第2章Intel处理器
2.1处理器相关概念
2.1.1处理器的定义
处理器即中央处理器(CPU,Central Processing Unit),是一块超大规模的硅晶体集成电路芯片,主要包括具有运算能力的运算器(ALU,Arithmetic and Logic Unit)和具有控制能力的控制器(CIJ, Control Unit)两大部件,是计算机的运算核心和控制核心。此外,还包括若干个寄存器和高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线⑴。
2.1.2处理器架构
处理器架构可以根据指令集体系结构(ISA, Instruction Set Architecture)分为复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC)。
1、复杂指令集X86架构与丨A—64架构
1978年6月8日,Intel发布的16位微处理器“8086”标志X86架构诞生。X86是指一套通用的可被微处理器运算执行的计算机指令集合,它定义了芯片的基本运算规则。X是一个简单的通配符,是针对所有*86系统的。英特尔从8086开始,286、386、486、586、P1、P2、P3、P4都采用了 X86 架构。IA-32、X86—32 都属于 X86,X86-64是美国超微半导体(AMD) Athlon 64处理器系列采用的架构,其基础架构还是IA—32,可以与之前的32位X86架构的应用程序完全兼容,而此种完全兼容则可以最大限度地节约用户的投资,让用户在原有产品上进行升级而不是将老产品完全淘汰。
IA-64架构是专为服务器市场开发的一种全新的64位处理器架构,由英特尔和惠普(HP)共同开发,其目的是为了全面提高英特尔处理器的运算性能,它釆用的是不同于X86的设计架构,因此它无法很好地实现与之前32位X86架构应用程序的兼容,使得该类型处理器的市场推广受到很大的限制。
2、精简指令集ARM架构
ARM成立于1991年,是一家出售技术知识产权(IP)的公司,ARM架构(进阶精简指令集机器,Advanced RISC Machine),是一个32位元精简指令集(RISC)中央处理器(CPU)架构。在最初的PC处理器架构争夺战中,英特尔所主导的X86处理器架构凭借其强大的运算处理性能打败了 RISC架构处理器,实现了在PC处理器市场的绝对竞争优势,但由于RISC架构节能的特点,以低耗电为主要设计目标的特性,使inSC架构得以在移动通讯领域快速成长壮大。ARM架构大量授权给括智能手机与平板电脑处理器厂商,客户群有德州仪器(TI)、高通(Qualcoram)、三星(Samsumg)、飞思卡尔(Freescale)等的应用处理器等,就连在2006年被英特尔抛售的XScale处理器,同样也是采用了 ARM的核心授权。ARM的架构相较于X86架构主要具有两大优点,第一个优点是可以让整个处理器更为简化,拥有小体积、高效能的特性,以低耗电的特性为设计前提;第二个优点是ARM的架构的自由性,在取得ARM核心授权后可以自由地与其它公司的优势技术进行整合,所以即便属同一代的ARM核心架构,频率相同,由于不同公司整合了各自不同的优势技术,其操作效能可能不同。
2.1.3处理器发展简史
1、PC处理器
第1代(1971年-1973年),4位和8位低端微处理器时代。其代表产品是英特尔的4004/8008。采用PMOS工艺,集成度低。指令系统简单,主要采用机器语言或简单的汇编语言,用于简单的控制场合。1971年英特尔推出全球第一款微处理器Intel4004,奠定了开发系统智能功能以及个人电脑发展的基础,Intel4004约有2300颗晶体管。
第2代(1974年-19n年),从8位低端升级到8位中高端微处理器时代。其代表处理器是英特尔的8080/8085、Zilog的Z80和Motorola的MC6800等。采用NMOS工艺,集成度提高约4倍。指令系统比较完善,软件方面有BASIC、FORTRAN等高级语言,到后期还出现了操作系统。1974年,英特尔推出8080处理器。Intel8080集成了约6000颗晶体管。
