《微型计算机原理及接口》课件第1章

第1章绪论1.1基本概念1.2微处理器概述1.3PC概述1.1基

本

概

念

微处理器：控制器、运算器、寄存器以及连接三者的片内总线在一个芯片上的集成，也即微型计算机中的CPU(中央处理单元)。随着CPU功能的增强及超大规模集成技术的发展，在一个微处理器芯片上可以集成协处理器(Coprocessor)、高速缓冲存储器(Cache)以及多个CPU。微型计算机：微处理器、内存、I/O接口以及连接三者的系统总线的集合，也即俗称的裸机。微处理器是微型计算机的核心，微型计算机中的各部件是在微处理器的控制下工作的。

微型计算机系统：由微型计算机及相应的软件、外设构成，通常简称微机。软件分为两类：系统软件和用户软件。系统软件是使微机正常工作不可缺少的部分，用户软件则是为用户执行特定任务而设计的。外设包含外存和I/O设备。单片机：CPU、内存、I/O接口以及使三者互连的总线在一个芯片上的集成，也即微型计算机在一个芯片上的集成。它是计算机发展微型化的更进一步。单片机系统：由单片机、专用软件和I/O设备组成的系统，常用于特定任务的控制或处理。单片机系统具有专用性，微型计算机系统具有通用性。

嵌入系统：一般定义为以应用为核心，以计算机技术为基础，软、硬件可“裁剪”，适合对功能、实时性、可靠性、安全性、体积、重量、成本、功耗、环境、安装方式等方面有严格要求的专用计算机系统。我们也可以将其看做是具有更强功能、更小尺寸的高级单片机系统。由于嵌入式处理器的内部已集成了一定规模的内存和相当丰富的I/O接口，因此利用它构成的嵌入系统，可以像微机系统那样以通用方式在操作系统的控制下工作，也可以像单片机系统那样专用和小巧。我们有理由相信，嵌入系统有可能成为微机系统的未来。

图1.1微处理器、微型计算机、微型计算机系统的关系

1.2微处理器概述

1.2.1微处理器的发展

1．第一代微处理器

1971年，Intel公司推出世界上第一款微处理器4004，这项突破性的发明当时被用于Busicom计算器中。这一创举开始了人类将智能内嵌于电脑和无生命设备的历程。1972年，Intel又推出8位微处理器8008，

它采用工艺简单、

速度较低的P沟道MOS电路，性能是

4004的两倍。

2．第二代微处理器(8位)

1974年，Intel公司采用速度较快的N沟道MOS技术，将8008发展成8080，使8080成为第一款个人计算机

Altair的大脑。由于微处理器可用来完成很多以前需要用较大设备完成的计算任务，且价格便宜，因此各半导体公司开始竞相生产微处理器芯片。Zilog公司生产了8080的增强型Z80，Motorola公司生产了6800，Rockwell公司生产了R6502，Intel公司于1976年又生产了增强型8085。

3．第三代微处理器(16位)

1978年，Intel公司生产的8086成为世界上第一个16位微处理器，同时Intel还生产出与之相配合的数学协处理器i8087。由于8086采用了H-MOS(H指Highperformance)新工艺，因而使它比第二代的Intel8085在性能上又提高了近10倍。

1979年，Intel公司将8086加以改造，开发出8088。之后，Intel公司对8086和8088进行改进，将更多功能集成在芯片上，于是诞生了80186和80188。这两款微处理器内部均以16位工作，在外部输入/输出上，80186采用16位，而80188和8088一样采用8位工作。

1982年，Intel推出了x86体系结构，直到今天，它仍然是大多数Intel处理器的基础。同年，Intel公司在8086的基础上研制出了80286，该微处理器内、外部数据传输均为16位，内存寻址能力为16MB。80286可工作于实模式与保护模式。在实模式下，微处理器可访问的内存容量限制在1MB；而在保护模式下，80286可直接访问16MB的内存，且可以保护操作系统。286是第一款能够运行所有为其前代产品编写的软件的Intel微处理器。

