微處理器（英語：Microprocessor,縮寫：μP或uP）是可編程化特殊集成電路。一種處理器,其所有組件小型化至一塊或數塊集成電路內。一種集成電路,可在其一端或多端接受編碼指令,執行此指令并輸出描述其狀態的信號。這些指令能在內部輸入、集中或存放起來。又稱半導體中央處理機（CPU）,是微型計算機的一個主要部件。微處理器的組件常安裝在一個單片上或在同一組件內,但有時分布在一些不同芯片上。在具有固定指令集的微型計算機中,微處理器由算術邏輯單元和控制邏輯單元組成。在具有微程序控制的指令集的微型計算機中,它包含另外的控制存儲單元（源自：英漢雙解計算機字典）。用作處理通用數據時,叫作中央處理器。這也是最為人所知的應用（如：Intel Pentium CPU）；專用于作圖像數據處理的,叫作Graphics Processing Unit圖形處理器（如Nvidia GeForce 7X0 GPU）；用于音頻數據處理的,叫作Audio Processing Unit音頻處理單元（如Creative emu10k1 APU）等等。物理性來說,它就是一塊集成了數量龐大的微型晶體管與其他電子組件的半導體集成電路芯片。

之所以會稱為微處理器,并不只是因為它比迷你電腦所用的處理器還要小而已。最主要的原因,還是因為當初各大芯片廠之制程,已經進入了1 微米的階段,用1 微米的制程,所產制出來的處理器芯片,廠商就會在產品名稱上用“微”字,強調他們很高科技。就如同現在的許多商業廣告一樣,很喜歡用“奈米”字眼。

早在微處理器問世之前,電子計算機的中央處理單元就經歷了從真空管到晶體管以及再后來的離散式TTL集成電路等幾個重要階段。甚至在電子計算機以前,還出現過以齒輪、輪軸和杠桿為基礎的機械結構計算機。文藝復興時期的著名畫家兼科學家列奧納多·達·芬奇就曾做過類似的設計[來源請求],但那個時代落后的制造技術根本沒有能力將這個設計付諸實現。微處理器的發明使得復雜的電路群得以制成單一的電子組件。

昨天,英特爾宣布推出為高密度微型服務器以及新級別節能存儲和網絡設備打造的凌動(Atom)S1200產品家族,同時這也是全球首個低功耗64位服務器級系統芯片(SoC)。該家族目前包含三款新品(S1220/S1240/S1260),最低功耗僅為6瓦,處理器主頻為1.6GHz。

面對這一戰略性舉動,英特爾副總裁兼數據中心與互聯系統事業部總經理柏安娜表示：“數據中心正在不斷演變成為一個獨特的細分市場,英特爾將繼續引領這一發展趨勢。幾年前,我們就意識到市場對新型高密度高能效比服務器和其它數據中心設備的需求。”

英特爾為何要推出基于凌動平臺的微處理器,它將如何平衡凌動和至強兩大產品平臺之間的關系；英特爾微服務器與競爭對手相比,有哪些獨特的優勢,產業鏈的支持能力如何；其后續產品技術路線圖又將怎樣,帶著這些問題,中國聯保網編輯對英特爾存儲產品市場經理亢海峰進行了專訪。

無關競爭對手 面向三大類市場

在亢海峰看來,英特爾之所以推出超低功耗的微服務器,與ARM進入服務器市場并沒有必然關聯。“多樣化的IT使用場景和不同的工作負載,才是英特爾進入微服務器市場的最根本因素。”

亢海峰簡略的將IT應用分為三個場景：首先是企業級應用,非常看重IT基礎設施的可用性、可靠性、高效率和易用性；其次是科學計算,更加強調性能和浮點計算能力,而對于功耗和TCO等的需求沒有計算能力需求那么強烈；第三是云服務提供商,與前兩者應用場景不同的是,IT不再是支撐手段而是核心業務,這類客戶非常看重TCO,需要在成本收入、性能功耗等方面找到平衡。

“而從工作負載角度來看,之前業界主要簡略劃分為處理器密集型、內存密集型和IO密集型,”亢海峰說,“其實還有一種類型是節點密集型,強調的是高密度和多節點,特別是滿足輕量級橫向可擴展的工作負載。比如對于云服務提供商而言,通過部署高密度多節點的IT基礎設施,可以服務于更多的有需求的用戶,因為很多用戶并不愿意采用多租戶模式。”

在他看來,英特爾微處理器主要面向專用主機托管、存儲和網絡交換市場。“采用傳統的服務器芯片,單機柜的節點數量是有限的,而采用微服務器芯片單機柜節點數量將會超過1000個,可以滿足主機托管市場需求；在存儲方面,則主要面向入門級中低端存儲和大數據,未來我們會對所有數據做歸檔,具備計算能力的存儲節點將會優于磁帶存儲；在網絡交換方面,微處理器同樣是面向入門級產品。”

生態系統延伸 至強凌動和平共處

其實,英特爾早在數年之前就開始關注低功耗服務器,并對至強E3產品家族進行了擴展。那么至強E3和凌動微服務器是否會有沖突呢？

亢海峰表示,雖然至強E3和凌動微服務器都是面向低功耗市場,但兩者之間還是有明顯的區別。至強E3和凌動微服務器主要追求的是性能和功耗的平衡,E3突出效能,而凌動微服務器則突出高密度。

目前E3低功耗服務器的功耗在17瓦到45瓦之間,而凌動則在6瓦到8瓦。從兩個平臺的技術路線圖來看,E3和凌動都將在明年引入22納米制程工藝,2014年引入14納米。

亢海峰不斷強調新推出的凌動S1200是數據中心級產品：英特爾凌動微處理器可確保服務器級的可靠性和可管理性,同時大幅降低總成本。具備2顆物理內核,可通過使用英特爾超線程技術共支持4條線程。同時它還包括64位支持、支持最多可達8GB DDR3內存的內存控制器、英特爾虛擬化技術(Intel VT)、8個 PCI Express 2.0通道、可提高可靠性的錯誤代碼糾正(ECC)支持,以及與英特爾芯片組集成的其它I/O接口。

其實,我們不難發現英特爾凌動S1200系列芯片與競爭對手相比,還有一個非常大的特征,就是完全兼容數據中心常用的x86軟件。“這將使集成新的低功率設備成為可能,并且避免導入和維護新軟件棧的額外投資。要知道,軟件測試與平臺移植的成本是非常高的。”英特爾凌動S1200系列處理器在12月11日開始向用戶出貨,建議起始零售價為每千顆54美元。

微處理器用一片或少數幾片大規模集成電路組成的中央處理器。這些電路執行控制部件和算術邏

輯部件的功能。微處理器與傳統的中央處理器相比,具有體積小、重量輕和容易模塊化等優點。

微處理器的基本組成部分有：寄存器堆、運算器、時序控制電路,以及數據和地址總線。微處理器能完成取指令、執行指令,以及與外界存儲器和邏輯部件交換信息等操作,是微型計算機的運算控制部分。它可與存儲器和外圍電路芯片組成微型計算機。

自從人類1947年發明晶體管以來,50多年間半導體技術經歷了硅晶體管、

集成電路、超大規模集成電路、甚大規模集成電路等幾代,發展速度之快是其他產業所沒有的。半導體技術對整個社會產生了廣泛的影響,因此被稱為“產業的種子”。中央處理器是指計算機內部對數據進行處理并對處理過程進行控制的部件,伴隨著大規模集成電路技術的迅速發展,芯片集成密度越來越高,CPU可以集成在一個半導體芯片上,這種具有中央處理器功能的大規模集成電路器件,被統稱為“微處理器”。

微處理器由算術邏輯單元（ALU,Arithmetic Logical Unit）；累加器和通用寄存器組；程序計數器（也叫指令指標器）；時序和控制邏輯部件；數據與地址鎖存器/緩沖器；內部總線組成。其中運算器和控制器是其主要組成部分.

