微机原理小论文 CPL技术的分析与发展 00748029李赓信科07
微机原理小论文 ——CPU 技术的分析与发展 00748029 李赓 信科 07
微机原理小论文 CPU技术的分析与发展 赓00748029 目录: 目录: 摘要: 正文: 引言: CPU的发展历史: CPU性能分析: 影响CPU性能的主要因素: 1.主频 2.外频 3.倍频 4.指令系统 提升cPU性能的主要技术: 1.高速缓存( Cache). 2.生产工艺 555 3.工作电压 CPU最新发展情况: 1.“铜矿赛扬” 2. Itanium 3. Celeron CPU发展趋势分析 结论: 后记 66777 参考文献:
微机原理小论文 CPU 技术的分析与发展 李赓 00748029 目录： 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 1
微机原理小论文 CPU技术的分析与发展 赓00748029 摘要: 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CP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
微机原理小论文 CPU 技术的分析与发展 李赓 00748029 摘要： 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、 2
微机原理小论文 CPU技术的分析与发展 赓00748029 80386DL等芯片被开发出来。80386SL和80386D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33MH的80486DX就提高了3倍多,而100MH的 PENTIUM则 比33MHZ的80486DX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L2 CACHE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MX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MX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。 PentiumⅡ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, Pentium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, Pentium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 I 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)、功能冗余检査、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MX指令外,还增加了”3D″指令一-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 PentiumⅢ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CP从4004到 PentiumⅢ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CP 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
微机原理小论文 CPU 技术的分析与发展 李赓 00748029 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 3
微机原理小论文 CPU技术的分析与发展 赓00748029 高就代表了性能越高。不过从CPU的最新发展中我们将看到,这个思路越来越显 现出它的局限性 其实,除了时钟频率外,总线结构、接口技术、内存缓存结构和大小、指令 集、工作模式、制造工艺等方面因素都是影响CPU性能的重要因素。同时,随着 计算机用户的深入普及,计算机CPU的处理能力要适应用户的使用环境需要,适 应应用程序的需要,逐渐成为CPU发展的重要导向,因此CPU的发展中逐步出现 了为适应应用程序的其他技术如:管理功能、处理器编序列号、芯片组群集等。 CPU性能分析: CPU( Central Processing unit)是中央处理器的缩写。它是计算机的大脑和 心脏,由运算器和控制器组成,它的工作速度快慢直接影响到整个计算机的运行 速度。CPU集成了成千上万个晶体管,可以分为控制单元( Control unit,Cu) 逻辑单元( Arithmetic Logic unit,ALU)、存储单元( Memory Unit,MU)三大部 分。这三个部分相互协调,便可以进行分析,判断、运算并控制计算机各部分协 调工作 影响CPU性能的主要因素: 1.主频 CPU内部的时钟频率,是CPU运行时的工作频率。一般来说,主频越高,一个 时钟周期里完成的指令数也越多,CPU的运算速度也越快。但由于内部结构不同, 并非所有时钟相同的CPU性能都一样。CPU的主频已经从8086的4.77MHz提高到 Pentium Iv的3.06GMHz(lG=1000MHz)。 2.外频 外频是CP与周边设备传输数据的频率,具体是指CPU到芯片组之间的总线速 度。外频时钟由电脑主板时钟电路提供,一般情况下CPU的前端总线(FSB)频率与 主板提供的工作频率相同。由于计算机系统中的内存工作频率一般与外频同步, 所以提高外频后可以间接提高计算机的整体性能。现在的主板外频已经提高到 533MHz 3.倍频 倍频是CPU和系统总线之问相差的倍数。40686之前并没有倍频的概念,CPU 的主频和系统总线的频率是一样的,但是CPU的速度越来越快,倍频技术也就应 运而生。它可以使系统总线工作在相对较低的频率上,而CPU的频率可以通过倍 频来提升。现在CP主频的计算公式为:主频=外频×倍频。例如 Pentiumly2.4G, 其外频为400MHz,倍频为6,则CPU的主频为:400MHz×6=2400MHz 4.指令系统 算机系统主要由硬件和软件两部分组成,其中软件是为了便于用户使用计算 机而编写的各种程序,但这些程序都必须转换成CP的机器指令后才能在计算机 上运行。CPU的机器指令集就构成了该机的指令系统。现在的指令系统有很多
微机原理小论文 CPU 技术的分析与发展 李赓 00748029 高就代表了性能越高。不过从CPU 的最新发展中我们将看到，这个思路越来越显 现出它的局限性。 其实，除了时钟频率外，总线结构、接口技术、内存缓存结构和大小、指令 集、工作模式、制造工艺等方面因素都是影响CPU性能的重要因素。同时，随着 计算机用户的深入普及，计算机CPU 的处理能力要适应用户的使用环境需要，适 应应用程序的需要，逐渐成为CPU 发展的重要导向，因此CPU 的发展中逐步出现 了为适应应用程序的其他技术如：管理功能、处理器编序列号、芯片组群集等。 CPU性能分析： CPU(Central Processing unit)是中央处理器的缩写。它是计算机的大脑和 心脏，由运算器和控制器组成，它的工作速度快慢直接影响到整个计算机的运行 速度。CPU集成了成千上万个晶体管，可以分为控制单元(ControI unit，Cu)、 逻辑单元(Arlthmetic Logic unit，ALU)、存储单元(Memory Unit，MU)三大部 分。这三个部分相互协调，便可以进行分析，判断、运算并控制计算机各部分协 调工作。 影响CPU性能的主要因素： 1.主频 CPU内部的时钟频率，是CPU运行时的工作频率。一般来说，主频越高，一个 时钟周期里完成的指令数也越多，CPU的运算速度也越快。但由于内部结构不同， 并非所有时钟相同的CPU性能都一样。CPU的主频已经从8086的4．77MHz提高到 Pentium IV的3．06GMHz(1G=1000MHz)。 2.外频 外频是CPU与周边设备传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速 度。外频时钟由电脑主板时钟电路提供，一般情况下CPU的前端总线(FSB)频率与 主板提供的工作频率相同。由于计算机系统中的内存工作频率一般与外频同步， 所以提高外频后可以间接提高计算机的整体性能。现在的主板外频已经提高到 533MHz。 3.倍频 倍频是CPU和系统总线之问相差的倍数。40686之前并没有倍频的概念，CPU 的主频和系统总线的频率是一样的，但是CPU的速度越来越快，倍频技术也就应 运而生。它可以使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU的频率可以通过倍 频来提升。现在CPU主频的计算公式为：主频=外频×倍频。例如Pentiumlv2．4G， 其外频为400MHz，倍频为6，则CPU的主频为：400MHz×6=2400MHz。 4.指令系统 算机系统主要由硬件和软件两部分组成，其中软件是为了便于用户使用计算 机而编写的各种程序，但这些程序都必须转换成CPU的机器指令后才能在计算机 上运行。CPU的机器指令集就构成了该机的指令系统。现在的指令系统有很多， 4