4．第四代微处理器(32位)

1985年，Intel划时代的80386DX芯片正式发布，其内部和外部数据总线均为32位，地址总线为32位，可以寻址4 GB内存、管理64TB虚拟存储空间。它的工作方式除了具有实模式和保护模式以外，还增加了“虚拟86”模式。80386有三个技术要点：使用“类286”结构，开发80387协处理器以增强浮点运算能力，开发高速缓存(Cache)以解决内存速度瓶颈。Intel386微处理器具有处理“多任务”的特性，也就是说，它可以同时运行多个程序。

1989年，Intel公司推出准32位微处理器80386SX。这是Intel为扩大市场份额而推出的一种较便宜的普及型CPU，其内部数据总线为32位，外部数据总线为16位，内存空间为16MB。它可以兼容80286的开发环境，且性能大大优于80286，价格只是80386DX的1/3，因而受到市场的广泛欢迎。

1989年，Intel推出了80486芯片，这款经过4年开发和3亿美元投入的芯片首次突破了100万个晶体管的界限。它使用1 μm的制造工艺，集成了120万个晶体管。80486将数学协处理器80487(速度是80387的两倍)、8/16 KB的高速缓存内置其中，在80x86系列中首次采用了RISC(精简指令集)技术(大约50%的指令可以在一个时钟周期内执行)，还采用了猝发总线方式(可大大提高与内存的数据交换速度)，这些改进使80486的性能比带有80387的80386DX性能提高了4倍。为了使外设能够承受CPU越来越快的频率，这时出现了CPU倍频技术，该技术使CPU内部的工作频率为外部频率的2～3倍。如80486DX2-66，其CPU的频率是66MHz，而主板的频率是33MHz。

经典的80486产品是80486DX，它的内、外数据总线都是32位，可寻址的内存空间为4

GB。为了适应普通用户(尤其是不需要大量浮点运算的用户)的需要，Intel公司推出了价格便宜、外置80487数学协处理器的80486SX。80486DX4是一个三倍频的版本，其内部集成了16

KB的高速缓存。80486SL是为笔记本电脑和其他便携机设计的，它使用3.3V电源，有内部切断电路，可使微处理器和其他一些可选择的部件在不工作时处于休眠状态。80486OverDrive是80486DX的倍频版本。

成立于1975年的AMD(AdvancedMicroDevices)公司拥有不亚于Intel的历史底蕴，从8080时代开始就一直是Intel最主要的竞争对手。AMD的Am386

SX/DX是兼容80386DX的第三方芯片，其性能和Intel80386DX相差无几，也成为当时的主流产品之一。AMD的486DX是AMD公司在

486市场的利器，它内置16KB回写缓存，开创了单周期多指令时代，且具有分页虚拟内存管理技术。由于后期TI公司推出了486DX2-80，价格非常低，Intel又推出了Pentium系列，因此AMD为了抢占市场的空缺，推出了5x86系列微处理器。它是486级最高主频的产品，型号为5x86-120/133。它采用了一体的16KB回写缓存，0.35μm工艺，33.3MHz×4的133MHz频率，性能直指Pentium75，并且功耗要小于Pentium系列。

Cyrix公司也是一家老资格的CPU开发商，早在x86时代，它和Intel、AMD就形成了三足鼎立的局面。由Cyrix公司生产的486DLC将386DXCPU与1KCache集成在一块芯片上，没有内置浮点协处理器，执行一条指令需要两个时钟周期。486DLC价格便宜，是为升级386DX而设计的。用一块486DLC替换原有的386CPU，就可以将一台386电脑升级到486。

5．第五代微处理器(64位)

1993年，全面超越486的新一代芯片586问世，微处理器技术发展到了一个崭新的阶段。为了摆脱486时代微处理器名称混乱及申请数字版权的困扰，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微处理器来对付“芯片巨人”。但是由于奔腾微处理器的性能最佳，因此Intel逐渐占据了大部分市场。