算術邏輯單元

算術邏輯單元ALU主要完成算術運算（+,－、×、÷、比較）和各種邏輯運算（與、或、非、異或、移位）等操作。ALU是組合電路,本身無寄存操作數的功能,因而必須有保存操作數的兩個寄存器：暫存器TMP和累加器AC,累加器既向ALU提供操作數,又接收ALU的運算結果。

寄存器陣列實際上相當于微處理器內部的RAM,它包括通用寄存器組和專用寄存器組兩部分,通用寄存器（A,B,C,D）用來存放參加運算的數據、中間結果或地址。它們一般均可作為兩個8位的寄存器來使用。處理器內部有了這些寄存器之后,就可避免頻繁地訪問存儲器,可縮短指令長度和指令執行時間,提

高機器的運行速度,也給編程帶來方便。專用寄存器包括程序計數器PC、堆棧指示器SP和標志寄存器FR,它們的作用是固定的,用來存放地址或地址基值。其中：

A、程序計數器PC用來存放下一條要執行的指令地址,因而它控制著程序的執行順序。在順序執行指令的條件下,每取出指令的一個字節,PC的內容自動加1。當程序發生轉移時,就必須把新的指令地址（目標地址）裝入PC,這通常由轉移指令來實現。

B、堆棧指示器SP用來存放棧頂地址。堆棧是存儲器中的一個特定區域。它按“后進先出”方式工作,當新的數據壓入堆棧時,棧中原存信息不變,只改變棧頂位置,當數據從棧彈出時,彈出的是棧頂位置的數據,彈出后自動調正棧頂位置。也就是說,數據在進行壓棧、出棧操作時,總是在棧頂進行。堆棧一旦初始化（即確定了棧底在內存中的位置）后,SP的內容（即棧頂位置）使由CPU自動管理。

C、標志寄存器也稱程序狀態字（PSW）寄存器,用來存放算術、邏輯運算指令執行后的結果特征,如結果為0時,產生進位或溢出標志等。

定時與控制邏輯是微處理器的核心控制部件,負責對整個計算機進行控制、包括從存儲器中取指令,分析指令（即指令譯碼）確定指令操作和操作數地址,取操作數,執行指令規定的操作,送運算結果到存儲器或I/O端口等。它還向微機的其它各部件發出相應的控制信號,使CPU內、外各部件間協調工作。

內部總線用來連接微處理器的各功能部件并傳送微處理器內部的數據和控制信號。

必須指出,微處理器本身并不能單獨構成一個獨立的工作系統,也不能獨立地執行程序,必須配上存儲器、輸入輸出設備構成一個完整的微型計算機后才能獨立工作。

存儲器

微型計算機的存儲器用來存放當前正在使用的或經常使用的程序和數據。存儲器按讀、寫方式分為隨機存儲器RAM（Random Access Memory）和只讀存儲器ROM（Read only Memory）。RAM也稱為讀/寫存儲器,工作過程中CPU可根據需要隨時對其內容進行讀或寫操作。RAM是易失性存儲器,即其內容在斷電后會全部丟失,因而只能存放暫時性的程序和數據。ROM的內容只能讀出不能寫入,斷電后其所存信息仍保留不變,是非易失性存儲器。所以ROM常用來存放永久件的程序和數據。如初始導引程序、監控程序、操作系統中的基本輸入、輸出管理程序BIOS等。

輸入/輸出接口電路I/O接口

輸入/輸出接口電路是微型計算機的重要組成部件。他是微型計算機連接外部輸入、輸出設備及各種控制對象并與外界進行信息交換的邏輯控制電路。由于外設的結構、工作速度、信號形式和數據格式等各不相同,因此它們不能直接掛接到系統總線上,必須用輸入/輸出接口電路來做中間轉換,才能實現與CPU間的信息交換。I/O接口也稱I/O適配器,不同的外設必須配備不同的I/O適配器。I/O接口電路是微機應用系統必不可少的重要組成部分。任何一個微機應用系統的研制和設計,實際上主要是I/O接口的研制和設計。因此I/O接口技術是本課程討論的重要內容之一,我們將在第八章中詳細介紹。

總線BUS

總線是計算機系統中各部件之間傳送信息的公共通道,是微型計算機的重要組成部件。它由若干條通信線和起驅動,隔離作用的各種三態門器件組成。微型計算機在結構形式上總是采用總線結構,即構成微機的各功能部件（微處理器、存儲器、I/O接口電路等）之間通過總線相連接,這是微型計算機系統結構上的獨特之處。采用總線結構之后,使系統中各功能部件間的相互關系轉變為各部件面向總線的單一關系,一個部件（功能板/卡）只要符合總線標準,就可以連接到采用這種總線標準的系統中,從而使系統功能擴充或更新容易、結構簡單、可靠性大大提高。在微型計算機中,根據他們所處位置和應用場合,總線可被分為以下四級。

1、片內總線：它位于微處理器芯片內部,故稱為芯片內部總線。用于微處理器內部ALU和各種寄存器等部件間的互連及信息傳送（如圖1.3中的內部總線就是片內總線）。由于受芯片面積及對外引腳數的限制,片內總線大多采用單總線結構,這有利于芯片集成度和成品率的提高,如果要求加快內部數據傳送速度,也可采用雙總線或三總線結構。

2、片總線：片總線又稱元件級（芯片級）總線或局部總線。微機主板、單扳機以及其它一些插件板、卡（如各種I/O接口板/卡）,它們本身就是一個完整的子系統,板/卡上包含有CPU,RAM,ROM,I/O接口等各種芯片,這些芯片間也是通過總線來連接的,因為這有利于簡化結構,減少連線,提高可靠性,方便信息的傳送與控制。通常把各種板、卡上實現芯片間相互連接的總線稱為片總線或元件級總線。

相對于一臺完整的微型計算機來說,各種板/卡只是一個子系統,是一個局部,故又把片總線稱為局部總線,而把用于連接微機各功能部件插卡的總線稱為系統總線。局部總線是一個重要的概念,我們將在第七章中討論。

3、內總線：內總線又稱系統總線或板級總線。因為該總線是用來連接微機各功能部件而構成一個完整微機系統的,如圖1.2中所示,所以稱之為系統總線。系統總線是微機系統中最重要的總線,人們平常所說的微機總線就是指系統總線,如PC總線、AT總線（ISA總線）、PCI總線等。系統總線是我們要討論的重點內容之一。

系統總線上傳送的信息包括數據信息、地址信息、控制信息,因此,系統總線包含有三種不同功能的總線,即數據總線DB（Data Bus）、地址總線AB（Address Bus）和控制總線CB（Control Bus）,如圖1.2中所示。

數據總線DB用于傳送數據信息。數據總線是雙向三態形式的總線,即他既可以把CPU的數據傳送到存儲器或I/O接口等其它部件,也可以將其它部件的數據傳送到CPU。數據總線的位數是微型計算機的一個重要指標,通常與微處理的字長相一致。例如Intel 8086微處理器字長16位,其數據總線寬度也是16位。需要指出的是,數據的含義是廣義的,它可以是真正的數據,也可以指令代碼或狀態信息,有時甚至是一個控制信息,因此,在實際工作中,數據總線上傳送的并不一定僅僅是真正意義上的數據。

