微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域，微處理器大致可以分為三類：通用高性能微處理器、嵌入式微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器、微控制器。一般而言，通用處理器追求高性能，它們用于運(yùn)行通用軟件，配備完備、復(fù)雜的操作系統(tǒng)；嵌入式微處理器強(qiáng)調(diào)處理特定應(yīng)用問題的高性能，主要用于運(yùn)行面向特定領(lǐng)域的專用程序，配備輕量級(jí)操作系統(tǒng)，主要用于蜂窩電話、CD播放機(jī)等消費(fèi)類家電；微控制器價(jià)位相對(duì)較低，在微處理器市場(chǎng)上需求量最大，主要用于汽車、空調(diào)、自動(dòng)機(jī)械等領(lǐng)域的自控設(shè)備。

CPU是Central Processing Unit（中央微處理器）的縮寫，它是計(jì)算機(jī)中最重要的一個(gè)部分，由運(yùn)算器和控制器組成。如果把計(jì)算機(jī)比作人，那么CPU就是人的大腦。CPU的發(fā)展非常迅速，個(gè)人電腦從8088(XT)發(fā)展到Pentium 4時(shí)代，只經(jīng)過了二十一年的時(shí)間。

微處理器由算術(shù)邏輯單元（ALU，Arithmetic Logical Unit）；累加器和通用寄存器組；程序計(jì)數(shù)器（也叫指令指標(biāo)器）；時(shí)序和控制邏輯部件；數(shù)據(jù)與地址鎖存器/緩沖器；內(nèi)部總線組成。其中運(yùn)算器和控制器是其主要組成部分。

微處理器算術(shù)邏輯單元

算術(shù)邏輯單元ALU主要完成算術(shù)運(yùn)算（ ，－、×、÷、比較）和各種邏輯運(yùn)算（與、或、非、異或、移位）等操作。ALU是組合電路，本身無寄存操作數(shù)的功能，因而必須有保存操作數(shù)的兩個(gè)寄存器：暫存器TMP和累加器AC，累加器既向ALU提供操作數(shù)，又接收ALU的運(yùn)算結(jié)果。

寄存器陣列實(shí)際上相當(dāng)于微處理器內(nèi)部的RAM，它包括通用寄存器組和專用寄存器組兩部分，通用寄存器（A，B，C，D）用來存放參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果或地址。它們一般均可作為兩個(gè)8位的寄存器來使用。處理器內(nèi)部有了這些寄存器之后，就可避免頻繁地訪問存儲(chǔ)器，可縮短指令長(zhǎng)度和指令執(zhí)行時(shí)間，提高機(jī)器的運(yùn)行速度，也給編程帶來方便。專用寄存器包括程序計(jì)數(shù)器PC、堆棧指示器SP和標(biāo)志寄存器FR，它們的作用是固定的，用來存放地址或地址基值。其中：

A）程序計(jì)數(shù)器PC用來存放下一條要執(zhí)行的指令地址，因而它控制著程序的執(zhí)行順序。在順序執(zhí)行指令的條件下，每取出指令的一個(gè)字節(jié)，PC的內(nèi)容自動(dòng)加1。當(dāng)程序發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，就必須把新的指令地址（目標(biāo)地址）裝入PC，這通常由轉(zhuǎn)移指令來實(shí)現(xiàn)。

B）堆棧指示器SP用來存放棧頂?shù)刂?。堆棧是存?chǔ)器中的一個(gè)特定區(qū)域。它按“后進(jìn)先出”方式工作，當(dāng)新的數(shù)據(jù)壓入堆棧時(shí)，棧中原存信息不變，只改變棧頂位置，當(dāng)數(shù)據(jù)從棧彈出時(shí)，彈出的是棧頂位置的數(shù)據(jù)，彈出后自動(dòng)調(diào)正棧頂位置。也就是說，數(shù)據(jù)在進(jìn)行壓棧、出棧操作時(shí)，總是在棧頂進(jìn)行。堆棧一旦初始化（即確定了棧底在內(nèi)存中的位置）后，SP的內(nèi)容（即棧頂位置）使由CPU自動(dòng)管理。

C）標(biāo)志寄存器也稱程序狀態(tài)字（PSW）寄存器，用來存放算術(shù)、邏輯運(yùn)算指令執(zhí)行后的結(jié)果特征，如結(jié)果為0時(shí)，產(chǎn)生進(jìn)位或溢出標(biāo)志等。

定時(shí)與控制邏輯是微處理器的核心控制部件，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制、包括從存儲(chǔ)器中取指令，分析指令（即指令譯碼）確定指令操作和操作數(shù)地址，取操作數(shù)，執(zhí)行指令規(guī)定的操作，送運(yùn)算結(jié)果到存儲(chǔ)器或I/O端口等。它還向微機(jī)的其它各部件發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，使CPU內(nèi)、外各部件間協(xié)調(diào)工作。

內(nèi)部總線用來連接微處理器的各功能部件并傳送微處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。

必須指出，微處理器本身并不能單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的工作系統(tǒng)，也不能獨(dú)立地執(zhí)行程序，必須配上存 儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)后才能獨(dú)立工作。

微處理器存儲(chǔ)器

微型計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器用來存放當(dāng)前正在使用的或經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器按讀、寫方式分為隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM（Random Access Memory）和只讀存儲(chǔ)器ROM（Read only Memory）。RAM也稱為讀/寫存儲(chǔ)器，工作過程中CPU可根據(jù)需要隨時(shí)對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。RAM是易失性存儲(chǔ)器，即其內(nèi)容在斷電后會(huì)全部丟失，因而只能存放暫時(shí)性的程序和數(shù)據(jù)。ROM的內(nèi)容只能讀出不能寫入，斷電后其所存信息仍保留不變，是非易失性存儲(chǔ)器。所以ROM常用來存放永久件的程序和數(shù)據(jù)。如初始導(dǎo)引程序、監(jiān)控程序、操作系統(tǒng)中的基本輸入、輸出管理程序BIOS等。

