一些处理器型号及其架构

Intel 80x86 处理器

美国 Intel 公司是目前世界上最有影响的处理器生产厂家,也是世界上第一个微处理器芯片的生产厂家,Intel 80x86系列处理器一直是个人计算机的主流处理器。

1、16位80x86处理器

1971年,Intel 公司生产的4位处理器芯片Intel 4004宣告了微型计算机时代的到来.1972年,Intel 公司开发了8位处理器Intel 8008芯片;1974年,生产了Intel 8080;1977年,Intel 公司将8080及其支持电路集成在一块集成电路芯片上,形成了性能更高的8位处理器8085。1978年,Intel 公司在其8位处理器的基础上,陆续推出了16位结构的8086、8088和80286等处理器:它们在IBMPC系列机中获得广泛应用,被称为16位80×86处理器。

(1)8086

1978年,Intel 推出16位8086处理器,这是该公司生产的第一个16位结构处理器芯片。8086芯片的对外引脚共有40个,其中包括16位数据总线、20位地址总线,支持1MB主存容量、5MIHz时钟频率。8086指令系统是Intel 80x86系列处理器的16位基本指令集。

为了方便与当时的8位外部设备连接,1979年,Intel 推出了被称为“准16位处理器”的Intel 8088。8088只是将外部数据总线设计为8位,内部仍保持16位结构,指令系统等都与8086相同。随后的Intel 80186和Intel 80188则是分别以8086和8088为核心并配以支持电路构成的芯片,它们在8086指令系统的基础上新增了若干条实用指令,涉及堆栈操作、输入输出指令、移位指令、乘法指令、支持高级语言的指令。

(2)80286

1982年,Intel 推出仍为16位结构的Intel 80286处理器,但地址总线扩展为24位,即主存储器具有16MB容量。Intel 80286设计有与8086工作方式一样的实方式(Real Mode),新增保护方式(Protected Mode)。在实方式下,Intel 80286相当于一个快速8086。在保护方式下,Intel 80286提供了存储管理、保护机制和多任务管理的硬件支持。为了支持保护方式,80286引入了系统指令,为操作系统等核心程序提供处理器控制功能。

2、IA-32处理器

IBM PC系列机的广泛应用推动了处理器芯片的生产。Intel 公司在推出32位结构的8038处理器后,明确宣布Intel 80386芯片的指令集结构ISA(Instruction Set Architecture)被确定为以后开发的80x86系列处理器的标准,称为Intel 32位结构IA-32 (Intel Archicecture-32)。现在,Intel公司的80386、80486 及 Pentium 各代处理器被通称为 IA-32 处理器或32位 80x86 处理器。

(1)80386

1985年,Intel 80x86处理器进入第3代80386时代。Intel 80386处理器采用32位结构,数据总线32位,地址总线也是32位,可寻址4GB主存,时钟频率有16MHz、25MHz和33MHz。IA-32指令系统在兼容原16位80286指令系统基础上,全面升级为32位,新增了位操作、条件设置等指令。

80386除保持与Intel 80286兼容外,又提供了虚拟8086工作方式(Virtual8086Mode)。虚拟8086方式是在保护方式下的一种特殊状态,类似8086工作方式但又接受保护方式的管理,能够模拟多个8086处理器。32位PC的Windows操作系统采用保护方式,其MS-DOS命令行(环境)就是虚拟8086方式,而早期采用的DOS操作系统是以实方式为基础建立的。

(2)80486

1989年,Intel 公司出品80486处理器。它内部集成了120万个晶体管,最初的时钟频率为25MHz,很快发展到33MHz和50MHz。从结构上来说,Intel 80486把Intel 80386处理器与80387数学协处理器和8KB高速缓冲存储器(Cache)集成在一个芯片上,使处理器的性能大大提高。

传统上,CPU主要是整数处理器。为了协助处理器处理浮点数据(实数),Intel 设计有数学协处理器,后被称为浮点处理单元FPU(Floating-Point Unit)。配合8086和8088整数处理器的数学协处理器是8087,配合80286的是80287,80386采用80387。而从Intel 80486开始,FPU 已经被集成到一个处理器当中,IA-32处理器的指令系统就包含了浮点指令,能够直接支持对浮点数据的处理。

(3)Pentium系列

Pentium芯片原来应该被称为80586处理器,因为数字很难进行商标版权保护而特意取名.其实,Pentium源于希腊文“pente”(数字5),加上后经-ium(化学元素周期表中命名元素常用的后级)变化而来的。同时,Intel 公司为其取了一个响亮的中文名称:奔腾,并进行了商标注册,形成了系列产品。

Intel 公司于1993年成功制造Pentium,于1995年正式推出PentiumPro(原来被称为P6,中文名称为“高能奔腾”)。在处理器结构上,Pentium主要引入了超标量(Superscalar)技术,Pentium Pro主要采用动态执行技术来提升处理器性能,增加了若干整数指令,完善了浮点指令。