地址總線AB是專門用來傳送地址的,由于地址只能從CPU傳向外部存儲器或I/O端口,所以地址總線總是單向三態的,這與數據總線不同。地址總線的位數決定了CPU可直接尋址的內存空間大小,比如8位微機的地址總線為16位,則其最大可尋址空間為216=64KB,16位微型機的地址總線為20位,其可尋址空間為220=1MB。一般來說,若地址總線為n位,則可尋址空間為2n字節。

控制總線CB用來傳送控制信號和時序信號。控制信號中,有的是微處理器送往存儲器和I/O接口電路的,如讀/寫信號,片選信號、中斷響應信號等；也有是其它部件反饋給CPU的,比如：中斷申請信號、復位信號、總線請求信號、限備就緒信號等。因此,控制總線的傳送方向由具體控制信號而定,一般是雙向的,控制總線的位數要根據系統的實際控制需要而定。實際上控制總線的具體情況主要取決于CPU。

4、外總線：也稱通信總線。用于兩個系統之間的連接與通信,如兩臺微機系統之間、微機系統與其他電子儀器或電子設備之間的通信。常用的通信總線有IEEE-488總線,VXI總線和RS-232串行總線等。外總線不是微機系統本身固有的,只有微型機應用系統中才有。

根據微處理器的應用領域,微處理器大致可以分為三類：通用高性能微處理器、嵌入式微處理器和數字信號處理器、微控制器。一般而言,通用處理器追求高性能,它們用于運行通用軟件,配備完備、復雜的操作系統；嵌入式微處理器強調處理特定應用問題的高性能,主要用于運行面向特定領域的專用程序,配備輕量級操作系統,主要用于蜂窩電話、CD播放機等消費類家電；微控制器價位相對較低,在微處理器市場上需求量最大,主要用于汽車、空調、自動機械等領域的自控設備。

CPU是Central Processing Unit（中央微處理器）的縮寫,它是計算機中最重要的一個部分,由運算器和控制器組成。如果把計算機比作人,那么CPU就是人的大腦。CPU的發展非常迅速,個人電腦從8088(XT)發展到現在的Pentium 4時代,只經過了不到二十年的時間。

從生產技術來說,最初的8088集成了29000個晶體管,而PentiumⅢ的集成度超過了2810萬個晶體管；CPU的運行速度,以MIPS(百萬個指令每秒)為單位,8088是0.75MIPS,到高能奔騰時已超過了1000MIPS。不管什么樣的CPU,其內部結構歸納起來都可以分為控制單元、邏輯單元和存儲單元三大部分,這三個部分相互協調,對命令和數據進行分析、判斷、運算并控制計算機各部分協調工作。

CPU從最初發展至今已經有二十多年的歷史了,這期間,按照其處理信息的字長,

CPU可以分為：4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器以及最新的64位微處理器,可以說個人電腦的發展是隨著CPU的發展而前進的。

微機是指以大規模、超大規模集成電路為主要部件,以集成了計算機主要部件——控制器和運算器的微處理器MP（Micro Processor）為核心,所構造出的計算系經過30多年的發展,微處理器的發展大致可分為：

第一代微處理器1971—1973年

通常以字長是4位或8位微處理器,典型的是美國 Intel 4004和Intel 8008微處理器。Intel 4004是一種4位微處理器,可進行4位二進制的并行運算,它有45條指令,速度0.05MIPs（Million Instruction Per Second,每秒百萬條指令）。Intel 4004的功能有限,主要用于計算器、電動打字機、照相機、臺秤、電視機等家用電器上,使這些電器設備具有智能化,從而提高它們的性能。Intel 8008是世界上第一種8位的微處理器。存儲器采用PMOS工藝。該階段計算機工作速度較慢,微處理器的指令系統不完整,存儲器容量很小,只有幾百字節,沒有操作系統,只有匯編語言。主要用于工業儀表、過程控制。

第二代微處理器1974—1977年

典型的微處理器有Intel 8080/8085,Zilog公司的Z80和Motorola公司的M6800。與第一代微處理器相比,集成度提高了1～4倍,運算速度提高了10～15倍,指令系統相對比較完善,已具備典型的計算機體系結構及中斷、直接存儲器存取等功能。存儲容量達64KB,配有熒光屏顯示器、鍵盤、軟盤驅動器等設備構成。

第三代微處理器1978—1984年

1978 年,Intel公司率先推出16位微處理器8086,同時,為了方便原來的8位機用戶,Intel公司又提出了一種準16位微處理器8088。在Intel公司推出8086、8088 CPU之后,各公司也相繼推出了同類的產品,有Zilog公司Z8000和Motorola公司的M68000等。16位微處理器比8位微處理器有更大的尋址空間、更強的運算能力、更快的處理速度和更完善的指令系統。所以,16位微處理器已能夠替代部分小型機的功能,特別在單任務、單用戶的系統中,8086等16位微處理器更是得到了廣泛的應用。1982年,Intel公司又推出16位高級微處理器80286。微處理器采用短溝道高性能NMOS工藝。在體系結構方面吸納了傳統小型機甚至大型機的設計思想,如虛擬存儲和存儲保護等,時鐘頻率提高到5～25MHz。在20世紀80年代中、后期至1991年初,80286一直是微機的駐留CPU。

第四代微處理器

1985年,Intel公司推出了第四代微處理器80386。它是一種與8086向上兼容的32位微處理器80386,它具32位的數據總線和32位的地址總線,存儲器可尋址空間達4GB,運算速度達到每秒300～400萬條指令,即3～4MPIS。CPU內部采用6級流水線結構,使用二級存儲器管理方式,支持帶有存儲器保護的虛擬存儲機制。隨著集成電路工藝水平的進一步提高,1989年,Intel公司又推出了性能更高的32位微處理器80486,在芯片上集成約120萬個晶體管,是80386的4倍,80486由3個部件組成：一個是80386體系結構的主處理器,一個是與80387兼容的數字協處理器和一個8KB容量的高速緩沖存儲器,并采用了RISC（精簡指令集計算機）技術和突發總線技術,提高了速度,在相同頻率下,80486的處理速度一般比80386快2～4倍。以這些高性能32位微處理器為CPU構成的微機的性能指標已達到或超過當時的高檔小型機甚至大型機的水平,被稱為高檔或超級微機。同期推出的產品還有MC68040和NEC公司的V80,

第五代微處理器

1993年,Intel公司推出了第五代微處理器Pentium（中文譯名為奔騰）。Pentium微處理器的推出使微處理器的技術發展到了一個嶄新的階段,標志著微處理器完成從CISC向RISC 時代的過渡,也標志著微處理器向工作站和超級小型機沖擊的開始。

亞微米CMOS工藝,它具有64位的數據總線和32位的地址總線,CPU內部采用超標量流水線設計,Pentium芯片內采用雙Cache結構（指令Cache和數據Cache）,每個Cache容量為8KB,數據寬度為32位,數據Cache采用回寫技術,大大節省了處理時間。Pentium 處理器為了提高浮點運算速度,采用8級流水線和部分指令固化技術,芯片內設置分支目標緩沖器（BTB）,可動態預測分支程序的指令流向,節省了CPU判別分支的時間,大大提高了處理速度。Pentium系列處理器有多種工作頻率,工作在60MHz和66MHz時,其速度可達每秒1億條指令。同期推出的第五代微處理器還有IBM、Apple和Motorola這3家公司聯盟PowerPC（這是一種完全的RISC微處理器）,以及AMD公司的K5和Cyrix公司的M1等。