第3代(1978年-1984年),从8位步入16位微处理器时代。其主要代表处理器是英特尔的8086/8088、Zilog的Z8000和Motorola的M68000等。采用HMOS工艺。指令系统更加完善,并配置了软件系统。1982年,英特尔发布了 80286处理器,其集成的晶体管数目为13万4千颗。1984年,IBM公司推出了以80286处理器为核心组成的个人计算机IBM PC/AT,使个人计算机从此风靡世界。
第4代(1985年-1992年),从16位进入32位微处理器时代。其重要产品代表是英特尔的80386/80486,Motorola的M69030/68040等。采用CMOS或者HMOS工艺。在同一时期,超微半导体、德州仪器等处理器生产厂商也各自推出了 80386/80486系列的芯片。1989年,英特尔发布80486处理器,它首次实破了 100万个晶体管的界限,达到120万个晶体管,使用1微米的制造工艺。
第5代(1993年-2005年),从486进入奔腾(pentium)系列微处理器时代。
其代表产品是英特尔的奔腾系列及与之兼容的超微半导体的K6、K7系列。
1997年,英特尔发布Pentium II处理器。结合了英特尔MMX技术,Pentium II处理器集成了约750万颗晶体管。
1999年,英特尔发布Pentium III处理器发布。英特尔首次导入0. 25微米技术,Pentium III处理集成了约950万颗晶体管。
2000年,英特尔发布Pentium 4处理器。Pentium 4处理器晶体管数4200万个,改进版的Pentium 4(Northwood)达到5500万个,采用0.18微米进行制造,初始速度达到了 1. 5GHz。
2003 年,英特尔发布了 Pentium M(mobile)处理器。以往的 Pentium II、III,Pentium 4-M产品虽然有移动版本,但是这些产品仍然是基于台式电脑处理器的设计,能耗远高于专门为移动运算设计的处理器。
2005年,英特尔发布了双核心处理器有Pentium D和Pentium Extreme Edition,同时推出系列芯片组,如外部的北桥(MCH)芯片,用于支持新推出的双核心处理器。
釆用90nm工艺技术,并使用没有针脚的LGA 775触点式接口,能够有效提升处理器的信号强度与处理器频率,同时还可以提高处理器生产的良品率,实现降低生产成本之目的。
第6代(2005年至今),酷睿(core)系列微处理器时代。“酷睿”是一款节能新型微架构,以提供卓越的性能和能效为设计的出发点,强调每瓦特性能的能效比。
2006年推出的新一代基于Core微架构的产品体系,统称为酷睿2 (Core 2 Duo)。
酷睿2是一个同时涵盖服务器版、桌面版、移动版三大领域的跨平台的构架体系。继LGA775接口之后,英特尔推出了 LGA1366接口平台,定位高端旗舰系列。首颗采用LGA1366接口的处理器为采用45纳米制程及原生四核心设计酷睿i7。
2010年,英特尔迈入32nm工艺制程,来了更低的功耗和更出色的性能。高端旗舰的代表被酷睿i7-980X处理器取代。酷睿i5处理器,结构上采用LGA1156接口。具有睿频技术,可在一定情况下实现超频。酷睿i3可看作是酷睿i5的精简版,整合了 GPU(图形处理器),由CPU和GPU两个核心封装而成。
2010年6月,英特尔发布第二代酷睿i3/i5/i7。
2011年,英特尔发布的新一代处理器微架构,重新定义了 “整合平台”的概念,终结了集成显卡的时代。
2012年4月,英特尔正式发布了采用22nm工艺技术加3D晶体管技术的第三代IvyBridge处理器,使CPU耗电量会减少一半。
2013年6月,英特尔发布第四代Haswell处理器取代第三代Ivy Bridge处理器。
2、智能手机(Smart Phone)处理器
世界上第一款智能手机是由摩托罗拉(Motorola)在2000年生产的A6188手机,摩托罗拉自己设计研发了龙珠(Dragon ball EZ) 16MHz处理器并将它用于A6188手机上,因此龙珠成为了第一款智能手机处理器,尽管它运算速度只有16MHz,但它奠定了智能手机处理器发展的基础,幵启了一个新时代,具有里程碑式的意义。