前面所述的各代IA-32处理器都新增有若干实用指令,但非常有限。为了顺应微机向多媒体和通信方向发展,Intel 公司及时在其处理器中加入了多媒体扩展MMX(MutliMediaextension)技术。MMX技术于1996年正式公布,在IA-32指令系统中新增了57条整数运算多媒体指令,可以用这些指令对图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化,使微机对多媒体的处理能力较原来有了大幅度提升。MMX指令应用于Pentium处理器就是Pentium MMX(多能奔腾)。MMX指令应用于Pentium Pro处理器就是Pentium Ⅱ,它于1997年推出。

1999年,针对国际互联网和三维多媒体程序的应用要求,Imtel在PentumIⅡ的基础上新增了70条SSE (Streaming SIMD Extensions)指令(原称为MMX-2指令),开发了PentiumIlI。SSE指令侧重于浮点单精度多媒体运算,极大地提高了浮点3D数据的处理能力。SSE指令类似于AMD公司发布的“3D Now!”指令。由于这些多媒体指令具有显著的单指令多数据SIMD(Single Instruction Multiple Data)处理能力,即一条指令可以同时进行多组数据的操作,现在统称为SIMD指令。

2000年1月,Intel 公司推出Pentium4,新增76条SE2指令集,侧重于增强浮点双精度多媒体运算能力。2003年的新一代Pentium4处理器又新增了13条SSE3指令,用于补充完善SIMD指令集。

3、Intel 64处理器

随着互联网、多媒体、3D视频等的发展,信息时代的应用对计算机性能提出了越来越高的要求,32位单核处理器已不能适应这一要求。

(1)Intel 64 结构

一直以来,80x86处理器的更新换代都保持与早期处理器的兼容,以便继续使用现有的软使件资源。但是,Intel 公司迟迟不愿将80x86处理器扩展为64位,这给了AMD公司一个机会。AMD公司是生产IA-32处理器兼答芯片的厂商,是Intel 公司最主要的竞争对手。AMD公司的IA-32兼容处理器,其价格低于Intel 芯片,但性能却没有超越对应的Intel 芯片。于是,AMD公司于2003年9月率先推出支持64位、兼容80×86指令集结构的Athlon64处理器(K8核心),将桌面PC引入了64位领域。

2005年,在PC用户对64位技术的企盼和AMD公司64位处理器的压力下,Intel 公司推出了扩展存储器64位技术el EM64T(Intel Extended Memory 64 Technology)。EM64T技术是IA-32结构的64位扩展,首先应用于支持超线程技术的Pentium4终极版(支持双核技术)和6xx系列Pentium4处理器。随着EM64T技术的出现,IA.32指令系统也扩展成为64位,后来被称为Intel 64结构。这之后的Pentium4处理器以及PentiumE系列多核处理器、酷睿(Core)2和酷睿i系列多核处理器等都支持Intel 64结构。

Intel 64位结构为软件提供了64位线性地址空间,支持40位物理地址空间。IA-32处理器支持保护方式(含虚拟8086方式)、实地址方式和系统管理SMM方式,Intel 64位结构则引入了一个新的工作方式:32位扩展工作方式IA-32e。IA-32e除有一个运行32位和16位软件的兼容方式,还有一个64位方式。在64位工作方式,允许64位操作系统运行存取64位地址空间的应用程序,还可以存取8个附加的通用寄存器、8个附加的SIMD多媒体寄存器、64位通用寄存器和64位指令指针等。

(2)多核技术

单纯提高时钟频率等传统的增加处理器复杂度的方法不仅很难提升处理器性能,还带来功耗剧增、发热量巨大的问题。在这种情况下,多核(Multi-core)技术应运而生。多核处理器是在一个集成电路芯片上制作了两个或多个处理器执行核心,依靠多个处理器核心相互协作同时执行多个程序线程来提升性能。基于不同的处理器内部结构,Intel 也推出了多款多核处理器,如Iel奔腾E系列多核处理器、酷密2和储答;系列多核处理器。

另一方面,Intel 公司继续丰富了SSE系列指令集,酷睿2补充了SSE3指令(即32条SSSE3指令),后又推出增加了54条指令的SSE4指令集。其中47条指令引入到了Intel 面向服务器领域的至强(Xeon)5400系列和酷睿2至尊版QX9650,被称为SSE4.1指令,致力于提升多媒体、3D处理等的性能;其余7条指令被称为SSE4.2指令。

Intel 公司充分利用集成电路生产的先进技术和处理器结构的革新技术,推出了多种Intel 80x86系列处理器芯片。就目前的发展来看,Intel 公司正在利用单芯片多处理器技术生产双核、四核等多核处理器,并推广支持64位处理器和64位软件的微机。

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