微机原理小论文——重点CPU技术及发展趋势

微机原理小论文 ——CPU技术的分析与发展

00748029 李赓 信科07

目录： (1)

摘要： (2)

正文： (2)

引言： (2)

CPU的发展历史： (2)

CPU性能分析： (4)

影响CPU性能的主要因素： (4)

1.主频 (4)

2.外频 (4)

3.倍频 (4)

4.指令系统 (4)

提升CPU性能的主要技术： (5)

1.高速缓存(Cache) (5)

2.生产工艺 (5)

3.工作电压 (5)

CPU最新发展情况： (5)

1. “铜矿赛扬” (5)

2. Itanium (6)

3. Celeron (6)

CPU 发展趋势分析： (6)

结论： (7)

后记： (7)

参考文献： (7)

CPU 的性能体现了计算机发展的程度，是信息社会发展的重要标志。然而，近来自Pentium IV推出后，CPU 的发展似乎停滞。是什么影响了CPU的进一步发展，CPU 将何去何从？业内人士给了许多猜测，然而并没有回答这个问题。本文通过追寻CPU 发展的历史，分析了CPU 发展的特点。结合对最新CPU 发展的跟踪，和计算机的应用趋势，分析预测了CPU 的发展趋势。我们进一步的工作是，结合当前CPU 的发展趋势，设计和开发一些CPU 能运行起来的相关应用软件，为新一代的软件产业发展作预测性指导。

正文：

引言：

根据摩尔定律， CPU的速度应该每过18个月翻一番。在过去的几十年中，CPU的速度以一个令人意想不到的速度上升，根据两位计算机界的传奇人物John Hennessy和David Patterson的说法，在这当中每年性能的提升可以达到58%之多。可是自从1996年以后，CPU速度上升的步伐似乎慢了下来。根据专家们的分析，从1996年到2002年，CPU的提升速度只有41%，而从2002年至今，更是下降到25%。有业内人士分析说，这种下降的趋势还会继续下去。那么究竟是什么因素阻碍着CPU的快速发展？首先看看CPU的发展历史。

CPU的发展历史：

1971 年，世界上第一台微处理器4004面世。这不但是第一个用于计算器的4 位微处理器，也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器！4004 含有2300 个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢，被当时的蓝色巨人IBM 以及大部分商业用户不屑一顾，但是它毕竟是划时代的产品。

1978 年，名为i8086 的16 位微处理器被开发出来，同时还有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，但在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指令（又称X86 指令集）。后来的所有CPU 新品，都兼容X86 指令。

1981 年，8088 芯片首次用于IBM PC 机中，开创了全新的微机时代。从此，PC 机（个人电脑）的概念开始在全世界范围内发展起来，一代代CPU 芯片不断推陈出新。

80286 芯片的CPU 时钟频率提高到20MHz，CPU 具有实模式和保护模式两种工作模式。

80386 芯片是80X86 系列中的第一种32位微处理器，制造工艺有了很大的进步，时钟频率高达33MHz，内部和外部数据总线、地址总线都是32 位，可寻址高达4GB 内存。它除具有实模式和保护模式外，还增加了一种叫虚拟模式，可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。

除了标准的80386 芯片外，还有针对不同市场和应用的80386SX、80386SL、

80386DL等芯片被开发出来。80386 SL 和80386 DL都是低功耗、节能型芯片，主要用于便携机和节能型台式机，且两者皆增加了一种新的工作方式：系统管理方式(SMM)。当进入系统管理方式后，CPU 就自动降低运行速度、控制显示屏和硬盘等其它部件暂停工作，甚至停止运行，进入"休眠"状态，以达到节能目的。

80486 芯片则实破了100 万个晶体管的界限，集成了120 万个晶体管。时钟频率提高到50MHz，并首次采用了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80386DX 提高了4 倍。

1993 年全新一代的高性能处理器Pentium 面世。Pentium 的时钟频率由最初推出的60MHZ 和66MHZ，后提高到200MHZ。最初版本的66MHZ 的PENTIUM 微处理器，其运算性能比33MHZ 的80486 DX 就提高了3倍多，而100MHZ 的PENTIUM 则比33MHZ 的80486 DX 要快6 至8 倍。也就是从PENTIUM开始，我们大家有了超频这样一个用尽量少的钱换取尽量多的性能的好方法。

Pentium Pro 包含了两级缓存，其L2CACHE 工作在与处理器相同的频率上，这样的设计使Pentium Pro 达到了最高的性能。而 Pentium Pro 中"动态执行"技术，是继PENTIUM 在超标量体系结构上实现实破之后的又一次飞跃。由于其强大的性能，许多服务器系统都采用了Pentium Pro 甚至是双Pentium Pro 系统。

Pentium MMX（多能奔腾），是旨在增强Pentium CPU 在音像、图形和通信方面应用的Pentium 系列的改进版本，最主要是采用了MMX 技术（INTEL 发明的"多媒体扩展指令集"）。Pentium MMX CPU 比普通CPU 在运行含有MMX 指令的程序时，处理多媒体的能力上提高了60％左右。MMX 技术不但是一个创新，而且还开创了CPU 开发的新纪元。

Pentium Ⅱ则是为了弥补Pentium Pro的缺陷，然后再加上MMX 指令而生产开发出来的产品。在总线方面，PentiumⅡ处理器采用了双独立总线结构，即其中一条总线联接二级高速缓存,另一条负责主要内存。在接口技术方面，为了获得更加大的内部总线带宽，PentiumⅡ首次采用了最新的solt1接口标准，它不再用陶瓷封装，而是采用了一块带金属外壳的印刷电路板，该印刷电路板不但集成了处理器部件，而且还包括32KB的一级缓存。

Pentium Ⅱ Xeon 时钟速率从400MHz起，具有新型插槽Slot2 和先进的管理特性，譬如：热敏传感器、检错纠错(ECC)、功能冗余检查、系统管理总线等等。它的一系列先进的管理特性加强了服务器平台对其环境的监测和保护能力，最大限度地增加系统正常运转时间。

Pentium III 采用了0.25 微米制造工艺，使用Katmai 内核和新的SECC2 插口，除了包含MMX 指令外，还增加了"3D"指令――SSE，Streaming SIMD Extensions。PIII 新增的SSE 指令集的确可以使它的性能有脱胎换骨的提升。而且Pentium Ⅲ的设计考虑了互连网的应用，其处理器包含了序列号，相当于电脑的"身份证"，可以提高用户在互联网上的安全性。

代号为“Coppermine”的新型Pentium Ⅲ处理器率先采用0.18 微米的制造工艺。由于制造工艺的提高，使芯片集成度大为提高，芯片面积和功耗都大为减小、成本也得以降低，更适用于笔记本电脑使用。

纵观 CPU 从4004 到Pentium Ⅲ的发展，可以发现，每次CPU 的更新换代，都是在CPU的某些特性方面进行了改进或创新，从而较大幅度提高了CPU 性能，成为新一代产品。在CPU 发展历史中使用最多的是通过提高时钟频率来提高CPU 性能这个方法，从而在人们中心目中基本形成了这样一种思维导向：时钟频率越