微處理器I/O接口

輸入/輸出接口電路是微型計(jì)算機(jī)的重要組成部件。他是微型計(jì)算機(jī)連接外部輸入、輸出設(shè)備及各種控制對(duì)象并與外界進(jìn)行信息交換的邏輯控制電路。由于外設(shè)的結(jié)構(gòu)、工作速度、信號(hào)形式和數(shù)據(jù)格式等各不相同，因此它們不能直接掛接到系統(tǒng)總線上，必須用輸入/輸出接口電路來做中間轉(zhuǎn)換，才能實(shí)現(xiàn)與CPU間的信息交換。I/O接口也稱I/O適配器，不同的外設(shè)必須配備不同的I/O適配器。I/O接口電路是微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。任何一個(gè)微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制和設(shè)計(jì)，實(shí)際上主要是I/O接口的研制和設(shè)計(jì)。因此I/O接口技術(shù)是本課程討論的重要內(nèi)容之一，我們將在第八章中詳細(xì)介紹。

微處理器總線

總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件之間傳送信息的公共通道，是微型計(jì)算機(jī)的重要組成部件。它由若干條通信線和起驅(qū)動(dòng)，隔離作用的各種三態(tài)門器件組成。微型計(jì)算機(jī)在結(jié)構(gòu)形式上總是采用總線結(jié)構(gòu)，即構(gòu)成微機(jī)的各功能部件（微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路等）之間通過總線相連接，這是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的獨(dú)特之處。采用總線結(jié)構(gòu)之后，使系統(tǒng)中各功能部件間的相互關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞑考嫦蚩偩€的單一關(guān)系，一個(gè)部件（功能板/卡）只要符合總線標(biāo)準(zhǔn)，就可以連接到采用這種總線標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)中，從而使系統(tǒng)功能擴(kuò)充或更新容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性大大提高。在微型計(jì)算機(jī)中，根據(jù)他們所處位置和應(yīng)用場(chǎng)合，總線可被分為以下四級(jí)，如圖1.4所示。

（1）片內(nèi)總線：它位于微處理器芯片內(nèi)部，故稱為芯片內(nèi)部總線。用于微處理器內(nèi)部ALU和各種寄存器等部件間的互連及信息傳送（如圖1.3中的內(nèi)部總線就是片內(nèi)總線）。由于受芯片面積及對(duì)外引腳數(shù)的限制，片內(nèi)總線大多采用單總線結(jié)構(gòu)，這有利于芯片集成度和成品率的提高，如果要求加快內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送速度，也可采用雙總線或三總線結(jié)構(gòu)。

（2）片總線：片總線又稱元件級(jí)（芯片級(jí)）總線或局部總線。微機(jī)主板、單扳機(jī)以及其它一些插件板、卡（如各種I/O接口板/卡），它們本身就是一個(gè)完整的子系統(tǒng)，板/卡上包含有CPU，RAM，ROM，I/O接口等各種芯片，這些芯片間也是通過總線來連接的，因?yàn)檫@有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少連線，提高可靠性，方便信息的傳送與控制。通常把各種板、卡上實(shí)現(xiàn)芯片間相互連接的總線稱為片總線或元件級(jí)總線。

相對(duì)于一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)來說，各種板/卡只是一個(gè)子系統(tǒng)，是一個(gè)局部，故又把片總線稱為局部總線，而把用于連接微機(jī)各功能部件插卡的總線稱為系統(tǒng)總線。局部總線是一個(gè)重要的概念，我們將在第七章中討論。

（3）內(nèi)總線：內(nèi)總線又稱系統(tǒng)總線或板級(jí)總線。因?yàn)樵摽偩€是用來連接微機(jī)各功能部件而構(gòu)成一個(gè)完整微機(jī)系統(tǒng)的，如圖1.2中所示，所以稱之為系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線是微機(jī)系統(tǒng)中最重要的總線，人們平常所說的微機(jī)總線就是指系統(tǒng)總線，如PC總線、AT總線（ISA總線）、PCI總線等。系統(tǒng)總線是我們要討論的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

系統(tǒng)總線上傳送的信息包括數(shù)據(jù)信息、地址信息、控制信息，因此，系統(tǒng)總線包含有三種不同功能的總線，即數(shù)據(jù)總線DB（Data Bus）、地址總線AB（Address Bus）和控制總線CB（Control Bus），如圖1.2中所示。

數(shù)據(jù)總線DB用于傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)形式的總線，即他既可以把CPU的數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器或I/O接口等其它部件，也可以將其它部件的數(shù)據(jù)傳送到CPU。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)，通常與微處理的字長(zhǎng)相一致。例如Intel 8086微處理器字長(zhǎng)16位，其數(shù)據(jù)總線寬度也是16位。需要指出的是，數(shù)據(jù)的含義是廣義的，它可以是真正的數(shù)據(jù)，也可以指令代碼或狀態(tài)信息，有時(shí)甚至是一個(gè)控制信息，因此，在實(shí)際工作中，數(shù)據(jù)總線上傳送的并不一定僅僅是真正意義上的數(shù)據(jù)。

