X86系列微处理器概述-微型计算机原理简介

在计算机技术诞生以来的半个多世纪里，其发展速度是令人惊叹的。从1946年ENIAC建成算起，到2009年6月在Top500列表中排行第一的RoadRunner为止，在63年时间里，计算机的计算能力提高了2200多亿倍。如果从1971年Intel发布第一种微处理器4004开始算起，36年间微处理器的主频由108 kHz提高到接近4 GHz，在价格不变甚至有所下降的情况下，微处理器的主频提高了三万多倍；而片上高速缓存（On-Chip Cache）、乱序执行（Out-of-order Execution）、超线程（Hyper-Thread）、多核（Multi-Core）等并行技术的引入，使得微处理器的处理能力的提升远远超过了这个比例。表2-1中列出了30多年来In-tel公司推出的部分微处理器的相关指标。

表2-1 部分Intel处理器对照表

①本书中处理器、微处理器、CPU被视为相同的概念而混用，虽然这几个概念实际上有些细微的不同。

（续）

在这些处理器中，8086/8088具有非常重要的地位。1978年，Intel公司推出第一款16位微处理器8086，实现了微处理器从8位到16位的跨越。8086采用16位数据总线，提高了数据传输的宽度（当时的微处理器都是8位数据总线）；20位地址总线使得8086的寻址空间达到了1MB（当时的微处理器，如8080、6502等的寻址空间都是64KB）。而且8086还引入了流水线结构，在处理器执行内部操作的时候，其地址总线和数据总线可以用来与存储器或输入/输出接口之间进行数据传送。虽然这只是一种非常初级的流水线结构，但它所提供的片内操作与片外操作重叠的能力也使得8086微处理器的性能得到明显的提高（见图2-1a）。

图2-1 8086微处理器及使用8088微处理器的便携式计算机

a）8086微处理器 b）基于8088微处理器的便携式计算机

虽然8086的出现代表着微处理器已经进入了16位时代，但是它在当时的计算机市场上却是一个“另类”。当时已有的微处理器外围配套芯片都是为8位微处理器设计的，这种制约使得8086难以发挥它的性能潜力。于是Intel后退一步，以8086的核心为基础，设计出了8088微处理器。8088的内部结构和8086相同，也是16位的架构，而外围数据总线则由16位缩减为8位，以便和已有的8位处理器外围配套芯片相匹配。1981年，IBM的“西洋棋”计划选择了8088作为其正在设计开发的IBM PC的核心。伴随着IBM PC的巨大成功，Intel 8088也成为了微处理器市场的王者（见图2-1b）。其后，Intel陆续推出80286、80386、80486、Pentium、PentiumⅡ、PentiumⅢ等处理器芯片，这些芯片无一例外地和8086/8088保持着指令集上的向下兼容，所以被称作80X86系列处理器，有时又简称作X86处理器。

在8088之后，Intel在1982年推出了80286（见图2-2a）。和8086相比，80286依旧是16位结构，其数据总线维持了和8086相同的16位，而地址总线则增加到24位，以提供16MB的物理寻址空间。80286提供了两种工作方式：实模式和保护模式。在实模式下，80286和8086的工作方式相同但速度比8086更快。保护模式是80286引入的新工作模式，它除了能够提供16MB的物理寻址空间之外，还能为每个任务提供1GB的虚拟存储空间，同时把操作系统及各任务所分配到的地址隔离开来，避免程序之间的相互干扰，保证系统在多任务环境下能够正常工作。基于80286微处理器，IBM公司推出了真正16位的微型计算机系统——IBM PC/AT。

继80286之后，1985年Intel推出了功能更加强大的微处理器80386（见图2-2b），这是X86系列微处理器发展历史上的一个重大事件，也是整个微处理器发展历史上的一个重大事件。首先，80386采用了32位的结构，其寄存器堆、数据总线和地址总线均为32位宽度，这大大提高了处理器的带宽，并将处理器的物理寻址范围提高到了4GB。其次，80386开始使用高速缓存来解决内存速度瓶颈问题，虽然这时的高速缓存并没有集成到微处理器内部，但其使用也大大提升了存储系统的数据供应能力，为微处理器性能的进一步提高提供了保证。最后，80386引入了段页式内存管理机制，提供了46位逻辑地址表示能力，每个任务的虚拟存储地址空间增加到了64TB。同时，80386在实模式、保护模式之外又增加了一种“虚拟86”工作模式，该模式通过模拟多个8086处理器来实现多任务处理能力。从80386开始，基于X86微处理器的微机系统开始具备多任务的能力，不再局限于使用单用户单任务的操作系统PC-DOS（MS-DOS），而是具有了支持诸如Unix、Solaris、Windows等多用户多任务操作系统的能力。从此之后，伴随着对称多处理结构（SMP）技术的不断发展以及面向X86系列微处理器的服务器操作系统的不断成熟，基于X86系列微处理器的微机服务器开始不断蚕食小型机的传统市场，逐渐成为市场的主流。

