1.3 微处理器的产生、发展及多核处理器

以大规模集成电路工艺和计算机组成原理为基础的微处理器和微计算机的问世是计算机发展史上新的里程碑，标志着计算机进入了第四代。1971年，美国旧金山南部的森特克拉郡（硅谷）的Intel公司首先制成4004微处理器，并用它组成MCS-4（Microcomputer System-4）微计算机。自此，微处理器和微计算机就以其异乎寻常的速度发展着，每隔2年～4年就换代一次。这种换代通常是以CPU的字长位数及功能来划分的。

第一代（1971——1973年），4位和低档8位微处理器时代。代表产品是Intel的4004（集成度：1200个晶体管/片）和由它组成的MCS-4微计算机及随后的Intel 8008（集成度：2000个晶体管/片）和由它组成的MCS-8微计算机。其特点是采用PMOS工艺，速度较慢，基本指令执行时间为10～20μs，引脚采用16条、24条，指令系统简单，运算功能较差，但价格低廉，主要用于家用电器、计算器和进行简单的控制等。

第二代（1973——1978年），8位微处理器时代。其集成度提高了1～2倍，代表产品有Intel公司的8080（集成度：4900个晶体管/片）、Motorola公司的MC6800（集成度：6800个晶体管/片）和Zilog公司的Z80（集成度：10000个晶体管/片）。其特点是采用NMOS工艺，用40条引脚的双列直插式封装，运算速度提高一个数量级，基本指令执行时间为1～2μs，指令系统比较完善，寻址能力有所增强。8位微处理器和微计算机曾是应用的主流，主要用于教学、实验系统和工业控制、智能仪器中。

第三代（1978——1984年），16位微处理器时代。1978年，Intel公司推出Intel8086（集成度：29000个晶体管/片），相继Zilog公司推出Z-8000（集成度：17500个晶体管/片），Motorola公司推出MC68000（集成度：68000个晶体管/片）。其特点是均采用高性能的HMOS工艺，各方面性能指标比第二代又提高一个数量级。Intel8086的基本指令执行时间约为0.5μs，指令执行速度为2.5MIPS（MIPS为每秒百万条指令）。1982年，Intel公司推出高性能的16位CPU 80286，采用68条引脚的无引线的方形封装。指令执行速度提高到4MIPS。Intel 80286设计了两种工作方式————实模式和保护模式。当工作在实模式时，保持与8086兼容，且工作速度更快。80286整体功能比8086强6倍。16位微处理器广泛应用于数据处理和管理系统。IBM公司首先用Intel公司的产品组建个人计算机（Personal computer，PC）IBM PC/XT和IBM PC/AT机，并成为世界销量最大的PC机型。

第四代（1985——1992年），32位微处理器时代。1985年，Intel公司推出Intel 80386，采用CHMOS工艺和132条引脚的针筒阵列封装（集成度达到27.5万个晶体管/片），指令执行速度提高到10MIPS。其工作方式除80286的实模式和保护模式外，还增加了虚拟8086模式。在实模式下，能运行8086指令，运行速度比80286快3倍。80386是Intel公司推出的第一个实用的32位微处理器。

1989年，Intel公司又推出另一个高性能的32位微处理器80486，其集成度达100万个晶体管/片。与80386显著不同的是，80486将多种不同功能的芯片电路集成到一个芯片上。在80486芯片上，除有80386 CPU外，还集成了80387浮点运算处理器（FPU）、82385高速暂存控制器和8KB的高速缓冲存储器（Cache）。这样，80486就在80386的基础上更加高速化。当时钟频率为25MHz时，指令执行速度达15MIPS，时钟为33MHz时，达19MIPS。

第五代（1993——2005年），奔腾（Pentium）产品时代。1993年，Intel公司推出Pentium微处理器（也称为Intel 80586，或P5）。该微处理器集成度为310万个晶体管/片，在时钟频率为60MHz下，指令执行速度为100MIPS。芯片内部也有一个浮点运算协处理器，但其浮点型数据的处理速度比80486高5倍。

Pentium微处理器的面市称得上是微机发展史上的里程碑。Pentium微处理器不仅是对前代产品80486的改进，而且从设计思想上把提高微处理器内部指令的并行性和高效率作为指导，它把芯片上的Cache加倍为16KB（这里K=1024），并分为两个，一个8KB作为指令缓冲存储器（L1），另一个8KB作为数据缓冲存储器（L2）；数据总线宽度由32位增加到64位；采用双整数处理器技术，允许每个时钟周期同时执行两条指令。这种有两个独立的整数处理器技术又称为超标量（Superscalar）技术。为了摆脱80486时代处理器名称的混乱，Intel公司把新一代的产品命名为Pentium（奔腾）。另一个CPU制造商AMD公司把自己的这代产品命名为K5，Cyrix公司则命名为6x86。以后，Intel公司不断对产品进行更新，相继发布了Pentium Por、Pentium MMX、PentiumⅡ、PentiumⅢ和Pentium4。AMD公司也相继发布了K6、K7产品。目前，Intel公司和AMD公司是这代CPU的两个最大的制造商。

