Intel 系列CPU简介
1.3.1 Intel系列CPU简介
由于汇编语言与CPU关系密切，所以先对Intel系列80x86的CPU做一下简单介绍。
CPU是Central Processing Unit－－中央处理器的缩写，它是计算机中最重要的一个部分，由运算器和控制器组成，如果把计算机比作一个人，那么CPU就是他的心脏，其重要作用由此可见一斑。不管什么样的CPU， 其内部结构归纳起来可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，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。
CPU从最初发展至今已经有二十多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，CPU可以分为：四位微处理器、八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等等。
1971年，早期的Intel公司推出了世界上第一台微处理器4004，这便是第一个用于计算机的四位微处理器， 它包含2300个晶体管，由于性能很差，其市场反应十分不理想。
随后，Intel公司又研制出了8080处理器、8085处理器，加上当时Motorola公司的MC6800微处理器和Zilog 公司的Z80微处理器，一起组成了八位微处理器的家族。
十六位微处理器的典型产品是Intel公司的8086微处理器，以及同时生产出的数学协处理器，即8087。这两 种芯片使用互相兼容的指令集，但在8087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 ，由于这些指令应用与8086和8087，因此被人们统称为X86指令集。此后Intel推出的新一代的CPU产品，均兼容 原来的X86指令。
1979年Intel推出了8088芯片，它仍是十六位微处理器，内含29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz，地址总 线为20位，可以使用1MB内存。8088的内部数据总线是16位，外部数据总线是8位。1981年，8088芯片被首次用 于IBM PC机当中，如果说8080处理器还不为各位所熟知的话，那么8088则可以说是家喻户晓了，个人电脑PC机的第一代CPU便是从它开始的。1982年的80286芯片虽然是16位芯片，但是其内部已包含13.4万个晶体管，时钟频率也达到了前所未有的20MHz。其内、外部数据总线均为16位，地址总线为24位，可以使用16MB内存，可使用的工作方式包括实模式和保护模式两种。
三十二位微处理器的代表产品首推Intel公司1985年推出的80386，这是一种全三十二位微处理器芯片，也是X86家族中第一款三十二位芯片，其内部包含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后逐步提高到33MHz。8 0386的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可以寻址到4GB内存。它除了具有实模式和保护模式 以外，还增加了一种虚拟86的工作方式，可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。1989年Intel公司又推出准三十二位处理器芯片80386SX。它的内部数据总线为三十二位，与80386相同，外部数据总线为十六 位。也就是说，80386SX的内部处理速度与80386接近，也支持真正的多任务操作，而它又可以接受为80286开发 输入/输出接口芯片。80386SX的性能优于80286，而价格只是80386的三分之一。386处理器没有内置协处理器，因此不能执行浮点运算指令，如果您需要进行浮点运算时，必须额外购买昂贵的80387协处理器芯片。