第六代微處理器

1996年Intel公司將其第六代微處理器正式命名為Pentium Pro（奔騰）。該處理器的集成電路采用了0.35的工藝,時鐘頻率為200MHz,在處理方面,Pentium Pro引入了新的指令執行方式,其內部核心是PISC處理器,運算速度達200MIPs。Pentium Pro允許在一個系統里安裝4個處理器,因此,Pentium Pro最合適的位置是作為高性能服務器和工作 站。

2001年Intel公司發布了Itanium（安騰）處理器。Itanium處理器是Intel公司第一款64位元的產品。這是為頂級、企業級服務器及工作站設計的,在Itanium處理器中體現了一種全新的設計思想,完全是基于平行并發計算而設計（EPIC）。對于最苛求性能的企業或者需要高性能運算功能支持的應用（包括電子交易安全處理、超大型數據庫、計算機輔助機械引擎、尖端科學運算等）而言,Itanium處理器基本是計算機處理器中唯一的選擇。

2002年Intel公司發布了Itanium2處理器。代號為McKinley的Itanium2處理器是Intel公司的第二代64位系列產品,Itanium2處理器是以Itanium架構為基礎建立與擴充的產品,可與專為第一代Itanium處理器優化編譯的應用程序兼容,并大幅提升了50%～100%的效能。Itanium2處理器系列以低成本與更高效能,提供高階服務器與工作站各種平臺與應用支持。

第七代微處理器

1999年,AMD推出了世界上第一款第七代微處理器,取名為速龍MP處理器,可支持高性能多處理器平臺的服務器及工作站。新一代的應用程序需要一個穩定可靠的操作環境進行大量的運算,AMD速龍 MP處理器可以滿足這類應用軟件的需要。

2000年11月,Intel也推出了他的第七代微處理器：奔騰4（Pentium 4,或簡稱奔4或P4）,這一新的架構稱做NetBurst。Pentium 4有著非常快速到400MHz的前端總線,之后更有提升到533MHz、800MHz。它其實是一個為100MHz的四條并列總線(100Mhz x4 并列),因此理論上它可以傳送比一般總線多四倍的容量,所以號稱有400MHz的速度。

初期CPU

Intel 4004

1971年,英特爾公司推出了世界上第一款微處理器4004,這是第一個可用于微型計算機的四位微處理器,它包含2300個晶體管。隨后英特爾又推出了8008,由于運算性能很差,其市場反應十分不理想。1974年,8008發展成8080,成為第二代微處理器。8080作為代替電子邏輯電路的器件被用于各種應用電路和設備中,如果沒有微處理器,這些應用就無法實現。

由于微處理器可用來完成很多以前需要用較大設備完成的計算任務,價格又便宜,于是各半導體公司開始競相生產微處理器芯片。Zilog公司生產了8080的增強型Z80,摩托羅拉公司生產了6800,英特爾公司于1976年又生產了增強型8085,但這些芯片基本沒有改變8080的基本特點,都屬于第二代微處理器。它們均采用NMOS工藝,集成度約9000只晶體管,平均指令執行時間為1μS～2μS,采用匯編語言、BASIC、Fortran編程,使用單用戶操作系統。

Intel 8086

1978年英特爾公司生產的8086是第一個16位的微處理器。很快Zilog公司和摩托羅拉公司也宣布計劃

生產Z8000和68000。這就是第三代微處理器的起點。

8086微處理器最高主頻速度為8MHz,具有16位數據通道,內存尋址能力為1MB。同時英特爾還生產出與之相配合的數學協處理器i8087,這兩種芯片使用相互兼容的指令集,但i8087指令集中增加了一些專門用于對數、指數和三角函數等數學計算的指令。人們將這些指令集統一稱之為 x86指令集。雖然以后英特爾又陸續生產出第二代、第三代等更先進和更快的新型CPU,但都仍然兼容原來的x86指令,而且英特爾在后續CPU的命名上沿用了原先的x86序列,直到后來因商標注冊問題,才放棄了繼續用阿拉伯數字命名。

1979年,英特爾公司又開發出了8088。8086和8088在芯片內部均采用16位數據傳輸,所以都稱為16位微處理器,但8086每周期能傳送或接收16位數據,而8088每周期只采用8位。因為最初的大部分設備和芯片是8位的,而8088的外部8位數據傳送、接收能與這些設備相兼容。8088采用40針的DIP封裝,工作頻率為6.66MHz、7.16MHz或8MHz,微處理器集成了大約29000個晶體管。

8086和8088問世后不久,英特爾公司就開始對他們進行改進,他們將更多功能集成在芯片上,這樣就誕生了80186和80188。這兩款微處理器內部均以16位工作,在外部輸入輸出上80186采用16位,而80188和8088一樣是采用8位工作。

1981年,美國IBM公司將8088芯片用于其研制的PC機中,從而開創了全新的微機時代。也正是從8088開始,個人電腦(PC)的概念開始在全世界范圍內發展起來。從8088應用到IBM PC機上開始,個人電腦真正走進了人們的工作和生活之中,它也標志著一個新時代的開始。

Intel 80286

1982年,英特爾公司在8086的基礎上,研制出了80286微處理器,該微處理器的最大主頻為20MHz,內、外部數據傳輸均為16位,使用24位內存儲器的尋址,內存尋址能力為16MB。80286可工作于兩種方式,一種叫實模式,另一種叫保護方式。

在實模式下,微處理器可以訪問的內存總量限制在1兆字節；而在保護方式之下,80286可直接訪問16兆字節的內存。此外,80286工作在保護方式之下,可以保護操作系統,使之不像實模式或8086等不受保護的微處理器那樣,在遇到異常應用時會使系統停機。

IBM公司將80286微處理器用在先進技術微機即AT機中,引起了極大的轟動。80286在以下四個方面比它的前輩有顯著的改進：支持更大的內存；能夠模擬內存空間；能同時運行多個任務；提高了處理速度。

最早PC機的速度是4MHz,第一臺基于80286的AT機運行速度為6MHz至8MHz,一些制造商還自行提高速度,使80286達到了20MHz,這意味著性能上有了重大的進步。

80286的封裝是一種被稱為PGA的正方形包裝。PGA是源于PLCC的便宜封裝,它有一塊內部和外部固體插腳,在這個封裝中,80286集成了大約130000個晶體管。

IBM PC/AT微機的總線保持了XT的三層總線結構,并增加了高低位字節總線驅動器轉換邏輯和高位字節總線。與XT機一樣,CPU也是焊接在主板上的。

那時的原裝機僅指IBM PC機,而兼容機就是除了IBM PC以外的其它機器。在當時,生產CPU的公司除英特爾外,還有AMD及西門子公司等,而人們對自己電腦用的什么CPU也不關心,因為AMD等公司生產的CPU幾乎同英特爾的一樣,直到486時代人們才關心起自己的CPU來。

8086～80286這個時代是個人電腦起步的時代,當時在國內使用甚至見到過PC機的人很少,它在人們心中是一個神秘的東西。到九十年代初,國內才開始普及計算機。

從386到奔騰

1985年春天的時候,英特爾公司已經成為了第一流的芯片公司,它決心全力開發新一代的32位核心的

CPU—80386。Intel給80386設計了三個技術要點：使用“類286”結構,開發80387微處理器增強浮點運算能力,開發高速緩存解決內存速度瓶頸。

1985年10月17日,英特爾劃時代的產品——80386DX正式發布了,其內部包含27.5萬個晶體管,時鐘頻率為12.5MHz,后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz,最后還有少量的40MHz產品。