地址總線AB是專門用來傳送地址的，由于地址只能從CPU傳向外部存儲(chǔ)器或I/O端口，所以地址總線總是單向三態(tài)的，這與數(shù)據(jù)總線不同。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小，比如8位微機(jī)的地址總線為16位，則其最大可尋址空間為2^16=64KB，16位微型機(jī)的地址總線為20位，其可尋址空間為2^20=1MB。一般來說，若地址總線為n位，則可尋址空間為2^n字節(jié)。

控制總線CB用來傳送控制信號(hào)和時(shí)序信號(hào)。控制信號(hào)中，有的是微處理器送往存儲(chǔ)器和I/O接口電路的，如讀/寫信號(hào)，片選信號(hào)、中斷響應(yīng)信號(hào)等；也有是其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請(qǐng)信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、總線請(qǐng)求信號(hào)、限備就緒信號(hào)等。因此，控制總線的傳送方向由具體控制信號(hào)而定，一般是雙向的，控制總線的位數(shù)要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際控制需要而定。實(shí)際上控制總線的具體情況主要取決于CPU。

（4）外總線：也稱通信總線。用于兩個(gè)系統(tǒng)之間的連接與通信，如兩臺(tái)微機(jī)系統(tǒng)之間、微機(jī)系統(tǒng)與其他電子儀器或電子設(shè)備之間的通信。常用的通信總線有IEEE-488總線，VXI總線和RS-232串行總線等。外總線不是微機(jī)系統(tǒng)本身固有的，只有微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中才有。

CPU發(fā)展已經(jīng)有多年的歷史了，這期間，按照其處理信息的字長(zhǎng)，CPU可以分為：4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器以及最新的64位微處理器，可以說個(gè)人電腦的發(fā)展是隨著CPU的發(fā)展而前進(jìn)的。微機(jī)是指以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為主要部件，以集成了計(jì)算機(jī)主要部件——控制器和運(yùn)算器的微處理器MP（Micro Processor）為核心，所構(gòu)造出的計(jì)算系經(jīng)過30多年的發(fā)展，微處理器的發(fā)展大致可分為：

微處理器第一代

第一階段

（1971—1973年）通常以字長(zhǎng)是4位或8位微處理器，典型的是美國(guó) Intel 4004和Intel 8008微處理器。Intel 4004是一種4位微處理器，可進(jìn)行4位二進(jìn)制的并行運(yùn)算，它有45條指令，速度0.05MIPs（Million Instruction Per Second，每秒百萬條指令）。Intel 4004的功能有限，主要用于計(jì)算器、電動(dòng)打字機(jī)、照相機(jī)、臺(tái)秤、電視機(jī)等家用電器上，使這些電器設(shè)備具有智能化，從而提高它們的性能。Intel 8008是世界上第一種8位的微處理器。存儲(chǔ)器采用PMOS工藝。該階段計(jì)算機(jī)工作速度較慢，微處理器的指令系統(tǒng)不完整，存儲(chǔ)器容量很小，只有幾百字節(jié)，沒有操作系統(tǒng)，只有匯編語言。主要用于工業(yè)儀表、過程控制。

微處理器第二代

（1974—1977年）典型的微處理器有Intel 8080/8085，Zilog公司的Z80和Motorola公司的M6800。與第一代微處理器相比，集成度提高了1～4倍，運(yùn)算速度提高了10～15倍，指令系統(tǒng)相對(duì)比較完善，已具備典型的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及中斷、直接存儲(chǔ)器存取等功能。

由于微處理器可用來完成很多以前需要用較大設(shè)備完成的計(jì)算任務(wù)，價(jià)格又便宜，于是各半導(dǎo)體公司開始競(jìng)相生產(chǎn)微處理器芯片。Zilog公司生產(chǎn)了8080的增強(qiáng)型Z80，摩托羅拉公司生產(chǎn)了6800，英特爾公司于1976年又生產(chǎn)了增強(qiáng)型8085,但這些芯片基本沒有改變8080的基本特點(diǎn)，都屬于第二代微處理器。它們均采用NMOS工藝,集成度約9000只晶體管,平均指令執(zhí)行時(shí)間為1μS～2μS,采用匯編語言、BASIC、Fortran編程，使用單用戶操作系統(tǒng)。

微處理器第三代

第三階段（1978—1984年）即16位微處理器。1978 年，Intel公司率先推出16位微處理器8086，同時(shí)，為了方便原來的8位機(jī)用戶，Intel公司又提出了一種準(zhǔn)16位微處理器8088。

8086微處理器最高主頻速度為8MHz，具有16位數(shù)據(jù)通道，內(nèi)存尋址能力為1MB。同時(shí)英特爾還生產(chǎn)出與之相配合的數(shù)學(xué)協(xié)處理器i8087,這兩種芯片使用相互兼容的指令集，但i8087指令集中增加了一些專門用于對(duì)數(shù)、指數(shù)和三角函數(shù)等數(shù)學(xué)計(jì)算的指令。人們將這些指令集統(tǒng)一稱之為 x86指令集。雖然以后英特爾又陸續(xù)生產(chǎn)出第二代、第三代等更先進(jìn)和更快的新型CPU，但都仍然兼容原來的x86指令，而且英特爾在后續(xù)CPU的命名上沿用了原先的x86序列，直到后來因商標(biāo)注冊(cè)問題，才放棄了繼續(xù)用阿拉伯?dāng)?shù)字命名。

1979年，英特爾公司又開發(fā)出了8088。8086和8088在芯片內(nèi)部均采用16位數(shù)據(jù)傳輸，所以都稱為16位微處理器，但8086每周期能傳送或接收16位數(shù)據(jù)，而8088每周期只采用8位。因?yàn)樽畛醯拇蟛糠衷O(shè)備和芯片是8位的，而8088的外部8位數(shù)據(jù)傳送、接收能與這些設(shè)備相兼容。8088采用40針的DIP封裝，工作頻率為6.66MHz、7.16MHz或8MHz，微處理器集成了大約29000個(gè)晶體管。