1995年，Intel公司推出Pentium Pro（高能奔腾），又称为P6，集成度为550万个晶体管/片，时钟频率为150MHz，运行速度达到400MIPS，是一种比P5更快的第二代奔腾产品，具有更优化的内部体系结构；整数处理器增加为3个，浮点运算速度也加快，内部可以同时执行3条指令；片内除原有的第一级16KB高速缓冲存储器L1外，还增加一个256KB的第二级高速缓冲存储器L2；采用双重独立总线和动态执行技术，地址总线增加了4条（共36条），能寻址64GB存储空间。

1996年，Intel公司将多媒体扩展技术MMX（MultiMedia eXtension）应用到Pentium芯片上，推出Pentium MMX微处理器，其外部引脚与P5兼容，但在指令系统中增加了57条多媒体指令，用于音频、视频、图形图像数据处理，使多媒体、通信处理能力得到了很大的提高。

1997年，Intel公司推出PentiumⅡ（PⅡ）微处理器。实际上，这是Pentium Pro级的MMX处理器，芯片集成度达到750万个晶体管/片，时钟频率高达450MHz。第一级（L1）数据和指令Cache每个扩展为16KB，支持片外的第二级（L2）Cache，其容量为256KB、512KB和1MB。Intel Celeron提供集成第二级Cache为128KB，是PentiumⅡ的简化版本，以降低CPU的成本。PⅡ微处理器封装不再采用Pentium和Pentium Pro所用的陶瓷封装，而采用新的封装结构————单边接触SEC（Single Edge Contact）插件盒和一块带金属外壳的印制板电路，PⅡCPU和L2 Cache都集成（捆绑）安装在这块印制板上。

1999年，Intel公司推出PentiumⅢ（PⅢ）微处理器，芯片集成度为950万个晶体管/片，最初推出时的时钟频率为450MHz和500MHz。PⅢ将PⅡ的片外第二级（L2）Cache集成进片内。PⅢ的最大特点是增加了70条单指令多数据流扩展SSE（Streaming SIMD eXtension）指令集。

2000年11月，Intel公司推出Pentium4微处理器（时钟频率为1.5GHz，工艺尺寸为0.18μm），采用了称为NetBurst的全新Intel 32位微体系结构（IA-32），集成度达4200万个晶体管/片，时钟频率在1.5GHz以上，增加了功能更强大的执行跟踪缓存（Excution Trace Cache）。在SSE指令基础上新增了76组SSE2指令，更加满足网络、图像图形处理、视频和音频流编解码等多媒体的应用。Pentium4使用Socket423或Socket478插座。由于其集成度和时钟频率增高带来的发热量增加，除了封装采用金属外壳外，安装时还要加带散热片的微型风扇。2002年11月，Intel公司公布了更新的Pentium 4微处理器，其时钟频率已达3.06GHz（工艺尺寸为0.13μm）。

2004至2005年，Intel与AMD为争夺微处理器市场，不断推出新的产品，基于NetBurst的Pentium4处理器家族也逐渐庞大起来，出现了支持超线程技术和SSE3的新Pentium4微处理器。这时期，微处理器的最高集成度可达十几亿个晶体管/片。

目前，市场上可实现64位计算的CPU主要来自Intel和AMD公司。Intel IA64，基于安腾2处理器，不兼容32位应用。Intel EM64T基于XeonDP Nocona和MP处理器，兼容32位应用，是Intel-32结构的扩展，因而可在兼容IA-32软件情况下，允许软件利用更多的内存地址空间，并且允许软件进行32位线性地址写入。AMD64，基于Opteron处理器，兼容32位应用。

当代（2006年至今）片上多核处理器时代，随着半导体制造工艺不断进步，集成度的提高，单纯靠采用提高时钟频率来提高微处理器性能的办法也带来了因功耗提高而难以解决的散热问题。在这种背景下，各主流处理器厂商纷纷将产品战略从提高芯片时钟频率的研究和开发转向多线程、多内核（core）等技术的研究和开发上。

2006年，Intel推出了基于新的Core微结构的Core 2 Duo处理器酷睿2。这种采用低功耗的双核设计技术，不仅提高了性能，而且由于采用较低运行频率，降低了功耗需求，也提高了微处理的能效。这推动了片上多核处理器的研究热潮，而进入了片上多核处理器CMP（Chip Multi-Processors）的时代。

所谓CMP，就是在一个芯片上做出多个（如2、4个或更多）结构相对简单的处理器内核。这些内核既可采用简单流水线结构，又可使用中等复杂的超标量处理器，多个内核并行执行多线程任务，从而有效地扩展了处理器的性能。

2008年，Intel公司推出一款代号为“Nehalem”的全新微体系结构，这是Intel的8个内核处理器的全新芯片设计代号。2010年，Intel公司公布了超多核商用芯片产品“Knights Corner”，它可以将50个以上处理器核集成到一块芯片上。

当代的多核处理器已成微处理器发展的必然趋势，无论是在移动式、嵌入式、桌面式微机和服务器的应用中都将被采用，其未来前景将十分广阔。