Intel 80x86系列处理器发展历程与技术特点

Intel 80x86系列处理器发展历程与技术特点

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_74209563/article/details/145203605

Intel 80x86系列处理器是个人计算机发展史上的重要里程碑。从最初的16位处理器到支持64位计算的现代处理器，Intel在处理器架构和技术创新方面一直处于行业领先地位。本文将详细介绍Intel 80x86系列处理器的发展历程和技术特点。

美国Intel 公司是目前世界上最有影响的处理器生产厂家，也是世界上第一个处理器芯片的生产厂家，其生产的80x86系列处理器一直是个人微机的主流处理器，该系列处理器的发展就是微型计算机发展的一个缩影

总线

处理器芯片的对外引脚(Pin)用于与其他电路进行连接，以构成微型计算机
处理器引脚也常称为处理器总线(Bus)
主要由三组信号总线组成：

数据总线(DataBus，DB)

数据总线是处理器与存储器或外设交换信息的通道，其个数(条数)就是一次能够传送数据的二进制位数，通常等于处理器字长

地址总线(Address Bus，AB)

地址总线用于指定存储器或外设的具体单元，其个数反映处理器能够访问的主存储器容量或外设范围
由于每个信号只能为高或低电平两种状态，对应 1 或 0 两种编码，所以对于 n 位地址信号线的处理器来说，最多能够组合2 n 2^{n}2n个状态(编码)
每个编码就是一个地址，每个地址指个存储单元或 I/O 端口，其中包含一个字节(Byte)数据
这样有n 位地址信号线的处理器的主存容量为2 n B 2^{n}B2nB(1 K B = 2 10 B = 1024 B 1KB=2^{10}B=1024B1KB=210B=1024B)

控制总线(Control Bus，CB)

控制总线用于控制处理器数据传送等操作
例如，存储器读信号(MEMR)有效说明处理器正在从存储器中读取信息，还有存储器写(MEMW)、外设读(IOR)、外设写(I0W)等信号

16位80x86处理器

1971年，Intel公司生产的 4 位处理器芯片 4004 宣告了微型计算机时代的到来
1972年，Intel公司开发了 8 位处理器 8008 芯片
1974年，生产了 Intel8080
1977年，Intel公司将 8080 及其支持电路集成在一块集成电路芯片上，形成了性能更高的 8位处理器 8085
1978年开始，Intel公司在其 8 位处理器基础上，陆续推出了 16 位结构的8086、8088 和 80286（也可以表示成 Intel286，本文采用 80286这种形式）等处理器，它们在 IBM PC 系列机中获得广泛应用，被称为16 位80x86处理器

1. 8086 / 8088

8086 处理器是 Intel 公司生产的第一个 16 位芯片

16位结构的处理器：数据总线为16位

主存容量1MB：地址总线为20位 （2 20 B = 1024 × 1024 B = 1024 K B = 1 M B 2^{20}B = 1024 ×1024B=1024KB=1MB220B=1024×1024B=1024KB=1MB）

时钟频率5MHz（IBM PC使用4.77MHz）

准16位微处理器8088：外部数据总线为8位

IBM PC和PC/XT机使用Intel 8088 CPU

2. 80286

80286仍为16位结构的处理器，但地址总线扩展为24位，即主存储器具有16MB容量

IA-32处理器

IA-32（Intel Architecture-32-bit）处理器是指支持32位指令集架构的处理器，它是由 Intel 公司开发的一种计算机体系结构，IA-32 也被称为 x86-32，因为它是 x86 架构的 32 位扩展版本
Intel 公司在推出 32 位结构的 80386 处理器后，确定 80386 芯片的指令集结构 (Instruction Set Architecture，ISA) 为以后开发的 80x86 系列处理器的标准，称为 Intel 32 位结构 (Intel Architecture-32，IA-32)
IA-32处理器

• Intel 80386
• Intel 80486
• Pentium（奔腾）
• Pentium Pro、Pentium II、Pentium III
• Pentium 4
• Celeron（赛扬）、Xeon（至强）、Pentium M

1. 80386

数据总线32位，地址总线32位，可寻址4GB主存，时钟频率有 16、25、33MHz
80386 在兼容原 16 位 80286 指令系统的基础上，全面升级为 32 位
80386 提供了虚拟8086工作方式（Virtual 8086 Mode）
虚拟 8086 方式是在保护方式下的一种特殊状态，类似于 8086 工作方式但又接收保护方式的管理，能够模拟多个 8086 处理器
实模式与保护模式的对比
特性 实模式 保护模式
位宽 16位 32位（或64位，使用长模式）
内存寻址范围 最多1MB 最多4GB（32位）或更高（64位）
内存保护 无保护，程序可以任意访问内存 有内存保护，避免程序互相干扰
虚拟内存 不支持 支持虚拟内存
多任务 不支持 支持多任务
主要用途 早期操作系统、启动阶段 现代操作系统、高级应用

1990年，为了适应便携机的要求，增加了一种新的工作状态：系统管理方式（System Management Mode，SMM）—— 处理器会根据不同的使用环境，自动减速运行，甚至停止运行，从而降低微机整体能耗

2. 80486

从结构上来说80486＝80386＋80387＋8KB Cache，即 80486 把 80386 处理器与 80387 数字协处理器 和 8KB 高速缓冲存储器(Cache) 集成在一个芯片上，使处理器的性能大大提高
【理解】

数学协处理器
传统上，中央处理单元CPU主要是整数处理器。为了协助处理器处理浮点数据(实数)，Intel公司设计了数学协处理器，后被称为浮点处理单元(Floating-point Processing Unit，FPU)
配合 8086 和 8088 整数处理器的数学协处理器是 8087，配合 80286 的是 80287，配合 80386 的是80387，而从80486开始，FPU已经被集成到处理器中，这样，IA-32处理器能够直接支持浮点数据的操作指令