在Intel公司推出8086、8088 CPU之后，各公司也相繼推出了同類的產(chǎn)品，有Zilog公司Z8000和Motorola公司的M68000等。16位微處理器比8位微處理器有更大的尋址空間、更強(qiáng)的運(yùn)算能力、更快的處理速度和更完善的指令系統(tǒng)。所以，16位微處理器已能夠替代部分小型機(jī)的功能，特別在單任務(wù)、單用戶的系統(tǒng)中，8086等16位微處理器更是得到了廣泛的應(yīng)用。

1981年，美國(guó)IBM公司將8088芯片用于其研制的IBM-PC機(jī)中，從而開創(chuàng)了全新的微機(jī)時(shí)代。也正是從8088開始，個(gè)人電腦(PC)的概念開始在全世界范圍內(nèi)發(fā)展起來。從8088應(yīng)用到IBM PC機(jī)上開始,個(gè)人電腦真正走進(jìn)了人們的工作和生活之中，它也標(biāo)志著一個(gè)新時(shí)代的開始。

1982年，英特爾公司在8086的基礎(chǔ)上，研制出了80286微處理器，該微處理器的最大主頻為20MHz，內(nèi)、外部數(shù)據(jù)傳輸均為16位，使用24位內(nèi)存儲(chǔ)器的尋址，內(nèi)存尋址能力為16MB。80286可工作于兩種方式，一種叫實(shí)模式，另一種叫保護(hù)方式。

在實(shí)模式下，微處理器可以訪問的內(nèi)存總量限制在1兆字節(jié)；而在保護(hù)方式之下，80286可直接訪問16兆字節(jié)的內(nèi)存。此外，80286工作在保護(hù)方式之下，可以保護(hù)操作系統(tǒng)，使之不像實(shí)模式或8086等不受保護(hù)的微處理器那樣，在遇到異常應(yīng)用時(shí)會(huì)使系統(tǒng)停機(jī)。

IBM公司將80286微處理器用在先進(jìn)技術(shù)微機(jī)即AT機(jī)中，引起了極大的轟動(dòng)。80286在以下四個(gè)方面比它的前輩有顯著的改進(jìn)：支持更大的內(nèi)存；能夠模擬內(nèi)存空間；能同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)；提高了處理速度。

最早PC機(jī)的速度是4MHz，第一臺(tái)基于80286的AT機(jī)運(yùn)行速度為6MHz至8MHz，一些制造商還自行提高速度，使80286達(dá)到了20MHz，這意味著性能上有了重大的進(jìn)步。

80286的封裝是一種被稱為PGA的正方形包裝。PGA是源于PLCC的便宜封裝，它有一塊內(nèi)部和外部固體插腳，在這個(gè)封裝中，80286集成了大約130000個(gè)晶體管。

IBM PC/AT微機(jī)的總線保持了XT的三層總線結(jié)構(gòu)，并增加了高低位字節(jié)總線驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換邏輯和高位字節(jié)總線。與XT機(jī)一樣，CPU也是焊接在主板上的。

微處理器第四代

第四階段（1985—1992年）即32位微處理器。1985年10月17日，英特爾劃時(shí)代的產(chǎn)品——80386DX正式發(fā)布了，其內(nèi)部包含27.5萬個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率為12.5MHz，后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz，最后還有少量的40MHz產(chǎn)品。

80386DX的內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線是32位，地址總線也是32位，可以尋址到4GB內(nèi)存，并可以管理64TB的虛擬存儲(chǔ)空間。它的運(yùn)算模式除了具有實(shí)模式和保護(hù)模式以外，還增加了一種“虛擬86”的工作方式，可以通過同時(shí)模擬多個(gè)8086微處理器來提供多任務(wù)能力。

80386DX有比80286更多的指令，頻率為12.5MHz的80386每秒鐘可執(zhí)行6百萬條指令，比頻率為16MHz的80286快2.2倍。80386最經(jīng)典的產(chǎn)品為80386DX－33MHz，一般我們說的80386就是指它。

由于32位微處理器的強(qiáng)大運(yùn)算能力，PC的應(yīng)用擴(kuò)展到很多的領(lǐng)域，如商業(yè)辦公和計(jì)算、工程設(shè)計(jì)和計(jì)算、數(shù)據(jù)中心、個(gè)人娛樂。80386使32位CPU成為了PC工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

1989年英特爾公司又推出準(zhǔn)32位微處理器芯片80386SX。這是Intel為了擴(kuò)大市場(chǎng)份額而推出的一種較便宜的普及型CPU，它的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線為32位，外部數(shù)據(jù)總線為16位，它可以接受為80286開發(fā)的16位輸入/輸出接口芯片，降低整機(jī)成本。80386SX推出后，受到市場(chǎng)的廣泛的歡迎，因?yàn)?0386SX的性能大大優(yōu)于80286，而價(jià)格只是80386的三分之一。

1989年，我們大家耳熟能詳?shù)?0486芯片由英特爾推出。這款經(jīng)過四年開發(fā)和3億美元資金投入的芯片的偉大之處在于它首次實(shí)破了100萬個(gè)晶體管的界限，集成了120萬個(gè)晶體管，使用1微米的制造工藝。80486的時(shí)鐘頻率從25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。