80386DX的內部和外部數據總線是32位,地址總線也是32位,可以尋址到4GB內存,并可以管理64TB的虛擬存儲空間。它的運算模式除了具有實模式和保護模式以外,還增加了一種“虛擬86”的工作方式,可以通過同時模擬多個8086微處理器來提供多任務能力。

80386DX有比80286更多的指令,頻率為12.5MHz的80386每秒鐘可執行6百萬條指令,比頻率為16MHz的80286快2.2倍。80386最經典的產品為80386DX－33MHz,一般我們說的80386就是指它。

由于32位微處理器的強大運算能力,PC的應用擴展到很多的領域,如商業辦公和計算、工程設計和計算、數據中心、個人娛樂。80386使32位CPU成為了PC工業的標準。

雖然當時80386沒有完善和強大的浮點運算單元,但配上80387協處理器,80386就可以順利完成許多需要大量浮點運算的任務,從而順利進入了主流的商用電腦市場。另外,30386還有其他豐富的外圍配件支持,如82258（DMA控制器）、8259A（中斷控制器）、8272（磁盤控制器）、82385（Cache控制器）、82062（硬盤控制器）等。針對內存的速度瓶頸,英特爾為80386設計了高速緩存（Cache）,采取預讀內存的方法來緩解這個速度瓶頸,從此以后,Cache就和CPU成為了如影隨形的東西。　

嚴格地說,80387并不是一塊真正意義上的CPU,而是配合80386DX的協處理芯片,也就是說,80387只能協助80386完成浮點運算方面的功能,功能很單一。　1989年英特爾公司又推出準32位微處理器芯片80386SX。這是Intel為了擴大市場份額而推出的一種較便宜的普及型CPU,它的內部數據總線為32位,外部數據總線為16位,它可以接受為80286開發的16位輸入/輸出接口芯片,降低整機成本。

80386SX推出后,受到市場的廣泛的歡迎,因為80386SX的性能大大優于80286,而價格只是80386的三分之一。英特爾在1990年推出了專門用于筆記本電腦的80386SL和80386DL兩種型號的386芯片。這兩個類型的芯片可以說是80386DX/SX的節能型,其中,80386DL是基于80386DX內核,而80386SL是基于80386SX內核的。這兩種類型的芯片,不但耗電少,而且具有電源管理功能,在CPU不工作的時候,自動切斷電源供應。　

摩托羅拉的68000是最早推出的32位微微處理器,當時是1984年,推出后,性能超群,并獲得如日中

天的蘋果公司青睞,在自己的劃時代個人電腦“PC－MAC”中采用該芯片。但80386推出后,日漸沒落。　AMD的Am386SX/DX是兼容80386DX的第三方芯片,性能上和英特爾的80386DX相差無己,也成為當時的主流產品之一。　

這個是由IBM在研究80386的基礎上設計的,和80386完全兼容,由英特爾生產制造。386SLC基本上是一個在80386SX的基礎上配上內置Cache,同時包含80486SX的指令集,性能也不錯。　

1989年,我們大家耳熟能詳的80486芯片由英特爾推出。這款經過四年開發和3億美元資金投入的芯片的偉大之處在于它首次實破了100萬個晶體管的界限,集成了120萬個晶體管,使用1微米的制造工藝。80486的時鐘頻率從25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。80486是將80386和數學協微處理器80387以及一個8KB的高速緩存集成在一個芯片內。80486中集成的80487的數字運算速度是以前80387的兩倍,內部緩存縮短了微處理器與慢速DRAM的等待時間。并且,在80x86系列中首次采用了RISC（精簡指令集）技術,可以在一個時鐘周期內執行一條指令。它還采用了突發總線方式,大大提高了與內存的數據交換速度。由于這些改進,80486的性能比帶有80387數學協微處理器的80386 DX性能提高了4倍。

隨著芯片技術的不斷發展,CPU的頻率越來越快,而PC機外部設備受工藝限制,能夠承受的工作頻率有限,這就阻礙了CPU主頻的進一步提高。在這種情況下,出現了CPU倍頻技術,該技術使CPU內部工作頻率為微處理器外頻的2～3倍,486 DX2、486 DX4的名字便是由此而來。

常見的80486 CPU有80486 DX－33、40、50。486 CPU與386 DX一樣內外都是32位的,但是最慢的486 CPU也比最快的386 CPU要快,這是因為486 SX/DX執行一條指令,只需要一個振蕩周期,而386DX CPU卻需要兩個周期。　
因為80486 DX CPU具有內置的浮點協微處理器,功能強大,當然價格也就比較昂貴。為了適應普通

的用戶的需要,尤其是不需要進行大量浮點運算的用戶,英特爾公司推出了486 SX CPU。80486 SX主板上一般都有80487協微處理器插座,如果需要浮點協微處理器的功能,可以插上一個80487協微處理器芯片,這樣就等同于486 DX了。常見的80486 SX CPU有：80486 SX－25、33。　

其實這種CPU的名字與頻率是有關的,這種CPU的內部頻率是主板頻率的兩/四倍,如80486 DX2－66,CPU的頻率是66MHz,而主板的頻率只要是33MHz就可以了。　

80486 SL CPU最初是為筆記本電腦和其他便攜機設計的,與386SL一樣,這種芯片使用3.3V而不是5V電源,而且也有內部切斷電路,使微處理器和其他一些可選擇的部件在不工作時,處于休眠狀態,這樣就可以減少筆記本電腦和其他便攜機的能耗,延長使用時間。　

升級486 SX可以在主板的協微處理器插槽上安裝一個80487SX芯片,使其等效于486 DX,但是這樣升級后,只是增加了浮點協微處理器的能力,并沒有提高系統的速度。為了提高系統的速度,還有另外一種升級的方法,就是在協微處理器插槽上插上一個486 OverDrive CPU,它的原理與486 DX2 CPU一樣,其內部操作速度可以是外部速度的兩倍。如一個20MHz的主板上安插了OverDrive CPU之后,CPU內部的操作速度可以達到40MHz。486 OverDrive CPU也有浮點協微處理器的功能,常見的有：OverDrive－50、66、80。　

作為全球知名的半導體廠商之一,美國德州儀器(TI)也在486時代異軍突起,它自行生產了486 DX系列CPU,尤其在486DX2成為主流后,其DX2－80因較高的性價比成為當時主流產品之一,TI 486最高主頻為DX4－100,但其后再也沒有進入過CPU市場。　

這是Cyrix公司生產的486 CPU,說它是486 CPU,是指它的效率上逼近486 CPU,卻并不是嚴格意義上的486 CPU,這是由486 CPU的特點而定的。486DLC CPU只是將386DX CPU與1K Cache組合在一塊芯片里,沒有內含浮點協微處理器,執行一條指令需要兩個振蕩周期。但是由于486DLC CPU設計精巧,486DLC－33 CPU的效率逼近英特爾公司的486 SX－25,而486DLC－40 CPU則超過了486 SX－25,并且486DLC－40 CPU的價格比486 SX－25便宜。486DLC CPU是為了升級386DM而設計的,如果原來有一臺386電腦,想升級到486,但是又不想更換主板,就可以拔下原來的386 CPU,插上一塊486DLC CPU就可以了。　

