30年CPU架构发展史(一)

从简单纯粹的运算单元，到拥有多指令并行发射机制，再到多级流水线的产生，高速缓存的纳入，频率冲破GHz，再到内存控制器的集成，直至今天GPU的整合，这一切便是过去三十年来x86 CPU架构的进化历程。

英特尔和AMD是这个历史的缔造者，它们最初基于相同的架构，中途分道扬镳，彼此又不断借鉴对方的优秀创意，在此起彼伏的交锋中共同将x86带向未来。

现在，我们将向你讲述x86处理器架构的发展史，它们也过去三十年IT业发展历程的见证者。

初始时代：奔腾之前1.4004～80286：x86架构的初生作为x86指令集的创建者，英特尔公司在当年也只能算是一个小角色，这家成立于1968年的半导体企业远远无法同IBM这样的“百年老店”相提并论，它和AMD都是源于仙童半导体的私生子——英特尔的创始人安迪·格罗夫、戈登·摩尔、罗伯特·诺伊斯和AMD的创始人杰瑞·桑德斯都是仙童的同事，后来他们都离职创业，进入半导体领域。

英特尔最初的业务是生产存储器，它们成功地拥有了源于仙童的半导体制作工艺，即一种类似于印刷的工艺将大量的电子器件集成在一个硅片中，这就是集成电路的概念。

而早在1965年，戈登·摩尔还在仙童的时候，他就在一篇文章中总结出了一个现象：即芯片中的晶体管和电阻器的数量每年会翻番，原因是工程师可以不断缩小晶体管的体积。

这就意味着，半导体的性能与容量将以指数级的方式增长，并且这种增长趋势将继续延续下去。

1975年，摩尔又修订了这个定律，他认为，每隔24个月，晶体管的数量将翻番。

其时，摩尔已经是英特尔公司的联合创始人，这个定律后来也被英特尔奉为经典，当然追本溯源，摩尔定律最初描述的对象是半导体存储器。

苹果公司在1976年推出的Apple Ⅰ个人电脑，风靡美国市场，令当时计算机业巨头IBM大感震动。

IBM紧急成立了一个项目组，开发针对个人用户的计算机，以同苹果竞争。

然而，IBM那些脑袋僵化的工程师们无法理解个人用户要拿计算机来做什么，他们想了半天，结论是大概可以给家庭主妇记录菜单之类的。

既然他们认为PC可有可无，自然不愿意花费大力气去开发，而是找了一系列供应商—比如CPU部分，他们就将订单交给英特尔这家小公司，当时IBM虽然有非常顶尖的Power架构，但他们认为这种用在超级计算机的高级货不应该浪费在PC上面。

这个决策所导致的最终后果就是：IBM失去了PC时代，成就了英特尔、AMD、微软等一系列的IT巨头。

英特尔之所以能拿到IBM的订单，除了价格低廉的优势外，技术和产品成熟也是个关键。

因为在英特尔成立之后，除了制造存储器件外，也一直有为其他公司代工设计，生产微处理器的传统。

比如早在1971年1月，英特尔公司的霍夫就研制出世界上第一块4位微处理器芯片4004，当然这并不是英特尔高瞻远瞩的结果，而是他们接到日本Busicom公司的订单，Busicom需要一块芯片来生产电算机，就选择英特尔作为供应商。

从这个意义来说，x86架构应该是Busicom无意识下的产物，而不是英特尔雄才伟略的结果。

图1 4004处理器，x86的始祖。

4004可以执行4位运算，支持8位指令集和12位寻址，它的最高频率为740KHz，当频率在108KHz时，4004可以每秒运算6万次。

总的来说，4004处理器的性能与早期电子计算机ENIAC相若——ENIAC是在1946年推出，拥有18000个真空管，机器体积庞大，需占用一个房间。

1972年4月，霍夫等人接着开发出第一个8位微处理器英特尔8008。

由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。

次年8月，后续的8080芯片诞生，它以N沟道MOS电路取代了P沟道，成为第二代微处理器。

8080芯片的主频提高到2MHz，集成了6000个晶体管，采用的是6微米制造工艺，其运算速度比8008快了10倍，处理速度为0.64MIPS（每秒64万次），并可存取64KB存储器。

微软公司的创始人，比尔·盖茨和保罗·艾伦第一次接触CPU就是从8008开始，那时他们还都是年轻人，两人合力为该芯片编写了简单的Basic编程语言，但是没有成功；但他们最终在性能强劲一些的8080处理器上实现了这个目标，并在新墨西哥镇成立了一家软件小公司，这家公司就成为了微软的前身—这也成为英特尔和微软亲密关系的开始。

1978年6月，英特尔推出4.77MHz的8086微处理器，标志着第三代微处理器问世。

它采用16位寄存器、16位数据总线和29000个3微米技术的晶体管，售价360美元。

8086还有一个精简版的孪生兄弟：8088，它只采用8位数据总线，所以只能称作准16位。

在当时，微处理器工业已形成Zilog、摩托罗拉和英特尔三足鼎立的格局——Zilog公司在1976年开发的Z80微处理器，被广泛用于微型计算机和工业自动控制设备；摩托罗拉推出的M68000 16位微处理器，也占据了相当的市场份额。

