存器和处理系统
对数据进行处理运算
由4位处理器、8、16、32到64位处理器，每秒运算（4……64）

CPU内部组成结构及指令执行过程

计算机的基本硬件系统由运算器、控制器、存储器和输入、输出设备五大部件组成。运算器和控制器等部件被集成在一起统称为中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）。

  CPU的功能

  （1）程序控制

  CPU通过执行指令来控制程序的执行顺序，这是CPU的重要职能。

  （2）操作控制

  一条指令功能的实现需要若干个操作信号来完成，CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号送往不同的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作。

  （3）时间控制

  CPU对各种操作进行时间上的控制，这就是时间控制。CPU对每条指令的整个执行过程要进行严格控制，即指令执行过程中操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序都需要进行严格控制。

  （4）数据处理

  CPU通过对数据进行算术运算及逻辑运算等方式进行加工处理，数据加工处理的结果被人们所利用。所以，对数据的加工处理也是CPU最根本的任务。

  CPU的组成

  CPU主要有运算器、控制器、寄存器组合内部总线等部件组成。

  运算器

  运算器由算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit，ALU），累加寄存器（AC），数据缓冲寄存器（DR），和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件，完成计算机的各种算术和逻辑运算。相对于控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。

  算术逻辑单元（ALU）

  ALU是运算器的重要组成部件，负责处理数据，实现对数据的算术运算和逻辑运算。

  累计寄存器（AC）

  AC通常简称为累计器，它是一个通用寄存器，其功能是当运算器的算术逻辑单元执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。最后的运算结果放到AC中，因此运算器中至少有一个累加寄存器。

  数据缓冲寄存器（DR）

  在对内部存储器进行读写操作时，用DR暂时存放由内存储器读写的一条指令或一个数据字，将不同时间段内读写的数据隔离开来。DR作为CPU和内存、外部设备之间的数据传送中转站；作为CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的缓冲；在单累加器结构的运算器中，DR还可以件作为操作数寄存器。

  状态条件寄存器（PSW）

  PSW保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容，主要分为状态标志和控制标志。这些标志通常由一位触发器保存，保存了当前指令执行完成之后的状态。通常一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。

  控制器

  运算器只能完成运算，而控制器用于控制整个CPU的工作，他决定了计算机运行过程的自动化。它不仅要保证程序的正确执行，而且要能够处理异常事件。控制器一般包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑和中断控制逻辑等几个部分。

  时序控制逻辑要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。总线逻辑是为多个功能部件服务的信息通路控制电路。中断控制逻辑用于控制各种中断请求，并根据优先级的高低对中断请求进行排队，逐个交给CPU处理。

  指令控制逻辑要完成取指令、分析指令和执行指令的操作，其过程分为取指令、指令译码、按指令操作码执行、形成下一条指令等步骤。

  指令寄存器（IR）

  当CPU执行一条指令时，先把它从内存储器取到缓冲寄存器中，在送入IR暂存，指令译码器根据IR的内容产生各种微操作指令，控制其他的组成部件工作，完成所需的功能。

  程序计数器（PC）

  PC具有寄存信息和计数两种功能，又称为指令计数器。程序的执行分为两种情况，一是顺序执行，而是转移执行。当程序开始执行前，将程序的起始地址送入PC，该地址在程序加载到内容是确定，因此PC的内容即是程序第一条指令的地址。执行指令时CPU自动修改PC的内容，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。

  地址寄存器（AR）

  AR保存当前CPU所访问的内存单元的地址。由于内存和CPU存在着操作速度上的差异，所以需要使用AR保持地址信息，知道内存的读写操作完成为止。

  指令译码器（ID）

  指令分为操作码和地址码两部分，为了能执行任何给定的指令，必须对操作码进行分析，以便识别所完成的操作。ID就是对指令中的操作码字段进行分析解释，识别该指令规定的操作，向操作控制器发出具体的控制信号，控制各部件工作，完成所需的功能。

  寄存器组

  寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。运算器和控制器中的寄存器是专用寄存器，起作用是固定的。通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途，其数目因处理器不同有所差异。

  指令执行过程

  MOV指令

  取指阶段：

  程序计数器PC装入第一条指令的地址101，PC的内容被放到指令地址总线上，对指令进行译码并启动读命令。从101号地址读出MOV指令，通过指令总线IBus装入指令寄存器IR，程序计数器PC内容加1，变成102，为下一条指令做好准备。指令寄存器IR中的操作码被译码，CPU识别出是MOV指令，至此取指阶段完成。