80486是將80386和數(shù)學(xué)協(xié)微處理器80387以及一個(gè)8KB的高速緩存集成在一個(gè)芯片內(nèi)。80486中集成的80487的數(shù)字運(yùn)算速度是以前80387的兩倍，內(nèi)部緩存縮短了微處理器與慢速DRAM的等待時(shí)間。并且，在80x86系列中首次采用了RISC（精簡(jiǎn)指令集）技術(shù)，可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令。它還采用了突發(fā)總線方式，大大提高了與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換速度。由于這些改進(jìn)，80486的性能比帶有80387數(shù)學(xué)協(xié)微處理器的80386 DX性能提高了4倍。

微處理器第五代

第5階段（1993-2005年）是奔騰（pentium）系列微處理器時(shí)代，通常稱為第5代。典型產(chǎn)品是Intel公司的奔騰系列芯片及與之兼容的AMD的K6系列微處理器芯片。內(nèi)部采用了超標(biāo)量指令流水線結(jié)構(gòu)，并具有相互獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)高速緩存。隨著MMX（MultiMediaeXtended）微處理器的出現(xiàn)，使微機(jī)的發(fā)展在網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化和智能化等方面跨上了更高的臺(tái)階。

早期的奔騰75MHz～120MHz使用0.5微米的制造工藝，后期120MHz頻率以上的奔騰則改用0.35微米工藝。經(jīng)典奔騰的性能相當(dāng)平均，整數(shù)運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算都不錯(cuò)?！榱颂岣唠娔X在多媒體、3D圖形方面的應(yīng)用能力，許多新指令集應(yīng)運(yùn)而生，其中最著名的三種便是英特爾的MMX、SSE和AMD的3D NOW!。 MMX（MultiMedia Extensions，多媒體擴(kuò)展指令集）是英特爾于1996年發(fā)明的一項(xiàng)多媒體指令增強(qiáng)技術(shù)，包括57條多媒體指令，這些指令可以一次處理多個(gè)數(shù)據(jù)，MMX技術(shù)在軟件的配合下，就可以得到更好的性能。

多能奔騰(Pentium MMX)的正式名稱就是“帶有MMX技術(shù)的Pentium”，是在1996年底發(fā)布的。從多能奔騰開始，英特爾就對(duì)其生產(chǎn)的CPU開始鎖倍頻了，但是MMX的CPU超外頻能力特別強(qiáng)，而且還可以通過提高核心電壓來超倍頻，所以那個(gè)時(shí)候超頻是一個(gè)很時(shí)髦的行動(dòng)。超頻這個(gè)詞語也是從那個(gè)時(shí)候開始流行的。

多能奔騰是繼Pentium后英特爾又一個(gè)成功的產(chǎn)品，其生命力也相當(dāng)頑強(qiáng)。多能奔騰在原Pentium的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重大的改進(jìn)，增加了片內(nèi)16KB數(shù)據(jù)緩存和16KB指令緩存，4路寫緩存以及分支預(yù)測(cè)單元和返回堆棧技術(shù)。特別是新增加的57條MMX多媒體指令，使得多能奔騰即使在運(yùn)行非MMX優(yōu)化的程序時(shí)，也比同主頻的Pentium CPU要快得多。

1997年推出的Pentium II處理器結(jié)合了Intel MMX技術(shù)，能以極高的效率處理影片、音效、以及繪圖資料，首次采用Single Edge Contact (S.E.C) 匣型封裝，內(nèi)建了高速快取記憶體。這款晶片讓電腦使用者擷取、編輯、以及透過網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)和親友分享數(shù)位相片、編輯與新增文字、音樂或制作家庭電影的轉(zhuǎn)場(chǎng)效果、使用視訊電話以及透過標(biāo)準(zhǔn)電話線與網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)傳送影片，Intel Pentium II處理器晶體管數(shù)目為750萬顆。

Pentium III 處理器加入70個(gè)新指令，加入網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)串流SIMD延伸集稱為MMX，能大幅提升先進(jìn)影像、3D、串流音樂、影片、語音辨識(shí)等應(yīng)用的性能，它能大幅提升網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)的使用經(jīng)驗(yàn)，讓使用者能瀏覽逼真的線上博物館與商店，以及下載高品質(zhì)影片，Intel首次導(dǎo)入0.25微米技術(shù)，Intel Pentium III晶體管數(shù)目約為950萬顆。

與此同年，英特爾還發(fā)布了PentiumIII Xeon處理器。作為PentiumII Xeon的后繼者，除了在內(nèi)核架構(gòu)上采納全新設(shè)計(jì)以外，也繼承了Pentium III處理器新增的70條指令集，以更好執(zhí)行多媒體、流媒體應(yīng)用軟件。除了面對(duì)企業(yè)級(jí)的市場(chǎng)以外，Pentium III Xeon加強(qiáng)了電子商務(wù)應(yīng)用與高階商務(wù)計(jì)算的能力。在緩存速度與系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)上，也有很多進(jìn)步，很大程度提升了性能，并為更好的多處理器協(xié)同工作進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2000年推出的Pentium 4處理器內(nèi)建了4200萬個(gè)晶體管，以及采用0.18微米的電路，Pentium 4初期推出版本的速度就高達(dá)1.5GHz，晶體管數(shù)目約為4200萬顆，翌年8月，Pentium 4 處理理達(dá)到2 GHz的里程碑。2002年英特爾推出新款I(lǐng)ntel Pentium 4處理器內(nèi)含創(chuàng)新的Hyper-Threading(HT）超線程技術(shù)。超線程技術(shù)打造出新等級(jí)的高性能桌上型電腦，能同時(shí)快速執(zhí)行多項(xiàng)運(yùn)算應(yīng)用，或針對(duì)支持多重線程的軟件帶來更高的性能。超線程技術(shù)讓電腦性能增加25%。除了為桌上型電腦使用者提供超線程技術(shù)外，英特爾也達(dá)成另一項(xiàng)電腦里程碑，就是推出運(yùn)作頻率達(dá)3.06 GHz的Pentium 4處理器，是首款每秒執(zhí)行30億個(gè)運(yùn)算周期的商業(yè)微處理器，如此優(yōu)異的性能要?dú)w功于當(dāng)時(shí)業(yè)界最先進(jìn)的0.13微米制程技術(shù)，翌年，內(nèi)建超線程技術(shù)的Intel Pentium 4處理器頻率達(dá)到3.2 GHz。