八十年代末九十年代初，80486处理器面市，它集成了120万个晶体管，时钟频率由25MHz逐步提升到50MHz 。80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，并在X86系列中首次使用了 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的性能比带有80387协处理器的80386提高了4倍。早期的486分为有协 处理器的486DX和无协处理器的486SX两种，其价格也相差许多。随着芯片技术的不断发展，CPU的频率越来越快 ，而PC机外部设备受工艺限制，能够承受的工作频率有限，这就阻碍了CPU主频的进一步提高，在这种情况下， 出现了CPU倍频技术，该技术使CPU内部工作频率为处理器外频的2－3倍，486DX2、486DX4的名字便是由此而来 。
九十年代中期，全面超越486的新一代586处理器问世，为了摆脱486时代处理器名称混乱的困扰，最大的C PU制造商Intel公司把自己的新一代产品命名为Pentium（奔腾）以区别AMD和Cyrix的产品。AMD和Cyrix也分别 推出了K5和6x86处理器来对付Intel，但是由于奔腾处理器的性能最佳，Intel逐渐占据了大部分市场。
在2000年的6月，Intel公司宣布了其开发的下一代CPU命名为Pentium 4，也就是曾经命名为Willamette的CPU。在2000年的11月，Intel正式发布了Pentium 4处理器，该处理器没有采用P6架构，而是采用了全新的NetBurst架构，Pentium 4的管线长度是P6架构的两倍，达到了20级。现在的PIII Coppermine由于受到管线的限制，最高只能达到1.2GHz，这一点从1.13GHz的PIII被回收就能看出来。管线的加长可以使得Pentium 4能达到更高的时钟频率，但是也使Pentium 4在每个时钟周期中的处理的命令数目比PIII Copper mine少，这就是为什么现在相同的速度下，Pentium 4的性能表现不如PIII Copper mine和T-bird的原因，但是随着Pentium 4速度的提高，会克服这一点的。
最初的Pentium 4采用0.18微米制造工艺，集成4200万个晶体管，芯片面积213平方毫米，核心电压1.7V，目前采用的是Socket423接口，而Pentium 4的最终版本会采用Socket 478接口。 Pentium 4集成了8KB的L1 Cache，使用的是低于1.42ns的高速缓存，拥有极低的寻找时间，能迅速地找到并且命中目标指令，大大的提高了CPU的工作效率。Pentium 4还拥有全速的256KB二级缓存，在处理器核心和L2 Cache之间有着更大的数据传输通道，数据传输率可以达到前所未有的44.8GB/s，几乎是PIII 1G（16GB/s）的3倍之多。
Pentium 4的总线频率高达400MHz，是目前PC133总线的Pentium III的三倍，如果配合双通道的RAMBUS内存，可以在处理器和内存控制器之间提供高达3.2GB/sec的内存通道。 Pentium 4的算术逻辑单元（ALU）一核心的两倍运行，还包含了144条重新设计的SSE2指令集。
1.3.2 CPU专业术语
Intel公司的X86序列CPU以及其它公司所生产的兼容产品，是目前世界上个人电脑中装机最多的芯片。每当各种媒体介绍或评价这类CPU时，经常会提到诸如“流水线”、“乱序执行”和“分枝预测”等专业术语。
1. IA-32&IA-64
IA是英语“英特尔体系/Intel Architecture”的缩写。这是因为目前使用的CPU以Intel公司的X86序列产品为主，所以人们将Intel生产的CPU统称为英特尔体系（IA）CPU。由于其它公司如AMD等公司生产的CPU基本上能在软、硬件方面与Intel的CPU兼容，所以人们通常也将这部份CPU列入IA系列。
由于目前使用的CPU，包括新推出的Pentium III都还是32位的，所以又被列为IA-32。而IA-64就是Intel下一步将推出的64位CPU，但其物理结构和工作机理与目前的X86序列的IA-32CPU完全不同。
2. CPU的位和字长
位 在数字电路和电脑技术中采用二进制，代码只有“0”和“1”，其中无论是“0”或是“1”在CPU中都是一“位”。
字长 电脑技术中对CPU在单位时间内（同一时间）能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。
字节和字长的区别 由于常用的英文字符用8位二进制数就可以表示，所以通常就将8位称为一个字节。字节的长度是固定的，而字长的长度是不固定的，对于不同的CPU，字长的长度也不一样。8位的CPU一次只能处理一个字节，而32位的CPU一次就能处理4个字节，同理字长为64位的CPU一次可以处理8个字节。