从第一款智能手机面世以来,手机处理器的种类也更加多元化,它们来自不同的企业,如英特尔(Intel),ARM,德州仪器(TI),高通(Qualcomm),迈威尔(Marvell),英伟达(NVIDIA),飞思卡尔(Freescale),三星(SAMSUNG)等。
英特尔与在传统PC业不同,在智能手机处理器市场始终走的fiifi盍洋绅。英特尔设计制造的第一款智能手机处理器是PXA210,但是由于该处理器的耗电量大,再加上英特尔较高的芯片制造工艺导致的相对价格高,所以市场反应平淡。之后英特尔发布了当时最高主频624MlizW的手机处理器PXA272,得到了一些大的厂商和用户的关注。在大好的市场前景下英特尔却出人意料的将手机处理器业务出售给了迈威尔。迈威尔在完成收购之后随即推出了 PXA3XX系列处理器,该处理器被用于当时很多着名的机型上。
在手机处理器厂商中,高通(Qualcomm)具有市场领先优势。高通公司于1985年7月成立,公司主要从事无线通讯技术研发和通讯芯片设计以及所属专利技术使用授权,其设计的主要通讯芯片产品有MSM(Mobile Station Modems)芯片组、单芯片(QSC)以及骁龙(Snapdragon)平台。高通设计的手机处理器能够兼容各种智能系统,它设计了首款兼容安卓(Android)系统的处理器,所以其处理器产品占据了安卓手机处理器的市场一半以上的份额。从目前安卓系统的市场占有率来看,该系统同样会是未来智能系统的主流趋势。因此高通十分重视研究和开发,并已经向多达100多位制造商提供技术使用授权,涉及了世界上绝大多岁电信设备和消费电子设备的品牌。
三星与英伟达合作推出Tegra平台,三星具有高效处理性能设计能力,英伟达则拥有很强的对多媒体处理能力,两者的合作实现了手机处理器的高效处理与多媒体处理两大性能的完美的结合。
正如前面所说,英伟达拥有强大的图形与多媒体解析能力,而对多媒体的处理与展现能力已经受到手机系统越来越高的重视,该趋势将使得英伟达在手机市场方面拥有更广发展前景。
2.1.4处理器主要厂商
在PC和服务器处理器市场,两家老牌美国处理器厂商英特尔(Intel)和超微半导体(AMD)处于垄断地位,市场占有率达到99%,其他厂商如台湾的威盛(VIA),中国的龙芯等,市场占有率微乎其微。
在平板电脑和智能手机处理器区市场,如上一节中的介绍,ARM架构占据了约90%的市场份额。设计厂商包括德州仪器(TI),高通(Qualcomm),迈威尔(Marvell),英伟达(NVIDIA),飞思卡尔(Freescale),三星(SAMSUNG)等,高通(Qualcomm)是其中的佼佼者。
2.2 Intel处理器分类及其应用产品
1、桌面型(Desktop)处理器
8086
8088
80286
80386
80486
奔腾(Pentium)
奔腾 Pro (Pentium Pro)
#J#MMX (Pentium MMX)
奔腾 II (Pentium n)
赛场(Celeron)
奔腾 III (Pentium III)
奔腾 4 (Pentium 4)
(Pentium D)
赛扬 D (Celeron D)
酷睿 2 (Core 2)
奔腾双核(Pentium Dual-Core)
赛扬双核(Celeron Dual-Core)
酷睿 i3 (Core i3)
酷睿 i5 (Core i5)
酷睿 i7 (Core i7)
2、笔记型(Lapt叩)处理器
奔腾 III Mobile (Pentium III Mobile)
奔腾 4 Mobile (Pentium 4 Mobile)
奔腾 M (Pentium M)
赛扬 M (Celeron M)
酷睿(Core)
酷睿 2 (Core 2)
凌动(Atom)
酷睿 i3 (Core i3)
酷睿 i5 (Core i5)
酷睿 i7 (Core i7)
3、服务器型(Server)处理器
奔腾 n 至强(Pentium II Xeon)
奔腾 III 至强(Pentium III Xeon)
至强 E3 (Xeon E3)
至强 E5 (Xeon E5)
至强 E7 (Xeon E7)
安腾(Itanium)
安腾 2 (Itanium 2)
4、移动型(Tablet/Smart phone)处理器
凌动(Atom)