1993年3月，Intel采用超标量体系结构，推出了集成度为310万晶体管的64位微处理器Pentium。Pentium最初级的CPU是Pentium60和Pentium66，它们分别工作在与系统总线频率相同的60MHz和66MHz频率下，没有倍频设置。早期的75～120MHzPentium使用0.5μm的制造工艺，后期的120MHz以上的Pentium则改用0.35μm的制造工艺。经典奔腾的性能相当平均，整数运算和浮点运算都表现较佳。

1995年秋季，Intel推出了高能Pentium处理器(PentiumProProcessor)，它是专门为32位服务器和工作站级应用而设计的，可实现快速的计算机辅助设计、机械工程设计和科学计算。PentiumPro(686级的CPU)的核心架构代号为P6(也是未来PⅡ、P Ⅲ所使用的核心架构)。从技术上看，PentiumPro在当时绝对超前，其0.6μm工艺、32位内存寻址、80位浮点单元、分支预测等功能都十分先进；在其芯片内封装的256KB的二级缓存芯片史无前例(L1Cache为16KB，L2Cache为256KB/512KB/1MB)；处理器与高速缓存之间用高频宽的内部通信总线互连(连接线路也被安置在该封装中)，使高速缓存能更容易地运行在更高的频率上。PentiumPro的工作频率有133/66 MHz(工程样品)、150/60 MHz、166/66 MHz、180/60 MHz、200/66 MHz。PentiumPro曾是高端CPU的代名词，但MMX的出现使它黯然失色。

1996年底，Intel发布了多能奔腾(PentiumMMX)，即带有MMX技术的Pentium，代号为P55C。多能奔腾是继Pentium后Intel的又一个成功的产品，是第一个有MMX技术的CPU，其生命力相当顽强。多能奔腾在原Pentium的基础上进行了重大改进，增加了片内16 KB数据缓存和16 KB指令缓存、4路写缓存、分支预测单元和返回堆栈技术。特别是新增加的57条MMX多媒体指令，使得多能奔腾即使是运行非MMX优化程序也比同主频的PentiumCPU要快得多。与经典奔腾不同，多能奔腾采用了双电压设计，其内核电压为2.8 V，系统I/O电压仍为原来的3.3V。

1996年，AMD公司独立生产了第一个x86级CPU，由于Intel在1994年为Pentium处理器申请了专利，AMD无法再次使用相同的80x86命名方法，故将其命名为K5。AMDK5处理器在性能上不逊色于Pentium，而且同样采用Socket 5接口，取得了与Pentiun同台竞争的机会。K5集成了410万个晶体管，一级缓存容量达到了24KB，其中指令缓存为16KB，数据缓存为8KB，比Pentium的(8＋8)KB结构更为先进。K5还采用了PentiumPro才具有的多种先进技术，例如寄存器换名、动态执行、推测执行、分支预测等。在与Pentium频率相同的情况下，K5处理器的性能丝毫不逊色，甚至在整数性能方面还稍胜一筹。

1997年，AMD又推出了K6。K6的设计指标相当高，它拥有全新的MMX指令以及64KBL1Cache(32KB数据Cache，32KB指令Cache，比奔腾MMX多了一倍)，整体性能要优于奔腾MMX，接近同主频PentiumⅡ的水平。K6与K5相比，可以并行地处理更多的指令，并可以运行在最高300MHz的时钟频率上。K6集成了880万个晶体管，采用了0.35 μm技术，五层CMOS，C4工艺反装晶片，内核面积为168mm2(新产品为68mm2)，使用了Socket 7架构。K6在整数运算方面做得非常成功，稍显落后的地方是在运行使用MMX或浮点运算的应用程序方面比起同频率的Pentium要差许多。