而在整个处理器工业中，微处理器只是不起眼的小角色，高性能的RISC处理器才是当时的主流。

IBM决定在自己的PC中采用英特尔的芯片，这个决定成就了今天x86的地位。

与苹果的封闭做法不同，IBM 确立了开放式的PC标准，这也是最早的开放策略—与今天安卓在智能手机市场的快速崛起类似，大量的兼容PC也纷纷出现，所有的兼容PC厂商都唯IBM马首是瞻，于是英特尔和微软都沾光分获了大量的订单，作为标准制定者的IBM，由于慷慨到“忘记”注册专利，最终就失去了这个市场。

80286处理器诞生于1982年，虽然仍为16位芯片，但它集成了13.4万个晶体管，时钟频率由最初6MHz逐步提高到20MHz。

80286兼容了8086所有功能，使8086的汇编语言程序可以不做修改直接运行。

80286微处理器内部有4个功能部件，即地址部件AU、指令部件IU、执行部件EU和总线部件BU。

这四个部件的并行操作，提高了吞吐率，加快了处理速度。

图2 80286处理器1.386～486：英特尔成为PC领导者80286处理器推出之后，迅速获得各个PC厂商的采用，也包括IBM。

激烈的市场竞争让用户学会了比较PC的性能，这几乎就是比较采用哪一款微处理器，英特尔也逐渐走上了前台，不再是一家被动的供应商。

而真正的反客为主则是在80386时代—80386诞生于1985年，它是80x86系列中的第一款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，时钟频率从12.5MHz（此时每秒钟可执行6百万条指令）开始，后逐渐提高到20MHz、25MHz和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。

为了实现兼容，80386采用“类286”总线结构，这样就可以保持软硬件的兼容性，降低整机的开发和制造成本。

其次，80386有三种工作模式，适应的操作系统比较多，对现有的程序兼容性比较好。

再者，80386首度引入多任务处理机制，这就使它能被各行各业广泛使用。

图3 很多较早购买电脑的家庭，都是从80386DX起步的。

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AutoCAD 等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。

针对内存速度相对低下的瓶颈，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问题。

英特尔最初计划将L1 Cahce直接内置入80386芯片中，但受到工艺、成本、工期等方面的限制，英特尔最终选择了L1 Cache芯片外置主板的方案—从此之后，Cache就和CPU成为了如影随形的东西。

Cache 的设计也相当大程度影响着CPU的性能。

80386衍生出庞大的家族，除了标准版的80386DX，还包括廉价版的80386SX，以及移动版、低功耗的80386SL 和80386DL—从386时代开始，英特尔就一反被动局面，主动推进PC系统的升级。

而在市场竞争的驱使下，各个PC厂商都或主动或被动地追随英特尔的脚步，这也是英特尔确立自身在PC产业界地位的开始。

1989年，英特尔推出了新一代80486处理器。

它的制造工艺提升到1微米，内部集成了120万个晶体管。

80486具备了现代微处理器的主要元素：片内集成浮点运算单元、8KB的cache（L1cache）并支持片外L2 cache，整数处理单元则借鉴了精简指令集RISC结构，提高了指令的执行速度。

此外，80486引进时钟倍频技术和新的内部总线结构，从而使主频可以超过100MHz。

在80486时代，英特尔已经开始成为PC业的核心，PC厂商开始新一轮的惯性升级，尽管面临AMD、Cyrix 这些厂商的竞争，但英特尔已经稳稳地居于业界的主导。

当然，真正让它走向辉煌的还是“奔腾”时代。

Pentium～Pentium Ⅲ：x86架构的成熟1.第一代Pentium：超标量、MMX指令集、动态执行1993年，80486时代划上句号，英特尔发布第五代x86架构微处理器，并将其命名为“Pentium”，它同时也有一个响亮的中文名称“奔腾”。

Pentium本应命名为80586或i586，但阿拉伯数字无法用来注册商标，而英特尔又很不希望AMD、Cyr ix这些竞争对手用同样的名字来抢自己的饭碗，所以打算注册一个全新的商标——“Pentium”。

这个名字其实也是“第五”的意思，通常认为它是希腊文“五（penta）”加拉丁文中代表名词的接尾语“ium”的造词。

Pentium处理器内部含有的晶体管数量高达310万个，时钟频率由最初推出的60MHz和66MHz，最后提高到200MHz。

即便是66MHz的Pentium微处理器，它的运算性能都比33MHz的80486DX提高了3倍多，而100MHz 的Pentium更是快6～8倍。

由于Pentium的制造工艺优良，所以整个系列的CPU的浮点性能也是各种各样性能是CPU中最强的，可超频性能最大。

“超频”这种不花钱提升性能的好方法开始在用户中广泛流行起来，这也让Pentium赢得586级处理器的大部分市场。

超标量(Superscalar)架构是Pentium在架构上主要革新之一，它拥有两个资料路径(管线, pipelines)，可以达到在一个时钟周期内完成一个以上的指令。

一个管线(称为“U”)可以处理任意指令，另外一个(称为“V”)可以处理简单和通用的指令，相当于吸收了传统RISC处理器设计的特色，这种设计显示出两种技术融合的可能性，也提升了x86的运行效率。

不过在指令执行机制上，Pentium架构还是顺序执行(in-order)，后来在Pentium Ⅱ时代则被乱序执行所取代。