高速缓冲存储器
高速缓冲存储器是处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器，可以有效地提高整个存储器系统的存取速度
80486 不仅在芯片内部集成有 8KB 第一级高速缓存 (L1 Cache)，而且支持外部第二级高速缓存 (L2 Cache)
80486 及以后的 IA-32 处理器吸取 RISC（精简指令集计算机，Reduced Instruction Set Computer）技术特长并将其融入 CISC（传统的复杂指令集计算机，Complex Instruction Set Computer）中，同时采用流水线方式的指令重叠执行方法，使80486可以在一个时钟周期执行完一条简单指令（指令流水线技术：将指令的执行划分成多个步骤，在多个部件中独立地进行，这样使得多条指令可以在不同的执行阶段同时进行，就像工厂中的产品流水线一样）
80486DX4是80486处理器中最快的一种芯片：采用时钟倍频思想
为了既能尽量提高处理器的时钟频率以增强性能，又能迁就较慢速的外围部件，使高频率的处理器照样能够使用，Intel公司使用了时钟倍频技术，将外部时钟频率翻倍作为内部工作时钟频率（以前的微机系统中，处理器的内部时钟频率和外部时钟频率是一样的，也是处理器与外围部件的数据传输频率）

3. Pentium（80586）

俗称的 80586 处理器，奔腾处理器
仍然属于32位结构，但其与主存连接的外部数据总线是64位，大大提高了存取主存的速度
Pentium 引入了超标量(Superscalar)技术，内部具有可以并行工作的两条整数处理流水线，可以达到每个时钟周期执行两条指令
Pentium 采用双路高速缓冲结构，将 L1 Cache 分成两个彼此独立的8KB 代码高速缓冲存储器和8KB 数据高速缓冲存储器，以减少争用 Cache 的情况

4. Pentium Pro（P6）

原来被称为P6，中文名称为“高能奔腾”
Pentium Pro由两个芯片组成

• 含有一级（L1）Cache （8KB 代码和 8KB 数据）的 CPU
• 含有二级（L2）Cache （256KB 或 512KB）的 CPU
  Pentium Pro扩展了超标量技术，具有12 级指令流水线，能同时执行 3 条指令
  Pentium Pro在处理器结构上的最大革新是采用了动态执行技术
  动态执行是 3 种技术结合的总称：分支预测（预测程序的正确转移方向）、数据流分析（分析哪些指令依赖于其他指令的结果或数据，以便创建最优的指令执行序列）和推测执行（利用分支预测和数据流分析，推测着执行指令）

5. Pentium Ⅱ

为了顺应微机向多媒体和通信方向发展，Intel 公司及时在其处理器中加入了多媒体扩展(MutliMedia eXtension，MMX) 技术
MMX技术在 IA-32 指令系统中新增了 57 条整数运算多媒体指令，可以用这些指令对图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化，使微机对多媒体的处理能力较原来有了大幅度提升
MMX 指令应用于 Pentium 处理器就是 Pentium MMX(多能奔腾)
MMX 指令应用于 Pentium Pro处理器就是 Pentium Ⅱ

6. Pentium Ⅲ

针对因特网和三维多媒体程序的应用要求，Intel 公司在 Pentium Ⅱ 的基础上又新增了 70 条SSE (Streaming SIMD Extensions) 指令(原称为 MMX-2指令)，开发了Pentium Ⅲ
SSE 指令侧重于浮点单精度多媒体运算，极大地提高了浮点3D数据的处理能力
SSE指令类似于AMD公司发布的 3D Now! 指令
由于这些多媒体指令具有显著的单指令多数据(Single Instruction Multiple Data，SIMD) 处理能力，即一条指令可以同时进行多组数据的操作（主要用于处理多媒体数据），所以现在统称为SIMD指令

7. Pentium 4

Pentium Pro、Pentium Ⅱ 和 Pentium Ⅲ 都基于 P6 微结构
Pentium 4采用 NetBurst 的微结构—— 是第一个基于 NetBurst 微结构的CPU，该结构允许CPU运行在更高的时钟速度
Pentium 4 支持超线程技术（Hyper Threading），支持 SSE2 和 SSE3 指令

8. Celeron 和 Xeon

• Celeron（赛扬）处理器
• 面向低端（低价位）PC机
• 采用减少高速缓存容量、改用低成本封装或降低时钟频率等方法来降低成本
• Xeon（至强）处理器
• 面向高端服务器、工作站
• 通过增加Cache容量、提高工作频率、支持多处理器等方法提高性能

Intel 64 处理器

Intel 64 处理器：

• 采用RISC结构的64位处理器
• 主要面向服务器和工作站等高端应用，不能兼容通用PC
• （2000年）安腾采用显式并行指令计算机（EPIC）技术
  IA-32 与 IA-64 区别：
• IA-64 不是 IA-32 结构的 64 位扩展
• 安腾处理器（IA-64）利用超长指令字技术，主要依靠软件提高指令级并行性
• IA-32利用超标量技术，主要借助硬件提高指令级并行性

Intel 64 结构

• 提供64位线性地址空间，支持40位物理地址空间
• 32位扩展工作方式（IA-32e）
• 在64位工作方式下，64位操作系统运行存取64位地址空间的应用程序、8个附加的通用寄存器、8个附加的SIMD多媒体寄存器、64位通用寄存器和64位指令指针等

Intel Core 微结构

• 提高了性能并降低了功耗
• 多核处理器的基础

多核技术（Multi-core）

• 一个芯片上制作两个或多个处理器执行核心

参考教材 《微机原理与接口技术——基于IA-32处理器和32位汇编语言（第5版）》