PentiumM：由以色列小組專門設(shè)計(jì)的新型移動(dòng)CPU，Pentium M是英特爾公司的x86架構(gòu)微處理器，供筆記簿型個(gè)人電腦使用，亦被作為Centrino的一部分，于2003年3月推出。公布有以下主頻：標(biāo)準(zhǔn)1.6GHz，1.5GHz，1.4GHz，1.3GHz，低電壓1.1GHz，超低電壓900MHz。為了在低主頻得到高效能，Banias作出了優(yōu)化，使每個(gè)時(shí)鐘所能執(zhí)行的指令數(shù)目更多，并通過高級(jí)分支預(yù)測(cè)來降低錯(cuò)誤預(yù)測(cè)率。另外最突出的改進(jìn)就L2高速緩存增至1MB（P3-M和P4-M都只有512KB），估計(jì)Banias數(shù)目高達(dá)7700萬的晶體管大部分就用在這上。

此外還有一系列與減少功耗有關(guān)的設(shè)計(jì)：增強(qiáng)型Speedstep技術(shù)是必不可少的了，擁有多個(gè)供電電壓和計(jì)算頻率，從而使性能可以更好地滿足應(yīng)用需求。

智能供電分布可將系統(tǒng)電量集中分布到處理器需要的地方，并關(guān)閉空閑的應(yīng)用；移動(dòng)電壓定位（MVPIV）技術(shù)可根據(jù)處理器活動(dòng)動(dòng)態(tài)降低電壓，從而支持更低的散熱設(shè)計(jì)功率和更小巧的外形設(shè)計(jì)；經(jīng)優(yōu)化功率的400MHz系統(tǒng)總線；Micro－opsfusion微操作指令融合技術(shù)，在存在多個(gè)可同時(shí)執(zhí)行的指令的情況下，將這些指令合成為一個(gè)指令，以提高性能與電力使用效率。專用的堆棧管理器，使用記錄內(nèi)部運(yùn)行情況的專用硬件，處理器可無中斷執(zhí)行程序。

Banias所對(duì)應(yīng)的芯片組為855系列，855芯片組由北橋芯片855和南橋芯片ICH4-M組成，北橋芯片分為不帶內(nèi)置顯卡的855PM（代號(hào)Odem）和帶內(nèi)置顯卡的855GM（代號(hào)Montara-GM），支持高達(dá)2GB的DDR266/200內(nèi)存，AGP4X，USB2.0，兩組ATA-100、AC97音效及Modem。其中855GM為三維及顯示引擎優(yōu)化InternalClockGating，它可以在需要時(shí)才進(jìn)行三維顯示引擎供電，從而降低芯片組的功率。

2005年Intel推出的雙核心處理器有Pentium D和Pentium Extreme Edition，同時(shí)推出945/955/965/975芯片組來支持新推出的雙核心處理器，采用90nm工藝生產(chǎn)的這兩款新推出的雙核心處理器使用是沒有針腳的LGA 775接口，但處理器底部的貼片電容數(shù)目有所增加，排列方式也有所不同。

桌面平臺(tái)的核心代號(hào)Smithfield的處理器，正式命名為Pentium D處理器，除了擺脫阿拉伯?dāng)?shù)字改用英文字母來表示這次雙核心處理器的世代交替外，D的字母也更容易讓人聯(lián)想起Dual-Core雙核心的涵義。

Intel的雙核心構(gòu)架更像是一個(gè)雙CPU平臺(tái)，Pentium D處理器繼續(xù)沿用Prescott架構(gòu)及90nm生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)。Pentium D內(nèi)核實(shí)際上由于兩個(gè)獨(dú)立的2獨(dú)立的Prescott核心組成，每個(gè)核心擁有獨(dú)立的1MB L2緩存及執(zhí)行單元，兩個(gè)核心加起來一共擁有2MB，但由于處理器中的兩個(gè)核心都擁有獨(dú)立的緩存，因此必須保正每個(gè)二級(jí)緩存當(dāng)中的信息完全一致，否則就會(huì)出現(xiàn)運(yùn)算錯(cuò)誤。

為了解決這一問題，Intel將兩個(gè)核心之間的協(xié)調(diào)工作交給了外部的MCH（北橋）芯片，雖然緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)并不巨大，但由于需要通過外部的MCH芯片進(jìn)行協(xié)調(diào)處理，毫無疑問的會(huì)對(duì)整個(gè)的處理速度帶來一定的延遲，從而影響到處理器整體性能的發(fā)揮。

由于采用Prescott內(nèi)核，因此Pentium D也支持EM64T技術(shù)、XD bit安全技術(shù)。值得一提的是，Pentium D處理器將不支持Hyper-Threading技術(shù)。原因很明顯：在多個(gè)物理處理器及多個(gè)邏輯處理器之間正確分配數(shù)據(jù)流、平衡運(yùn)算任務(wù)并非易事。比如，如果應(yīng)用程序需要兩個(gè)運(yùn)算線程，很明顯每個(gè)線程對(duì)應(yīng)一個(gè)物理內(nèi)核，但如果有3個(gè)運(yùn)算線程呢？因此為了減少雙核心Pentium D架構(gòu)復(fù)雜性，英特爾決定在針對(duì)主流市場(chǎng)的Pentium D中取消對(duì)Hyper-Threading技術(shù)的支持。