自從英特爾另辟蹊徑,開發了Pentium之后,Cyrix也很快推出了自己的新一代產品5x86。它仍然延用原來486系列的CPU插座,而將主頻從100MHz提高到120MHz。5x86比起486來說性能是有所增加,可是比起Pentium來說,不但浮點性能遠遠不足,就連Cyrix一向自豪的整數運算性能也不那么高超,給人一種比上不足比下有余的感覺。由于5x86可以使用486的主板,因此一般將它看成是過渡產品。　

AMD 486DX是AMD公司在 486市場的利器,它內置16KB回寫緩存,并且開始了單周期多指令的時代,還具有分頁虛擬內存管理技術。由于后期TI推出了486DX2－80,價格非常低,英特爾又推出了Pentium系列,AMD為了搶占市場的空缺,推出了5x86系列CPU。它是486級最高主頻的產品,為5x86－120及133。它采用了一體的16K回寫緩存,0.35微米工藝,33×4的133頻率,性能直指Pentium 75,并且功耗要小于Pentium。　

1993年,全面超越486的新一代586 CPU問世,為了擺脫486時代微處理器名稱混亂的困擾,英特爾

公司把自己的新一代產品命名為Pentium(奔騰)以區別AMD和Cyrix的產品。AMD和Cyrix也分別推出了K5和6x86微處理器來對付芯片巨人,但是由于奔騰微處理器的性能最佳,英特爾逐漸占據了大部分市場。

Pentium最初級的CPU是Pentium 60和Pentium 66,分別工作在與系統總線頻率相同的60MHz和66MHz兩種頻率下,沒有我們現在所說的倍頻設置。

早期的奔騰75MHz～120MHz使用0.5微米的制造工藝,后期120MHz頻率以上的奔騰則改用0.35微米工藝。經典奔騰的性能相當平均,整數運算和浮點運算都不錯。　為了提高電腦在多媒體、3D圖形方面的應用能力,許多新指令集應運而生,其中最著名的三種便是英特爾的MMX、SSE和AMD的3D NOW!。 MMX（MultiMedia Extensions,多媒體擴展指令集）是英特爾于1996年發明的一項多媒體指令增強技術,包括57條多媒體指令,這些指令可以一次處理多個數據,MMX技術在軟件的配合下,就可以得到更好的性能。

多能奔騰(Pentium MMX)的正式名稱就是“帶有MMX技術的Pentium”,是在1996年底發布的。從多能奔騰開始,英特爾就對其生產的CPU開始鎖倍頻了,但是MMX的CPU超外頻能力特別強,而且還可以通過提高核心電壓來超倍頻,所以那個時候超頻是一個很時髦的行動。超頻這個詞語也是從那個時候開始流行的。

多能奔騰是繼Pentium后英特爾又一個成功的產品,其生命力也相當頑強。多能奔騰在原Pentium的基礎上進行了重大的改進,增加了片內16KB數據緩存和16KB指令緩存,4路寫緩存以及分支預測單元和返回堆棧技術。特別是新增加的57條MMX多媒體指令,使得多能奔騰即使在運行非MMX優化的程序時,也比同主頻的Pentium CPU要快得多。

這57條MMX指令專門用來處理音頻、視頻等數據。這些指令可以大大縮短CPU在處理多媒體數據時的等待時間,使CPU擁有更強大的數據處理能力。與經典奔騰不同,多能奔騰采用了雙電壓設計,其內核電壓為2.8V,系統I/O電壓仍為原來的3.3V。如果主板不支持雙電壓設計,那么就無法升級到多能奔騰。

多能奔騰的代號為P55C,是第一個有MMX技術(整量型單元執行)的CPU,擁有16KB數據L1 Cache,16KB指令L1 Cache,兼容SMM,64位總線,528MB/s的頻寬,2時鐘等待時間,450萬個晶體管,功耗17瓦。支持的工作頻率有:133MHz、150MHz、166MHz、200MHz、233MHz。　曾幾何時,Pentium Pro是高端CPU的代名詞,Pentium Pro所表現的性能在當時讓很多人大吃一驚,但是Pentium Pro是32位數據結構設計的CPU,所以Pentium Pro運行16位應用程序時性能一般,但仍然是32位的贏家,但是后來,MMX的出現使它黯然失色。

Pentium Pro(高能奔騰,686級的CPU)的核心架構代號為P6（也是未來PⅡ、PⅢ所使用的核心架構）,這是第一代產品,二級Cache有256KB或512KB,最大有1MB的二級Cache。工作頻率有:133/66MHz(工程樣品),150/60MHz、166/66MHz、180/60MHz、200/66MHz。　K5是AMD公司第一個獨立生產的x86級CPU,發布時間在1996年。由于K5在開發上遇到了問題,其上市時間比英特爾的Pentium晚了許多,再加上性能不好,這個不成功的產品一度使得AMD的市場份額大量喪失。K5的性能非常一般,整數運算能力不如Cyrix的6x86,但是仍比Pentium略強,浮點運算能力遠遠比不上Pentium,但稍強于Cyrix。綜合來看,K5屬于實力比較平均的那一種產品。K5低廉的價格顯然比其性能更能吸引消費者,低價是這款CPU最大的賣點。　

AMD 自然不甘心Pentium在CPU市場上呼風喚雨,因此它們在1997年又推出了K6。K6這款CPU的設計指標是相當高的,它擁有全新的MMX指令以及64KB L1 Cache（比奔騰MMX多了一倍）,整體性能要優于奔騰MMX,接近同主頻PⅡ的水平。K6與K5相比,可以平行地處理更多的指令,并運行在更高的時鐘頻率上。AMD在整數運算方面做得非常成功,K6稍微落后的地方是在運行需要使用到MMX或浮點運算的應用程序方面,比起同樣頻率的Pentium 要差許多。

K6擁有32KB數據L1 Cache,32KB指令L1 Cache,集成了880萬個晶體管,采用0.35微米技術,五層CMOS,C4工藝反裝晶片,內核面積168平方毫米(新產品為68平方毫米),使用Socket7架構。　Cyrix 也算是一家老資格的CPU開發商了,早在x86時代,它和英特爾,AMD就形成了三雄并立的局面。

自從Cyrix與美國國家半導體公司合并后,使它終于擁有了自己的芯片生產線,成品也日益完善和完備。Cyrix的6x86是投放到市場上與Pentium兼容的微處理器。　美國IDT公司（Integrated Device Technology）作為新加入此領域的CPU生產廠商,在1997年推出的

第一個微微處理器產品是WinChip（即C6）,在整個CPU市場上所占的份額還不足1%。1998年5月,IDT宣布了它的第二代產品WinChip 2 。

WinChip 2在原有WinChip的基礎上作了一些改進,增加了一個雙指令的MMX單元,增強了浮點運算功能。改進后的WinChip 2比相同頻率的WinChip性能提高約10%,基本達到Intel Pentium微處理器的性能。　1997年～1998年是CPU市場競爭異常激烈的一年,這一時期的CPU芯片異彩紛呈,令人目不暇接。

PentiumⅡ的中文名稱叫“奔騰二代”,它有Klamath、Deschutes、Mendocino、Katmai等幾種不同核心結構的系列產品,其中第一代采用Klamath核心,0.35微米工藝制造,內部集成750萬個晶體管,核心工作電壓為2.8V。

PentiumⅡ微處理器采用了雙重獨立總線結構,即其中一條總線連通二級緩存,另一條負責主要內存。PentiumⅡ使用了一種脫離芯片的外部高速L2 Cache,容量為512KB,并以CPU主頻的一半速度運行。作為一種補償,英特爾將PentiumⅡ的L1 Cache從16KB增至32KB。另外,為了打敗競爭對手,英特爾第一次在PentiumⅡ中采用了具有專利權保護的Slot 1接口標準和SECC(單邊接觸盒)封裝技術。

