CPU架构与技术发展详解

CPU架构与技术发展详解

来源: 时间: 2010-06-22 作者: apollo

CPU是中央处理单元（Central Processing Unit）的缩写，它可以被简称做微处理器（Microprocessor），不过经常被人们直接称为处理器（processor）。CPU是计算机的核心，其重要性好比大脑对于人一样，因为它负责处理、运算计算机内部的所有数据。下面我们从CPU的发展历程来看看CPU架构和技术的发展。

整合浮点运算协处理器

首先我们来重拾一个几乎快要被遗忘的名词——协处理器，它是一种芯片，用于减轻系统微处理器的特定处理任务，早些年协处理器主要是用以辅助进行浮点运算。

★最初的CPU只能进行整点运算，浮点运算效率极低

CPU最基本的运算就是“加减乘除”，但实际上计算机只能用加法器来完成整数以及固定小数点位置（整点）的算术运算，而不能处理小数点可以浮动的数值（浮点）。对于小数多采用的是二进制的科学计数法、也就是浮点数表示法：尾数、阶数符号位各占一位，然后再对其余数位尾数、阶数的有效数位合理分配。

在CPU运算时，浮点数的运算量远比整数复杂，因为不仅尾数要参与运算，阶数也要参与，并且需要对尾数和阶数的符号位都进行处理，所以，最早的CPU并没有能力进行浮点运算（8088/8086，80286，80386SX），需要浮点运算时，由CPU 通过软件模拟来实现，所以，进行浮点运算时就会慢很多。

★协处理器诞生，专门处理浮点运算

8086处理器和它的协处理器8087

8086是当今CPU的鼻祖，所谓X86架构也就是指8086处理器所开创的指令集体系。为了弥补8086在进行浮点运算时的不足，Intel与1980年设计了8087数学协处理器，并且为X86体系推出了第一个浮点格式IEE754。8087提供两个基本的32/64bit浮点资料形态和额外的扩展80bit内部支援来改进复杂运算之精度。除此之外，8087还提供一个80/17bit封装BCD (二进制编码之十进制）格式以及16/32/64bit 整数资料形态。

386处理器和它的协处理器387

X87协处理器新增约60个指令给程序员，所有的指令都是以“F”开头跟其他的标准8086整数运算指令有所区别，举例来说，相对于ADD/MUL，8087提供FADD/FMUL。

8087是于1980年发布，然后被80287、80387DX/SX和487SX所取代。

★协处理器被整合进入CPU内部

以往，协处理器都是可选配件，在主板上X86处理器旁边一般都会为X87设计一个空的插槽，只有当用户确实有需要时才会专门购买相应的X87协处理器插进去，来加速浮点运算。

486DX是第一颗整合了浮点运算协处理器的产品，相当于486SX+487SX

随着时代的发展，越来越多的程序要求使用更高精度的浮点运算，X87协处理器几乎成为必备品。于是在制造工艺日趋成熟之后，Intel在486一代将X86和X87整合在了一起，浮点运算成为了CPU的一项基本功能，而且重要性越来越大。

Intel 486DX、Pentium之后的CPU都内含了协处理器，AMD K5、K6之后的CPU都内建了协处理器，所以此后就很少有人会提及协处理器的概念了。

扩展指令集加速浮点运算

所谓X86架构的处理器就是采用了Intel X86指令集的处理器，X86指令集是Intel公司为其第一块16位处理器i8086所专门开发的。而IBM在1981年所推出的第一台PC机上所使用的处理器i8088（i8086的简化版）也是使用的X86指令集，但是为了增强计算机的浮点运算能力，增加了X87数学协助处理器并引入了X87指令集，于是就将采用了X86指令集和X87指令集的处理器统称为X86架构的处理器。

X86基本指令集包括了：数据传输、算术运算、逻辑运算、串指令、程序转移、伪指令、寄存器、位操作、控制指令和浮点运算指令等十大类无数条。而Intel和AMD桌面级处理器在X86指令集的基础上，为了提升处理器各方面的性能，所以又各自开发新的指令集，它们被称为处理器扩展指令集。

扩展指令集能够大幅提高CPU在某些特定应用下的性能，如多媒体、3D、浮点运算等，其设计初衷与协处理器是异曲同工的，但协处理器需要增加额外的运算单元，而扩展指令集只需要加入新的指令和算法即可，无需设计新的运算单元，但必须要软件支持才能发挥功效。

★MMX指令集：增强多媒体性能

MMX（Multi Media eXtension 多媒体扩展指令）指令集是Intel公司在1996年为旗下的Pentium系列处理器所开发的一项多媒体指令增强技术。MMX指令集中包括了57条多媒体指令，通过这些指令可以一次性处理多个数据，在处理结果超过实际处理能力的时候仍能够进行正常处理，如果在软件的配合下，可以得到更强的处理性能。

MMX指令集非常成功，在之后生产的各型CPU都包括这些指令集。据当年Tom's Hardware测试，即使最慢的Pentium MMX 166MHz也比Pentium 200MHz普通版要快。

Intel Pentium With MMX，首次支持MMX

但是，MMX指令集的问题也是比较明显的，MMX指令集不能与X86的浮点运算指令同时执行，必须做密集式的交错切换才可以正常执行，但是这样一来，就会造成整个系统运行速度的下降。

★3DNow!指令集：

3DNow!指令集最由AMD公司所推出的，该指令集应该是在SSE指令之前推出的，被广泛运用于AMD的K6-2和K7系列处理器上，拥有21条扩展指令集。在整体上3DNow!的SSE非常相相似，它们都拥有8个新的寄存器，但是3DNow!是64位的，而SSE是128位。

AMD K62加入3DNow！指令集

所以3DNow!它只能存储两个浮点数据，而不是四个。但是它和SSE的侧重点有所不同，3DNow!指令集主要针对三维建模、坐标变换和效果渲染等3D数据的处理，在相应的软件配合下，可以大幅度提高处理器的3D处理性能。AMD公司后来又在Athlon系列处理器上开发了新的Enhanced 3DNow!指令集，新的增强指令数达了52个，以致目前最为流行的Athlon 64系列处理器还是支持3DNow！指令的。

★SSE指令集：加强浮点和3D性能

SSE是Streaming SIMD Extension（SIMD扩展指令集）的缩写，而其中SIMD 的为含意为Single Istruction Multiple Data（单指令多数据），所以SSE指令集也叫单指令多数据流扩展。该指令集最先运用于Intel的Pentium III系列处理器，其实在Pentium III推出之前，Intel方面就已经泄漏过关于KNI（Katmai New Instruction）指令集的消息。这个KNI指令集也就是SSE指令集的前身，当时也有不少的媒体将该指令集称之为MMX2指令集，但是Intel方面却从没有发布有关MMX2指令集的消息。