3. CPU外频
CPU外频也就是常见特性表中所列的CPU总线频率，是由主板为CPU提供的基准时钟频率，而CPU的工作主频则按倍频系数乘以外频而来。在Pentium时代，CPU的外频一般是60/66MHz，从PentiumⅡ350开始，CPU外频提高到100MHz。由于正常情况下CPU总线频率和内存总线频率相同，所以当CPU外频提高后，与内存之间的交换速度也相应得到了提高，对提高电脑整体运行速度影响较大。
4. CPU主频
CPU主频也叫工作频率，是CPU内核（整数和浮点运算器）电路的实际运行频率。在486DX2CPU之前，CPU的主频与外频相等。从486DX2开始，基本上所有的CPU主频都等于“外频乘上倍频系数”了。
5. 流水线技术
流水线（pipeline）是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由5~6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成5~6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。从图1a中我们可以了解，由于486CPU只有一条流水线，通过流水线中取指令、译码、产生地址、执行指令和数据写回五个电路单元分别同时执行那些已经分成五步的指令，因此实现了486CPU设计人员预期的在每个时钟周期中完成一条指令的目的（按笔者看法，CPU实际上应该是从第五个时钟周期才达到每周期能完成一条指令的处理速度）。到了Pentium时代，设计人员在CPU中设置了两条具有各自独立电路单元的流水线，因此这样CPU在工作时就可以通过这两条流水线来同时执行两条指令，因此在理论上可以实现在每一个时钟周期中完成两条指令的目的。
6. 超流水线
超流水线（superpiplined）是指某型CPU内部的流水线超过通常的5~6步以上，例如Pentium pro的流水线就长达14步。将流水线设计的步（级）数越多，其完成一条指令的速度越快，因此才能适应工作主频更高的CPU。这一点我们可以用日常事例来说明，比如栽树时由5个人同时栽10棵（一人两棵）所完成的速度当然没有10人同时栽（一人一棵）所完成的速度快。
7. 超标量技术
超标量（super scalar）是指在CPU中有一条以上的流水线，并且每时钟周期内可以完成一条以上的指令，这种设计就叫超标量技术。
8. 乱序执行技术
乱序执行（out-of-order execution）是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理的技术。比方说程序某一段有7条指令，此时CPU将根据各单元电路的空闲状态和各指令能否提前执行的具体情况分析后，将能提前执行的指令立即发送给相应电路执行。当然在各单元不按规定顺序执行完指令后还必须由相应电路再将运算结果重新按原来程序指定的指令顺序排列后才能返回程序。这种将各条指令不按顺序拆散后执行的运行方式就叫乱序执行（也有叫错序执行）技术。
采用乱序执行技术的目的是为了使CPU内部电路满负荷运转并相应提高了CPU的运行程序的速度。这好比请A、B、C三个名人为晚会题写横幅"春节联欢晚会"六个大字，每人各写两个字。如果这时在一张大纸上按顺序由A写好"春节"后再交给B写"联欢"，然后再由C写"晚会"，那么这样在A写的时候，B和C必须等待，而在B写的时候C仍然要等待而A已经没事了。但如果采用三个人分别用三张纸同时写的做法，那么B和C都不必须等待就可以同时各写各的了，甚至C和B还可以比A先写好也没关系（就象乱序执行），但当他们都写完后就必须重新在横幅上（自然可以由别人做，就象CPU中乱序执行后的重新排列单元）按"春节联欢晚会"的顺序排好才能挂出去。
9. 分枝
分枝（branch）是指程序运行时需要改变的节点。分枝有无条件分枝和有条件分枝，其中无条件分枝只需要CPU按指令顺序执行，而条件分枝则必须根据处理结果再决定程序运行方向是否改变。因此需要"分枝预测"技术处理的是条件分枝。
10. 分枝预测和推测执行技术
分枝预测（branch prediction）和推测执行（speculation execution）是CPU动态执行技术中的主要内容，动态执行是目前CPU主要采用的先进技术之一。采用分枝预测和动态执行的主要目的是为了提高CPU的运算速度。推测执行是依托于分枝预测基础上的，在分枝预测程序是否分枝后所进行的处理也就是推测执行。