1998年4月16日,英特爾第一個支持100MHz額定外頻的、代號為Deschutes的350、400MHz CPU正式推出。采用新核心的PentiumⅡ微處理器不但外頻提升至100MHz,而且它們采用0.25微米工藝制造,其核心工作電壓也由2.8V降至2.0V,L1 Cache和L2 Cache分別是32KB、512KB。支持芯片組主要是Intel的440BX。

在1998年至1999年間,英特爾公司推出了比PentiumⅡ功能更強大的CPU——Xeon（至強微處理器）。該款微處理器采用的核心和PentiumⅡ差不多,0.25微米制造工藝,支持100MHz外頻。Xeon最大可配備2MB Cache,并運行在CPU核心頻率下,它和PentiumⅡ采用的芯片不同,被稱為CSRAM（Custom StaticRAM,定制靜態存儲器）。除此之外,它支持八個CPU系統；使用36位內存地址和PSE模式（PSE36模式）,最大800MB/s的內存帶寬。Xeon微處理器主要面向對性能要求更高的服務器和工作站系統,另外,Xeon的接口形式也有所變化,采用了比Slot 1稍大一些的Slot 2架構(可支持四個微處理器)。　

英特爾為進一步搶占低端市場,于1998年4月推出了一款廉價的CPU—Celeron（中文名叫賽揚）。最初推出的Celeron有266MHz、300MHz兩個版本,且都采用Covington核心,0.35微米工藝制造,內部集成1900萬個晶體管和32KB一級緩存,工作電壓為2.0V,外頻66MHz。Celeron與PentiumⅡ相比,去掉了片上的L2 Cache,此舉雖然大大降低了成本,但也正因為沒有二級緩存,該微處理器在性能上大打折扣,其整數性能甚至不如Pentium MMX。

為彌補缺乏二級緩存的Celeron微處理器性能上的不足,進一步在低端市場上打擊競爭對手,英特爾在Celeron266、300推出后不久,又發布了采用Mendocino核心的新Celeron微處理器—Celeron300A、333、366。與舊Celeron不同的是,新Celeron采用0.25微米工藝制造,同時它采用Slot 1架構及SEPP封裝形式,內建32KB L1 Cache、128KB L2 Cache,且以CPU相同的核心頻率工作,從而大大提高了L2 Cache的工作效率。　AMD于1998年4月正式推出了K6－2微處理器。它采用0.25微米工藝制造,芯片面積減小到了68平方毫米,晶體管數目也增加到930萬個。另外,K6－2具有64KB L1 Cache,二級緩存集成在主板上,容量從512KB到2MB之間,速度與系統總線頻率同步,工作電壓為2.2V,支持Socket 7架構。

K6－2是一個K6芯片加上100MHz總線頻率和支持3D Now！浮點指令的“結合物”。3D Now！技術是對x86體系的重大突破,它大大加強了處理3D圖形和多媒體所需要的密集浮點運算性能。此外,K6－2支持超標量MMX技術,支持100MHz總線頻率,這意味著系統與L2緩存和內存的傳輸率提高近50%,從而大大提高了整個系統的表現。　作為Cyrix公司獨自研發的最后一款微處理器,Cyrix MⅡ是于1998年3月開始生產的。除了具有6x86本身的特性外,該微處理器還支持MMX指令,其核心電壓為2.9V,具有256字節指令;3.5X倍頻;核心內集成650萬個晶體管,功耗20.6瓦；64KB一級緩存。　Rise公司是一家成立于1993年11月的美國公司,主要生產x86兼容的CPU,在1998年推出了mP6 CPU。mp6不僅價格便宜,而且性能優異,有著很好的多媒體性能和強大的浮點運算。mp6使用Socket 7/Super 7兼容插座,只有16KB的一級緩存。　

1999年春節剛過,英特爾公司就發布了采用Katmai核心的新一代微處理器—PentiumⅢ。該微處理器除采用0.25微米工藝制造,內部集成950萬個晶體管,Slot 1架構之外,它還具有以下新特點：系統總線頻率為100MHz；采用第六代CPU核心—P6微架構,針對32位應用程序進行優化,雙重獨立總線；一級緩存為32KB(16KB指令緩存加16KB數據緩存),二級緩存大小為512KB,以CPU核心速度的一半運行；采用SECC2封裝形式；新增加了能夠增強音頻、視頻和3D圖形效果的SSE(Streaming SIMD Extensions,數據流單指令多數據擴展）指令集,共70條新指令。PentiumⅢ的起始主頻速度為450MHz。

和PentiumⅡ Xeon一樣,英特爾同樣也推出了面向服務器和工作站系統的高性能CPU—PentiumⅢ Xeon至強微處理器。除前期的PentiumⅡ Xeon500、550采用0.25微米技術外,該款微處理器是采用0.18微米工藝制造,Slot 2架構和SECC封裝形式,內置32KB一級緩存和512KB二級緩存,工作電壓為1.6V。　為進一步鞏固低端市場優勢,英特爾于2000年3月29日推出了采用Coppermine核心CeleronⅡ。該款

微處理器同樣采用0.18微米工藝制造,核心集成1900萬個晶體管,采用FC－PGA封裝形式,它和賽揚Mendocino一樣內建128KB和CPU同步運行的L2 Cache,故其內核也稱為Coppermine 128。CeleronⅡ不支持多微處理器系統。但是,CeleronⅡ的外頻仍然只有66MHz,這在很大程度上限制了其性能的發揮。　

AMD于1999年2月推出了代號為“Sharptooth”(利齒)的K6－Ⅲ,它是該公司最后一款支持Super 7架構和CPGA封裝形式的CPU,采用0.25微米制造工藝、內核面積是135平方毫米,集成了2130萬個晶體管,工作電壓為2.2V/2.4V。

相對于K6－2而言,K6－Ⅲ最大的變化就是內部集成了256KB二級緩存（新賽揚只有128KB）,并以CPU的主頻速度運行。K6－Ⅲ的這一變化將能夠更大限度發揮高主頻的優勢。此外,該微處理器還帶有64KB一級緩存（32KB用于指令,另32KB用于數據）,而且在主板上還集成了以系統總線頻率同步運行的三級緩存,其容量大小從512KB到2MB之間。　1999年6月23日,AMD公司推出了具有重大戰略意義的K7微處理器,并將其正式命名為Athlon。K7有

兩種規格的產品：第一種采用0.25微米工藝制造,使用K7核心,工作電壓為1.6V(其緩存以主頻速度的一半運行)；第二種采用0.18微米工藝制造,使用K75核心；工作電壓有1.7V和1.8V兩種。上述兩種類型的K7微處理器內部都集成了2130萬個晶體管,外頻均為200MHz。

Athlon包含128KB的L1 Cache(PⅡ/PⅢ只有32KB)；512KB～1MB L2 Cache的片外緩存。同時,它還采用了全新的宏處理結構,擁有三個并行的x86指令譯碼器,可以動態推測時序,亂序執行；K7擁有一個強勁的浮點處理單元,在3DNOW！指令的幫助下會有更進一步的3D和多媒體處理能力,這個先進的FPU使K7擁有超越其他x86微處理器2倍的性能！另外,K7采用了一種類似于Slot 1的全新的Slot A架構,從物理結構上兩者可以互換,但后者的電器性能和前者完全不兼容。在總線方面,使用的是Digital公司的Alpha系統總線協議EV6,外頻達200MHz；Athlon是AMD第一個具有SMP（對稱多微處理器技術）能力的桌面CPU,即使用者可以用Athlon構建雙微處理器甚至4微處理器系統！　