自从Intel另辟蹊径，开发了Pentium之后，Cyrix很快也推出了自己的新一代产品5x86。它仍然延用486系列CPU插座，并将主频从100 MHz提高到了120 MHz。5x86比起486来说性能有所增强，可是比起Pentium，不但浮点性能远远不足，就连Cyrix一向自豪的整数运算性能也不那么高强。由于5x86可以使用486的主板，因此它被看做是过渡产品。之后，Cyrix在市场上投放了与Pentium兼容的微处理器6x86，但这已无法挽回Cyrix江河日下的局面。

1997年，Intel推出了PentiumⅡ处理器，开创了微处理器发展的新纪元。这款新产品集成了Intel MMX媒体增强技术，专门为高效处理视频、音频和图形数据而设计，可以说是集PentiumPro精华与MMX技术完美结合之典范。PentiumⅡ有Klamath、Deschutes、Mendocino、Katmai等不同核心结构的系列产品。其第一代产品采用Klamath核心、0.35 μm工艺制造，核心工作电压为2.8V，运行在66 MHz总线上；采用双重独立总线结构，其中一条总线连通二级缓存，另一条主要负责内存；使用一种脱离芯片的外部高速L2Cache，容量为512KB，并以CPU主频的一半速度运行；作为一种补偿，Intel将PentiumⅡ的L1Cache从16KB增至32KB。为了打败竞争对手，Intel第一次在PentiumⅡ中采用了具有专利权保护的Slot1接口标准和SECC(单边接触盒)封装技术。

1998年4月16日，Intel公司的第一个支持100 MHz额定外频、代号为Deschutes的350、400MHz的PentiumⅡ正式推出，这是第二代PentiumⅡ。使用新核心的PentiumⅡ微处理器采用0.25μm工艺制造，核心工作电压由2.8V降至2.0V，L1Cache和L2Cache分别是32KB和512KB，支持芯片组主要是Intel的440 BX。

在1998～1999年间，Intel公司推出了比PentiumⅡ功能更强大的CPU——Xeon(至强微处理器)。该款微处理器采用的核心和PentiumⅡ相近，采用0.25μm制造工艺，支持100MHz外频。Xeon最大可配备2 MBCache，并可运行在CPU核心频率下。它和PentiumⅡ采用的存储器芯片不同，它采用的存储器芯片被称为CSRAM(CustomStaticRAM，定制静态存储器)。它支持八个CPU系统，使用36位内存地址和PSE模式(PSE36模式)，最大800 MB/s内存带宽。Xeon微处理器主要面向对性能要求更高的服务器和工作站系统。另外，Xeon的接口形式也有所变化，采用了比Slot1稍大一些的Slot2架构(可支持四个微处理器)。

1998年4月，AMD正式推出K6-2微处理器。它采用0.25 μm工艺制造，芯片面积减小到68mm2，晶体管数目增加到930万个。K6-2具有64 KBL1Cache(32KB指令Cache，32KB数据Cache)，二级缓存集成在主板上，容量为512KB～2MB，速度与系统总线频率同步，为CPU主频的一半，工作电压为2.2V，支持Socket7架构。K6-2是K6芯片加上100MHz总线频率和支持3DNow！浮点指令的结合物。3DNow！技术是对x86体系的重大突破，它大大加强了处理3D图形和多媒体数据所需要的密集浮点运算性能。K6-2支持超标量MMX技术，支持最高达450MHz的主频。虽然与PentiumⅡ相比，K6-2只能在整数性能方面展现优势，但是比起没有二级缓存的IntelCeleron(赛扬)处理器，K6-2具有了争夺市场的实力。

在K6-2之后，AMD推出了升级版产品，包括K6-3和K6-2＋，它们与K6-2的差别在于二级缓存。1999年2月推出的代号为“Sharptooth(利齿)”的K6-3，仿效IntelCeleronA，把256KB二级缓存封装在CPU内部，以全速运行，并在主板缓存(512KB～2MB)配合下构成了史无前例的三级缓存。K6-3是AMD公司最后一款支持Super7架构和CPGA封装形式的CPU，它采用0.25μm制造工艺，内核面积为135mm2，集成了2130万个晶体管，工作电压为2.2V/2.4V。尽管K6-3性能比K6-2出色，但价格一直不被普通大众所接受。K6-2＋是AMD应对CeleronⅡ推出的过渡性产品，它将二级缓存封装在CPU内部。