关于80386还有一点值得一提，1988年，Intel推出简化版的80386SX，和标准版的80386（又称80386DX）相同的内部结构，简版的16位数据总线和24位地址总线，更加适合于构建中低档微机系统。1990年推出的80386 SL和80386 DL都是低功耗的节能型芯片，主要用于便携机和节能型台式机。80386 SL与80386 DL的不同在于前者是基于80386SX的，后者是基于80386DX的，但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他部件暂停工作，进入“休眠”状态，以达到节能目的。从80386开始，Intel开始基于同一个核心设计一系列面向不同应用目标的微处理器产品，这种做法一直延续到今天。

图2-2 80286微处理器、80386微处理器及80486微处理器

a）80286 b）80386 c）80486

1989年，在80386的基础上，Intel推出了新一代微处理器产品80486（见图2-2c）。80486基本上可以视为在一个芯片上集成了一个和80386结构相同的主处理器、一个和80387结构相同的浮点运算协处理器和一个8KB的高速缓冲存储器（L1 Cache）。后来80486又衍生出了去掉协处理器的简化版80486SX、具有二倍频和四倍频的80486DX2和80486DX4等多个不同型号的处理器产品。

1993年，Intel公司推出了它的586级微处理器。在推出这一款处理器的时候，Intel一改用数字为处理器命名的传统，为这款处理器“创造”了一个名字——Pentium，就是我们所熟知的奔腾处理器（见图2-3a）。

在X86系列处理器的发展史中，Pentium处理器是一个里程碑，这不仅仅表现在它是第一款使用非数字命名的微处理器，将处理器注册商标彻底改变了兼容微处理器市场竞争模式，还表现在奔腾CPU第一次将超标量流水线、哈佛结构Cache等历来只用于高性能处理器的指令级并行技术引入到了微处理机的设计之中，大大提高了微处理机的性能，扩展了微型计算机的应用领域。

图2-3 Pentium、Pentium MMX及Pentium Pro

a）Pentium b）Pentium MMX c）Pentium Pro

图2-4 PentiumⅡ与PentiumⅢ(www.xing528.com)

a）PentiumⅡ b）早期PentiumⅢ c）后期PentiumⅢ

Pentium处理器之后，Intel还推出了一款技术上相当成功的微处理器Pentium Pro，当时称为高能奔腾（见图2-3c）。Pentium Pro采用新的P6架构，内置L1和L2 Cache，并且采用了乱序执行（Out-of-Order Execution）的指令级并行技术，性能相当出众。但由于价格过高，Pentium Pro一直没能打开市场，直到1997年基于P6架构的PentiumⅡ成功推出为止（见图2-4a）。

在PentiumⅡ推出之前，面对多媒体应用的不断普及，Intel于1996年推出了Pentium微处理器的一个改进版本Pentium MMX（见图2-3b）。Pentium MMX在原Pentium的基础上进行了重大的改进，增加了片内16KB数据缓存和16KB指令缓存，4路写缓存以及从Pentium Pro、Cyrix而来的分支预测单元和返回堆栈技术，特别是新增加的57条MMX多媒体指令。MMX技术是Intel发明的一项多媒体增强指令集技术，它的英文全称可以翻译成“多媒体扩展指令集”。57条MMX指令专门用来处理音频、视频等数据，这些指令可以大大缩短CPU在处理多媒体数据时的等待时间，使CPU拥有更强大的数据处理能力。

继PentiumⅡ之后，1999年Intel又推出了PentiumⅢ微处理器（见图2-4b）。早期的PentiumⅢ也采用了和PentiumⅡ相同的Slot封装而不是我们现在所熟悉的Socket封装，直到1999年10月Intel推出0.18微米工艺制造的第二代PentiumⅢ处理器（Coppermine）重新采用Socket封装（见图2-4c）。和PentiumⅡ相比，PentiumⅢ除了具有更加强大的计算能力之外，还加入了Intel自己开发的“单指令多数据流扩展”，即SSE（Streaming SIMD Ex-tension）。SSE指令集包括了70条指令，其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD（单指令多数据技术）浮点运算指令、12条MMX整数运算增强指令、8条优化内存中连续数据块传输指令。这些指令对目前流行的图像处理、浮点运算、3D运算、视频处理、音频处理等诸多多媒体应用起到全面强化的作用。

值得一提的是，在PentiumⅡ、PentiumⅢ的基础上，Intel还推出了其低端版或称简化版——Celeron（见图2-5ab），这个被称作“赛扬”的微处理器系列依靠其低廉的价格和比较高的性能成功地占领了低端处理器市场，成为Intel产品线上的重要组成部分之一。与此同时，Intel还推出了Xeon（至强）品牌，以取代反响不佳的Pentium Pro征战中高端服务器、工作站市场（见图2-5c）。