同出自Intel之手，而且Pentium D和Pentium Extreme Edition兩款雙核心處理器名字上的差別也預(yù)示著這兩款處理器在規(guī)格上也不盡相同。其中它們之間最大的不同就是對(duì)于超線程（Hyper-Threading）技術(shù)的支持。Pentium D不支持超線程技術(shù)，而Pentium Extreme Edition則沒有這方面的限制。在打開超線程技術(shù)的情況下，雙核心Pentium Extreme Edition處理器能夠模擬出另外兩個(gè)邏輯處理器，可以被系統(tǒng)認(rèn)成四核心系統(tǒng)。

Pentium EE系列都采用三位數(shù)字的方式來標(biāo)注，形式是Pentium EE8xx或9xx，例如Pentium EE840等等，數(shù)字越大就表示規(guī)格越高或支持的特性越多。

Pentium EE8x0：表示這是Smithfield核心、每核心1MB二級(jí)緩存、800MHzFSB的產(chǎn)品，其與PentiumD8x0系列的唯一區(qū)別僅僅只是增加了對(duì)超線程技術(shù)的支持，除此之外其它的技術(shù)特性和參數(shù)都完全相同。

Pentium EE9x5：表示這是Presler核心、每核心2MB二級(jí)緩存、1066MHzFSB的產(chǎn)品，其與PentiumD9x0系列的區(qū)別只是增加了對(duì)超線程技術(shù)的支持以及將前端總線提高到1066MHzFSB，除此之外其它的技術(shù)特性和參數(shù)都完全相同。

單核心的Pentium 4、Pentium 4 EE、Celeron D以及雙核心的Pentium D和Pentium EE等CPU采用LGA775封裝。與以前的Socket 478接口CPU不同，LGA 775接口CPU的底部沒有傳統(tǒng)的針腳，而代之以775個(gè)觸點(diǎn)，即并非針腳式而是觸點(diǎn)式，通過與對(duì)應(yīng)的LGA 775插槽內(nèi)的775根觸針接觸來傳輸信號(hào)。LGA 775接口不僅能夠有效提升處理器的信號(hào)強(qiáng)度、提升處理器頻率，同時(shí)也可以提高處理器生產(chǎn)的良品率、降低生產(chǎn)成本。

微處理器第六代

第6階段（2005年至今）是酷睿（core）系列微處理器時(shí)代，通常稱為第6代?！翱犷！笔且豢铑I(lǐng)先節(jié)能的新型微架構(gòu)，設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是提供卓然出眾的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所謂的能效比。早期的酷睿是基于筆記本處理器的。 酷睿2：英文名稱為Core 2 Duo，是英特爾在2006年推出的新一代基于Core微架構(gòu)的產(chǎn)品體系統(tǒng)稱。于2006年7月27日發(fā)布?？犷?是一個(gè)跨平臺(tái)的構(gòu)架體系，包括服務(wù)器版、桌面版、移動(dòng)版三大領(lǐng)域。其中，服務(wù)器版的開發(fā)代號(hào)為Woodcrest，桌面版的開發(fā)代號(hào)為Conroe，移動(dòng)版的開發(fā)代號(hào)為Merom。

酷睿2處理器的Core微架構(gòu)是Intel的以色列設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在Yonah微架構(gòu)基礎(chǔ)之上改進(jìn)而來的新一代英特爾架構(gòu)。最顯著的變化在于在各個(gè)關(guān)鍵部分進(jìn)行強(qiáng)化。為了提高兩個(gè)核心的內(nèi)部數(shù)據(jù)交換效率采取共享式二級(jí)緩存設(shè)計(jì)，2個(gè)核心共享高達(dá)4MB的二級(jí)緩存。

繼LGA775接口之后，Intel首先推出了LGA1366平臺(tái)，定位高端旗艦系列。首顆采用LGA 1366接口的處理器代號(hào)為Bloomfield，采用經(jīng)改良的Nehalem核心，基于45納米制程及原生四核心設(shè)計(jì)，內(nèi)建8-12MB三級(jí)緩存。LGA1366平臺(tái)再次引入了Intel超線程技術(shù)，同時(shí)QPI總線技術(shù)取代了由Pentium 4時(shí)代沿用至今的前端總線設(shè)計(jì)。最重要的是LGA1366平臺(tái)是支持三通道內(nèi)存設(shè)計(jì)的平臺(tái)，在實(shí)際的效能方面有了更大的提升，這也是LGA1366旗艦平臺(tái)與其他平臺(tái)定位上的一個(gè)主要區(qū)別。

作為高端旗艦的代表，早期LGA1366接口的處理器主要包括45nm Bloomfield核心酷睿i7四核處理器。隨著Intel在2010年買入32nm工藝制程，高端旗艦的代表被酷睿i7-980X處理器取代，全新的32nm工藝解決六核心技術(shù)，擁有最強(qiáng)大的性能表現(xiàn)。對(duì)于準(zhǔn)備組建高端平臺(tái)的用戶而言，LGA1366依然占據(jù)著高端市場(chǎng)，酷睿i7-980X以及酷睿i7-950依舊是不錯(cuò)的選擇。

Intel Core i7是一款45nm原生四核處理器，處理器擁有8MB三級(jí)緩存，支持三通道DDR3內(nèi)存。處理器采用LGA 1366針腳設(shè)計(jì)，支持第二代超線程技術(shù)，也就是處理器能以八線程運(yùn)行。根據(jù)網(wǎng)上流傳的測(cè)試，同頻Core i7比Core 2 Quad性能要高出很多。