1998年3月，Cyrix公司独自研发了最后一款微处理器CyrixMⅡ。除了具有6x86特性外，该微处理器还支持MMX指令，核心电压为2.9V，3.5X倍频，内部集成了650万个晶体管，功耗为20.6W，64KB一级缓存。Intel为抢占低端市场，于1998年4月推出了一款廉价的CPU——Celeron(赛扬)。最初推出的Celeron有266 MHz、300 MHz两个版本，且采用Covington核心，0.35μm工艺制造，内部集成1900万个晶体管和32 KB一级缓存，工作电压为2.0V，外频为66MHz。Celeron与PentiumⅡ相比，去掉了片上的L2Cache，此举虽然大大降低了成本，但也正因为没有二级缓存，该微处理器在性能上大打折扣，其整数性能甚至不如PentiumMMX。

为弥补Celeron因缺乏二级缓存而造成的微处理器性能的不足，进一步在低端市场上打击竞争对手，Intel在Celeron266、300推出后不久，又发布了采用Mendocino核心的新Celeron微处理器——Celeron300A、333、366、400。与老Celeron不同的是，新Celeron采用0.25 μm工艺制造，采用Socket370接口，内建32KBL1Cache、128 KBL2Cache，且以与CPU相同的核心频率工作，大大提高了L2Cache的工作效率。更为重要的是，CeleronA展现出惊人的超频能力。大多数的300MHz、366MHz产品都能以100MHz的外频来稳定运行，这样一来其性能比老Celeron至少提升30%。从CeleronA开始，“赛扬”成为Intel中低端微处理器市场的一张王牌，AMD的中低端产品在赛扬面前失去了光彩。

20世纪90年代末，互联网已经成为微机发展的主要驱动力，Intel也充分认识到这一点。1999年春季，Intel推出了最新型旗舰产品——PentiumⅢ 处理器，奔腾Ⅲ处理器最重要的技术创新之一是互联网SSE指令集(StreamingSIMDExtensions，数据流、单指令多数据、扩展指令集)。该芯片具有70条SSE指令，极大地提升了电脑在高级图形，三维动画，数据流音频、视频，语音识别应用等方面的性能，使用户能够用声音来控制计算机的操作，在个人电脑上观看电影与电视节目，并进行高级图形处理和渲染。PentiumⅢ采用Katmai核心，0.25μm工艺制造，Slot1架构，系统总线频率为100MHz，采用第六代CPU核心——P6微架构，针对32位应用程序进行优化，具有双重独立总线，一级缓存32 KB(16 KB指令缓存，16 KB数据缓存)，二级缓存512KB(以CPU核心速度的一半运行)，采用SECC2封装，最低主频为450MHz。

与PentiumⅡ处理器一样，PentiumⅢ 处理器也推出了针对不同市场细分的同代产品，包括移动PentiumⅢ 处理器和PentiumⅢ 至强微处理器。1999年秋季面市的新款PentiumⅢ处理器系列产品采用了更先进的0.18μm工艺技术，工作电压为1.6V，体积更小、耗能更低而性能更强。新款PentiumⅢ

处理器牢牢树立了互联网引擎首选产品的地位。作为处理器市场两强之一的AMD，随着Athlon系列产品的发布，在技术上取得了与Intel抗衡的实力。

1999年6月23日，AMD公司推出了具有重大战略意义的K7微处理器，并将其正式命名为Athlon(速龙，市场俗称阿斯龙)。Athlon有两种规格。一种是Pluto(冥王星)核心(简称K7核心)，采用0.25μm工艺制造，工作电压为1.6V，拥有2200万个晶体管，核心面积为184mm2，核心频率为500～700MHz，具有100MHz外频、200MHz前端总线，拥有128KB一级缓存，512KB二级缓存(以主频速度的一半运行)。它一经推出便成为Slot1接口的PentiumⅡ/Ⅲ 处理器的强劲对手。另一种是Orion(猎户座)核心(简称K75核心)，采用0.18μm工艺制造，工作电压有1.7V和1.8V两种，核心面积减小到102mm2，核心频率提高到550～1000MHz，成为处理器历史上首款突破1 GHz大关的经典产品。