图2-5 Celeron与Xeon

a）早期Celeron b）后期Celeron c）Xeon

2000年，Intel又推出了新产品：Pentium 4微处理器（见图2-6a）。Pentium 4微处理器抛弃了从Pentium Pro开始使用的P6架构，采用了一种新的被称作NetBurst的处理器架构。20段（后期为31段）的超级流水线、高效的乱序执行功能、2倍速的ALU、新型的片上缓存、SSE2指令扩展集和400 MHz的前端总线等特性使得Pentium 4具备更加强大的性能和更高的主频。2005年Pentium 4处理器的主频冲击4GHz，因能耗和散热等问题而失败，直到后来全新架构的多核处理器推出为止，Pentium 4微处理器一直占据着桌面处理器市场的主流位置。

2003年英特尔发布了Pentium M处理器（见图2-6b），这是Intel第一款专门为移动计算设计的微处理器，结合855芯片组家族与Intel PRO/Wireless2100网络联机技术，英特尔Centrino（迅驰）移动运算技术正式登场。迅驰技术不仅具备了节能、长续航时间的优点，更领导了目前流行的无线网络风尚。

图2-6 Pentium 4（左）和Pentium M（右）

a）Pentium 4 b）Pentium M

2006年，Intel推出了让人等待多时的微处理器酷睿（Core）家族（见图2-7a），虽然在这之前Intel Pentium D等处理器已经实现了多核处理，但这些处理器还是构建在和Penti-um 4或Pentium M相同的技术架构上。酷睿将微处理器的架构转到了以多核为核心的“Core”架构，这标志着Intel从Pentium 4时代的以提高频率为主转变到以多核/并行处理为主的思路。其后Core 2系列、Core i7系列等微处理器也一直延续着这个趋势（见图2-7b）。

图2-7 Core家族微处理器

a）Core Duo b）Core i7

在微处理器市场上，Intel一直处于一枝独秀的位置上，但这并不意味着Intel没有遇到过对手。我们所熟知的生产X86兼容微处理器的竞争对手还有AMD、Cyrix（已被威盛电子收购）、NextGen、Transmeta（全美达）等。这里面比较值得一提和有特色的有AMD和Transmeta。

在X86系列微处理器的历史上，AMD一直和Intel针锋相对，竞争得非常激烈。早在8086/8088时代，AMD就在生产和Intel兼容的8086和8088处理器芯片，后来在1991年，AMD又率先推出了和Intel 80386相兼容的Am386微处理器芯片，打破了Intel的垄断，其后的Am486芯片又和Cyrix的486、5X86等芯片一起对Intel的80486发起了挑战。在Intel推出Pentium和PentiumⅡ的时候，AMD也推出了K5、K6系列与之对抗（还有Cyrix的6X86）。而近几年AMD的K7/K8系列（Athlon、Duron、Opteron等）、多核心系列（Athlon X2、Athlon X4、Phenom等）则直接与Intel的PentiumⅢ、Pentium 4、Core等构成竞争关系（见图2-8a）。Intel与AMD的竞争，极大地促进了X86系列微处理器设计和工艺上的进步，推动了微型计算机的发展。

和AMD靠自身的技术实力与Intel在桌面处理器、服务器处理器、移动处理器等领域全方位对抗不同，全美达（Transmeta）剑走偏锋，依靠针对整合系统和笔记本电脑而设计的低功耗处理器与Intel、AMD争夺市场。2000年全美达发布的Crusoe处理器、2003年发布的Efficeon处理器和2004年发布的Efficeon2处理器都采用软件模拟的方式和X86系列微处理器保持兼容，并将处理器的功耗降低到了一个惊人的程度，给市场带来了一时的轰动（见图2-8b）。虽然2005年全美达宣布退出微处理器的竞争，但全美达的几款处理器所采取的软硬件结合的智能处理器结构以及惊人的低功耗给X86微处理器市场带来了巨大的冲击，并直接导致了多种面向移动计算的低功耗微处理器的出现。

图2-8 其他X86系列微处理器

a）AMD Phenom b）Transmeta Efficeon 2

经过接近30年的发展，X86系列微处理器的性能得到了巨大的提高，但X86处理器一直保持着指令级的向下兼容，即后推出的微处理器在指令集上对以前的处理器实现兼容。这一方面保护了用户在软件方面的巨大投资，有利于微处理器占有市场。另一方面向下兼容的要求又给新型号处理器的设计背上了沉重的包袱。尤其严重的是，8086微处理器是一种典型的复杂指令集（CISC）处理器，采用RISC核心的新处理器（如PentiumⅢ、AMD K7以及其后的各种处理器）不得不依靠指令微操作译码等功能来实现与8086的指令级兼容，给新处理器的设计带来了不小的麻烦。