綜合之前的資料來看，英特爾首先會(huì)發(fā)布三款I(lǐng)ntel Core i7處理器，頻率分別為3.2GHz、2.93GHz和2.66GHz，主頻為3.2GHz的屬于Intel Core i7 Extreme，處理器售價(jià)為999美元，當(dāng)然這款頂級(jí)處理器面向的是發(fā)燒級(jí)用戶。而頻率較低的2.66GHz的定價(jià)為284美元，約合1940元人民幣，面向的是普通消費(fèi)者。全新一代Core i7處理器將于2013年第四季度推出。

而從英特爾技術(shù)峰會(huì)2008（IDF2008）上英特爾展示的情況來看，core i7的能力在core2 extreme qx9770(3.2GHz)的三倍左右。IDF上，intel工作人員使用一顆core i7 3.2GHz處理器演示了CineBench R10多線程渲染，結(jié)果很驚人。渲染開始后，四顆核心的八個(gè)線程同時(shí)開始工作，僅僅19秒鐘后完整的畫面就呈現(xiàn)在了屏幕上，得分超過45800。相比之下，core2 extreme qx 9770 3.2GHz只能得到一萬兩千分左右，超頻到4.0GHz才勉強(qiáng)超過15000分，不到core i7的3分之一。core i7的超強(qiáng)實(shí)力由此可窺見一斑。

Core i5是一款基于Nehalem架構(gòu)的四核處理器，采用整合內(nèi)存控制器，三級(jí)緩存模式，L3達(dá)到8MB，支持Turbo Boost等技術(shù)的新處理器電腦配置。它和Core i7（Bloomfield）的主要區(qū)別在于總線不采用QPI，采用的是成熟的DMI（Direct Media Interface），并且只支持雙通道的DDR3內(nèi)存。結(jié)構(gòu)上它用的是LGA1156 接口，Core i7用的是LGA1366。i5有睿頻技術(shù)，可以在一定情況下超頻。

Core i3可看作是Core i5的進(jìn)一步精簡(jiǎn)版（或閹割版），將有32nm工藝版本（研發(fā)代號(hào)為Clarkdale，基于Westmere架構(gòu)）這種版本。Core i3最大的特點(diǎn)是整合GPU（圖形處理器），也就是說Core i3將由CPU GPU兩個(gè)核心封裝而成。由于整合的GPU性能有限，用戶想獲得更好的3D性能，可以外加顯卡。值得注意的是，即使是Clarkdale，顯示核心部分的制作工藝仍會(huì)是45nm。i3 i5 區(qū)別最大之處是 i3沒有睿頻技術(shù)。

2010年6月，Intel再次發(fā)布革命性的處理器——第二代Core i3/i5/i7。第二代Core i3/i5/i7隸屬于第二代智能酷睿家族，全部基于全新的Sandy Bridge微架構(gòu)，相比第一代產(chǎn)品主要帶來五點(diǎn)重要革新：1、采用全新32nm的Sandy Bridge微架構(gòu)，更低功耗、更強(qiáng)性能。2、內(nèi)置高性能GPU（核芯顯卡），視頻編碼、圖形性能更強(qiáng)。 3、睿頻加速技術(shù)2.0，更智能、更高效能。4、引入全新環(huán)形架構(gòu)，帶來更高帶寬與更低延遲。5、全新的AVX、AES指令集，加強(qiáng)浮點(diǎn)運(yùn)算與加密解密運(yùn)算。

SNB(Sandy Bridge）是英特爾在2011年初發(fā)布的新一代處理器微架構(gòu)，這一構(gòu)架的最大意義莫過于重新定義了“整合平臺(tái)”的概念，與處理器“無縫融合”的“核芯顯卡”終結(jié)了“集成顯卡”的時(shí)代。這一創(chuàng)舉得益于全新的32nm制造工藝。由于Sandy Bridge 構(gòu)架下的處理器采用了比之前的45nm工藝更加先進(jìn)的32nm制造工藝，理論上實(shí)現(xiàn)了CPU功耗的進(jìn)一步降低，及其電路尺寸和性能的顯著優(yōu)化，這就為將整合圖形核心（核芯顯卡）與CPU封裝在同一塊基板上創(chuàng)造了有利條件。此外，第二代酷睿還加入了全新的高清視頻處理單元。視頻轉(zhuǎn)解碼速度的高與低跟處理器是有直接關(guān)系的，由于高清視頻處理單元的加入，新一代酷睿處理器的視頻處理時(shí)間比老款處理器至少提升了30%。新一代Sandy Bridge處理器采用全新LGA1155接口設(shè)計(jì)，并且無法無LGA1156接口兼容。Sandy Bridge是將取代Nehalem的一種新的微架構(gòu)，不過仍將采用32nm工藝制程。比較吸引人的一點(diǎn)是這次Intel不再是將CPU核心與GPU核心用“膠水”粘在一起，而是將兩者真正做到了一個(gè)核心里。

在2012年4月24日下午北京天文館，intel正式發(fā)布了ivy bridge（IVB）處理器。22nm Ivy Bridge會(huì)將執(zhí)行單元的數(shù)量翻一番，達(dá)到最多24個(gè)，自然會(huì)帶來性能上的進(jìn)一步躍進(jìn)。Ivy Bridge會(huì)加入對(duì)DX11的支持的集成顯卡。另外新加入的XHCI USB 3.0控制器則共享其中四條通道，從而提供最多四個(gè)USB 3.0，從而支持原生USB3.0。cpu的制作采用3D晶體管技術(shù)的CPU耗電量會(huì)減少一半。