由于程序中的条件分枝是根据程序指令在流水线处理后结果再执行的，所以当CPU等待指令结果时，流水线的前级电路也处于空闲状态等待分枝指令，这样必然出现时钟周期的浪费。如果CPU能在前条指令结果出来之前就能预测到分枝是否转移，那么就可以提前执行相应的指令，这样就避免了流水线的空闲等待，相应也就提高了CPU的运算速度。但另一方面一旦前指令结果出来后证明分枝预测错误，那么就必须将已经装入流水线执行的指令和结果全部清除，然后再装入正确指令重新处理，这样就比不进行分枝预测等待结果后再执行新指令还慢了（所以IDT公司的WINC6就没有采用分枝预测技术）。这就好像在外科手术中，一个熟练的护士可以根据手术进展情况来判断医生的需要（象分枝预测）提前将手术器械拿在手上（象推测执行）然后按医生要求递给他，这样可以避免等医生说出要什么，再由护士拿起递给他（医生）的等待时间。当然如果护士判断错误，也必须要放下预先拿的器械再重新拿医生需要的递过去。尽管如此，只要护士经验丰富，判断准确率高，那么当然就可以提高手术进行速度。因此我们可以看出，在以上推测执行时的分枝预测准确性至关重要！所以通过Intel公司技术人员的努力，Pentium和PentiumⅡ系列CPU的分枝预测正确率分别达到了80%和90%，这样虽然可能会有20%和10%分枝预测错误但平均以后的结果仍然可以提高CPU的运算速度。
11. 指令特殊扩展技术
在介绍CPU性能中还经常提到“扩展指令”或“特殊扩展”一说，这都是指该CPU是否具有对X86指令集进行指令扩展而言。扩展指令中最早出现的是Intel公司自己的“MMX”，其次是AMD公司的“3DNow！”，最后是最近的Pentium Ⅲ中的“SSE”。
MMX MMX是英语“多媒体指令集”的缩写。共有57条指令，是Intel公司第一次对自1985年就定型的X86指令集进行的扩展。MMX主要用于增强CPU对多媒体信息的处理，提高CPU处理3D图形、视频和音频信息能力。但由于只对整数运算进行了优化而没有加强浮点方面的运算能力。所以在3D图形日趋广泛，因特网3D网页应用日趋增多的情况下，MMX业已心有余而力不足了。
3D Now! AMD公司开发的多媒体扩展指令集，共有27条指令，针对MMX指令集没有加强浮点处理能力的弱点，重点提高了AMD公司K6系列CPU对3D图形的处理能力，但由于指令有限，该指令集主要应用于3D游戏，而对其他商业图形应用处理支持不足。
SSE SSE是英语“因特网数据流单指令序列扩展/internet Streaming SIMD Extensions”的缩写。它是Intel公司首次应用于最近才推出的PentiumⅢ中的。SSE实际就是原来传闻的MMX2后来又叫KNI（Katmai New Instruction），Katmai实际上也就是现在的PentiumⅢ。SSE共有70条指令，不但涵括了原MMX和3DNow！指令集中的所有功能，而且特别加强了SIMD浮点处理能力，另外还专门针对目前因特网的日益发展，加强了CPU处理3D网页和其它音、象信息技术处理的能力。 CPU具有特殊扩展指令集后还必须在应用程序的相应支持下才能发挥作用，因此，当目前最先进的Pentium Ⅲ 450和Pentium Ⅱ450运行同样没有扩展指令支持的应用程序时，它们之间的速度区别并不大。
12. CPU的生产工艺技术
我们常可以在CPU性能列表上看到“工艺技术”一项，其中有“0.35μm”或“0.25μm”等，这些同样是为了说明CPU技术先进程度。一般来说“工艺技术”中的数据越小表明CPU生产技术越先进。
目前生产CPU主要采用CMOS技术。CMOS是英语“互补金属氧化物半导体”的缩写。采用这种技术生产CPU时过程中采用“光刀”加工各种电路和元器件，并采用金属铝沉淀在硅材料上后用“光刀”刻成导线联接各元器件。现在光刻的精度一般用微米（μm）表示，精度越高表示生产工艺越先进。因为精度越高则可以在同样体积上的硅材料上生产出更多的元件，所加工出的联接线也越细，这样生产出的CPU工作主频可以做得很高。正因为如此，在只能使用0.65μm工艺时生产的第一代Pentium CPU的工作主频只有60/66MHz，在随后生产工艺逐渐发展到0.35μm、0.25μm时，所以也相应生产出了工作主频高达266MHz的Pentium MMX和主频高达500MHz的Pentium Ⅱ CPU。