Athlon采用全新的宏处理结构，拥有三个并行的x86指令译码器，可以动态推测时序，乱序执行；拥有一个强劲的浮点处理单元(FPU)，在3DNOW！指令的帮助下有更强的3D和多媒体处理能力，先进的FPU使K7拥有超越其他x86微处理器两倍的性能；采用类似于Slot1的全新SlotA架构，两者的物理结构可互换但电器性能不兼容；使用Digital公司的Alpha系统总线协议EV6。Athlon是AMD第一个具有SMP(对称多微处理器技术)能力的桌面CPU，使用者可以用其构建双微处理器甚至4微处理器系统。

2000年6月，AMD公司连续推出新款Thunderbird(雷鸟)、Duron(毒龙)微处理器，再次向Intel以Coppermine(铜矿)为核心的微处理器发出强有力的挑战，让AMD重新回到与巨人Intel一决雌雄的竞技舞台上。

Thunderbird是AMD面向高端的Athlon系列延续产品，采用0.18 μm的制造工艺，有SlotA和SocketA两种不同架构；对应100 MHz和133 MHz(主频在900 MHz以上)外频有两种版本AthlonB和AthlonC，内置128 KB的一级缓存和256 KB的二级缓存，其二级缓存与CPU的主频速度同步运行；工作电压为1.70～1.75V，功耗小于老Athlon；集成3700万个晶体管，核心面积达到120mm2。Thunderbird微处理器支持200MHz系统总线频率，提供巨大的带宽，且支持AlphaEV6总线协议，具有多重并行x86指令解码器。

Duron微处理器是AMD首款基于Athlon核心并有所改进的低端微处理器，它原来的研发代号为“Spitfire”。Duron外频为200MHz，内置128KB的一级缓存和64KB的全速二级缓存，工作电压为1.5V，功耗小于Thunderbird，核心面积为100mm2，内部集成晶体管2500万个。在浮点性能上，基于K7体系的Duron明显优于采用P6核心设计的Intel系列微处理器，它有三个全流水乱序执行的浮点单元，一个用于加/减运算，一个用于复合指令，还有一个是浮点存储单元，在同一时间内，三个单元既可以处理同一任务，也可以处理不同任务，这就是Duron在FPU上全面击败CeleronⅡ的原因。Duron的另一强项是超频能力，Duron600至少能够超频到800 MHz，不少极品甚至达到1 GHz。

TualatinCeleron在缓存方面作出了巨大改进，它使用了16 KB一级缓存和与主频同步运行的256 KB二级缓存。当CPU的频率高到一定程度时，缓存的作用越发明显，全速运行的二级缓存对于处理器性能的提高将起很大的作用。对比同频率的Pentium Ⅲ(Coppermine核心)，TualatinCeleron的性能与其相差无几，这注定了TualatinCeleron是一款高性价比的产品。在超频性能方面，TualatinCeleron也非常出色，100 MHz外频的TualatinCeleron(主频

1 GHz)可以轻松地跃上133MHz外频。更重要的是，TualatinCeleron有很好的向下兼容性，成为很多升级用户的首选。由于TualatinCeleron与Pentium Ⅲ 平起平坐，使类似当初因CeleronA的性能全面超越PentiumⅡ的性能而产生性能成本倒挂的局面再次出现。为了扭转局面，Intel将PentiumⅢ 也改用Tualatin核心，且使二级缓存容量达到512KB，支持SMP双处理器模式。不过TualatinPentiumⅢ 的产量很小且价格高昂，因此普及度不高。