AMD公司在2000年6月份連續推出了新款的Thunderbird（雷鳥）、Duron（毒龍）微處理器,再次向英特爾Coppermine（銅礦）核心的微處理器發出了強有力的挑戰。

Thunderbird是AMD面向高端的Athlon系列延續產品,采用0.18微米的制造工藝,共有Slot A和Socket A兩種不同的架構,但它們在設計上大致相同：均內置128KB的一級緩存和256KB的二級緩存,其二級緩存與CPU主頻速度同步運行；工作電壓為1.70V～1.75V,相應的功耗也比老的Athlon要小;集成3700萬個晶體管,核心面積達到120平方毫米。

另外,Thunderbird微處理器支持200MHz系統總線頻率,提供巨大的帶寬,且支持Alpha EV6總線協議,具有多重并行x86指令解碼器。

Duron微處理器是AMD首款基于Athlon核心改進的低端微處理器,它原來的研發代號稱為“Spitfire”。Duron外頻也是200MHz,內置128KB的一級緩存和64KB的全速二級緩存,它的工作電壓為1.5V,因而功耗要較Thunderbird小。而且它核心面積是100平方毫米,內部集成的晶體管數量為2500萬個,比K7核心的Athlon多300萬個。這些特點符合了AMD面對低端市場的策略,即低成本低功耗而又高性能。在浮點性能上,基于K7體系的Duron明顯優于采用P6核心設計的Intel系列微處理器,它具有三個全流水亂序執行單元,一個用于加/減運算,一個用于復合指令還有一個是浮點存儲單元。

VIA公司在收購Cyrix之后,同期正式推出了代號為Joshua的第一款微處理器,它采用0.18微米工藝制造,Socket 370架構,支持133MHz外頻,并擁有256KB L2 Cache及3D NOW！指令集。

另外,VIA后來還推出了采用新一代Samuel核心的CyrixⅢ微處理器,它加入新一代的3D Now!多媒體指令集,提供133MHz系統外頻,128K一級高速緩存,采用0.18微米制造工藝生產,芯片面積僅76平方毫米。它還采用了動態電源緩存結構（Dynamic Power Caching Architecture,DPCA）技術,使新CyrixⅢ微處理器的耗電量已不到10瓦,因此新CyrixⅢ微處理器也可適用在筆記型電腦或其它IA產品上。　在AMD推出Athlon后不久,2000年11月,Intel同樣推出了一臺強大的第7代x86微處理器,名為奔騰4（Pentium 4,或簡稱奔4或P4）,并且是繼1995年出品的Pentium Pro之后的第一款重新設計過的處理器,這一新的架構稱做NetBurst。

首款產品代碼為：Willamette,擁有1.4GHz左右的內核時鐘,并使用Socket 423腳位架構,首款處理器于2000年11月發布。不同于Pentium II、Pentium III和各種Celeron處理器,因為是全新設計的產品,所以與Pentium Pro的關聯很小。值得注意的是,Pentium 4有著非常快速到400MHz的前端總線,之后更有提升到533MHz、800MHz。它其實是一個為100MHz的四條并列總線 (100Mhz x4 并列),因此理論上它可以傳送比一般總線多四倍的容量,所以號稱有400MHz的速度。AMD Athlon的前端總線則有266MHz的速度（133MHz雙倍并列總線）。

16位微處理器（圖中為8086微處理器）可分成兩個部分,一部分是執行部件(EU),即執行指令的部分；另一部分是總線接口部件(BIU),與8086總線聯系,執行從存儲器取指令的操作。微處理器分成EU和BIU后,可使取指令和執行指令的操作重疊進行。EU部分有一個寄存器堆,由8個16位的寄存器組成,可用以存放數據、變址和堆棧指針、算術運算邏輯單元 (ALU)執行算術運算和邏輯操作,標志寄存器寄存這些操作結果的條件。

執行部件中的這些部件是通過數據總線傳送數據的。總線接口部件也有一個寄存器堆,其中CS、DS、SS和ES是存儲空間分段的分段寄存器。IP是指令指針。內部通信寄存器也是暫時存放數據的寄存器。指令隊列是把預先取來的指令流存放起來。總線接口部件還有一個地址加法器,把分段寄存器值和偏置值相加,取得20位的物理地址。數據和地址通過總線控制邏輯與外面的8086系統總線相聯系。

中國微處理器簡介

2004年2月18日,由清華大學自主研發的32位微處理器THUMP芯片終于領到了由國家教育部頒發的“身份證”：典型工作頻率400MHz,功耗1.17mW/MHz,芯片顆粒40片,最高工作頻率可達500MHz,是目前國內工作頻率最高的微處理器。 “這標志著我國在自主研發CPU芯片領域邁開了實質性的一大步。”教育部對THUMP的誕生給予了較高評價。　

在龍芯1號、龍芯2號的基礎上,中國正在自主研發新一代的龍芯3號。

龍芯3A的工作頻率為900MHz～1GHz,功耗約15W,頻率為1GHz時雙精度浮點運算速度峰值達到每秒160億次,單精度浮點運算速度峰值每秒320億次。龍芯3A采用意法半導體公司（STMicro）65納米CMOS工藝生產,晶體管數目達4.25億個,芯片采用BGA封裝,引腳的數目為1121個,功耗小于15瓦。 龍芯3A集成了四個64位超標量處理器核、4MB的二級Cache、兩個DDR2/3內存控制器、兩個高性能HyperTransport控制器、一個PCI/PCIX控制器以及LPC、SPI、UART、GPIO等低速I/O控制器。龍芯3A的指令系統與MIPS64兼容并通過指令擴展支持X86二進制翻譯。 龍芯3號在包括服務器、高性能計算機、低能耗數據中心、個人高性能計算機、高端桌面應用、高吞吐計算應用、工業控制、數字信號處理、高端嵌入式應用等產品中具有廣闊的市場應用前景。

工作原理

可用晶體管的數量對處理器性能有巨大影響。如上所述,在8088這樣的處理器中,通常要花費15個時鐘周期才能執行一條指令。由于乘法器的設計方式,在 8088上進行16位的乘法運算大約需要80個時鐘周期。而晶體管越多,就越有可能在一個周期中執行更多的乘法運算。

晶體管數量的增多還使我們能夠使用一種稱為流水線的技術。在流水線式的體系結構中,指令的執行過程是相互重疊的。所以,雖然需要花費5個時鐘周期來執行每條指令,但是可以同時執行5條指令的各個階段。這樣,表面看起來在每個時鐘周期內即可執行完一條指令。

許多現代的處理器具有多個指令解碼器,每一個都有自己的流水線。這樣便存在多個指令流,也就是說每個時鐘周期可以完成多條指令。但是這種技術實現起來非常復雜,因此需要使用大量的晶體管。

發展趨勢

處理器設計的發展趨勢主要是：完全32位的ALU（內置快速浮點處理器）和多指令流的流水線式執行方式。處理器設計的最新進展是64位ALU,預計在下一個十年中家用PC就會用上這種處理器。此外,還存在為處理器添加可高效執行某些操作的特殊指令（例如MMX指令）的趨勢,以及在處理器芯片中增加硬件虛擬內存支持和L1緩存的趨勢。所有這些趨勢都進一步增加了晶體管的數量,導致現在的處理器包含數千萬個晶體管。而這些處理器每秒大約可以執行十億條指令。