  执行阶段：

  操作控制器OC送出控制信号到通用寄存器，选择R1（10）为源寄存器，RO（00）为目标寄存器。OC送出控制信号到ALU，指定ALU做传送操作，打开ALU输出三态门，将ALU输出（10）送的数据总线DBus上，任何时刻DBus上只能有一个数据。将DBus上的数据打入数据缓冲寄存器DR，将DR中的数据打入目标寄存器RO，RO的内容由00变为10至此MOV指令执行完毕。

  LAD指令

  取指阶段：

  LAD指令的取指阶段和MOV指令完全相同。

  执行阶段：

  OC发出控制命令，打开IR输出三态门，将指令中的直接地址码6放到数据总线DBus上，装入地址寄存器AR，将数存6号单元中的数100读出到DBus上，装入缓冲寄存器DR。将DR中的数100装入通用寄存器R1，原来R1中的值10被覆盖，至此LAD指令执行完毕。

  ADD指令

  取指阶段：

  ADD指令的取指阶段和其他指令相同。

  执行阶段：

  操作控制器OC送出控制信号到通用寄存器，选择R1（100）为源寄存器，R2（20）为目标寄存器。ALU做R1和R2的加法运算，打开ALU输出三态门，将运算结果120放到数据总线DBus上，然后打入缓冲寄存器DR。ALU产生的进位信号保存在状态字寄存器PSW中，将DR中数值120装入R2中，R2原来的数20被覆盖。到此ADD指令执行结束。

  STO指令

  取指阶段：

  STO指令的取指阶段和其他指令相同。

  执行阶段：

  操作控制器OC送出控制信号到通用寄存器，选择R3（30）作为数据存储器的地址。打开通用寄存器输出三态门，将地址30放到DBus上并装入地址寄存器AR，并进行地址译码。操作控制器OC送出控制信号到通用寄存器，选择R2（120）作为数存的写入数据放到DBus上。将数值120写入数存30单元，原先的数据40被冲掉。至此STO指令执行结束。

  JMP指令

  取指阶段：

  JMP指令的取指周期和其他指令相同。

  执行阶段：

  OC发出控制命令，打开IR输出三态门，将IR中的地址码101发送到DBus上，将DBus上的地址码101打入到程序计数器PC中，PC中原先的地址106被更换。于是下一条指令不是从106单元取出，而是转移到101单元取出。至此JMP指令执行周期结束。

  以上内容是对于CPU功能、组成以及执行指令的一些总结和整理。

一条指令在cpu中的执行流程（理解CPU组成）

CPU：

1. 寄存器;
2. 控制器CU（Control Unit）:指令寄存器IR(InstructionRegister)、程序计数器PC(ProgramCounter)和操作控制器OC(OperationController);
3. ALU（算数逻辑运算单元），不包括寄存器;
4. 总览

过程详述：

几乎所有的冯·诺伊曼型计算机的CPU，其工作都可以分为5个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存取数、结果写回。

1．取指令阶段

取指令（Instruction Fetch，IF）阶段是将一条指令从主存中取到指令寄存器的过程。

程序计数器PC中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后，PC中的数值将根据指令字长度而自动递增：若为单字长指令，则(PC)+1àPC；若为双字长指令，则(PC)+2àPC，依此类推。

2．指令译码阶段

取出指令后，计算机立即进入指令译码（Instruction Decode，ID）阶段。

在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法。

在组合逻辑控制的计算机中，指令译码器对不同的指令操作码产生不同的控制电位，以形成不同的微操作序列；在微程序控制的计算机中，指令译码器用指令操作码来找到执行该指令的微程序的入口，并从此入口开始执行。

在传统的设计里，CPU中负责指令译码的部分是无法改变的。不过，在众多运用微程序控制技术的新型CPU中，微程序有时是可重写的，可以通过修改成品CPU来改变CPU的译码方式。

3．执行指令阶段

在取指令和指令译码阶段之后，接着进入执行指令（Execute，EX）阶段。

此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。为此，CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。

例如，如果要求完成一个加法运算，算术逻辑单元ALU将被连接到一组输入和一组输出，输入端提供需要相加的数值，输出端将含有最后的运算结果。

4．访存取数阶段

根据指令需要，有可能要访问主存，读取操作数，这样就进入了访存取数（Memory，MEM）阶段。

此阶段的任务是：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。

5．结果写回阶段

作为最后一个阶段，结果写回（Writeback，WB）阶段把执行指令阶段的运行结果数据"写回"到某种存储形式：结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；在有些情况下，结果数据也可被写入相对较慢、但较廉价且容量较大的主存。许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位标识着不同的操作结果，可被用来影响程序的动作。

在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就接着从程序计数器PC中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令。

许多新型CPU可以同时取出、译码和执行多条指令，体现并行处理的特性。