2000年11月21日，功能比PentiumⅢ 处理器更为强大的新一代产品诞生了，这就是Pentium4处理器。Pentium

4处理器的诞生，是Intel微处理器技术的另一个里程碑。这种基于0.18 μm工艺技术、容纳4200万个晶体管的产品，采用了Intel全新的NetBurst系架构，依靠超级流水线技术、快速执行引擎、400 MHz系统总线、改进的浮点运算等技术，为数字时代的用户提供了个性化的快速处理音频/视频、制作个人电影、下载MP3音乐、进行庞大的3D游戏等功能。Pentium

4处理器成为延伸PC时代下，数字世界的动力核“芯”。2001年8月，IntelPentium

4处理器达到2GHz里程碑。

2002年11月，Intel在全新IntelPentium4处理器

3.06GHz基础上推出创新的超线程(HT)技术，使其成为电脑里程碑。这款处理器的运行速率为30亿周期每秒，并且采用当时业界最先进的0.13μm制造工艺制作。超线程(HT)技术支持全新级别的高性能台式机，可以同时快速运行多个计算应用，或为采用多线程的单独的软件程序提供更佳性能。超线程(HT)技术可将电脑性能提升达25%。

2003年6月，含超线程(HT)技术的IntelPentium4处理器3.2GHz闪亮登场，基于这一全新处理器的高性能电脑专为高端游戏玩家和计算爱好者而设计，由全球的系统制造商全面推出。2003年11月，支持超线程(HT)技术的IntelPentium4处理器至强版推出，它采用0.13μm制造工艺，具备512KB二级高速缓存、2MB三级高速缓存和800MHz系统总线速度，可兼容现有的Intel865和Intel875芯片组家族产品以及标准系统内存。2MB三级高速缓存可以预先加载图形帧缓冲区或视频帧，使在访问内存和

I/O设备时能够实现更高的吞吐率，带来更逼真的游戏效果和改进的视频编辑性能。

AthlonXP(速龙XP)系列产品堪称AMD历代产品中影响最大、跨时最长的产品。2001年10月，AMD推出第一代AthlonXP，采用“Palomino(独角兽)”核心，0.18μm制造工艺，核心电压为1.75V左右，二级缓存为256KB，OPGA有机塑料封装，前端总线频率为266MHz，实际主频为1333～1733MHz。2002年4月推出第二代AthlonXP，采用“Thoroughbred(纯种马)”核心，0.13μm制造工艺，核心面积从127.6mm2缩小到了80.3mm2。2003年1月推出第三代AthlonXP，采用“Barton(巴顿)”核心，主频为1833～2200MHz，二级缓存升至512KB，外频升至166MHz及200MHz，集成了5430万个晶体管，核心面积增加31mm2。Barton以良好的性能及超频性，成为Athlon系列中又一款经典产品。“Thorton”核心是AthlonXP中的末代产品，是Barton省略一半二级缓存、将外频降为133 MHz的产物，它对用户的最大吸引点在于便宜的价格、不错的超频性和可改造性。

源自K8Hammer(大锤)的Athlon64(速龙64)系列为AMD的64位微处理器，可以同时进行32位和64位计算。2003年9月首推的Socket754Athlon64有ClawHammer核心(二级缓存512KB/1MB)和Newcastle(纽卡斯尔)核心(二级缓存512KB)两种产品，采用0.13 μm制造工艺，主频为1800～2400MHz，HyperTransport(HT)总线频率为800 MHz，不支持双通道DDR内存。2004年6月推出的Socket939Athlon64有ClawHammer核心、Newcastle核心、Winchester(温彻斯特)核心三种产品，支持双通道DDR内存及1 GHz的HyperTransport总线，其中Winchester核心将制造工艺由0.13μm提升到了0.09μm，可以有效降低发热量。2005年4月推出的SanDiego(圣地亚哥，E4步进)拥有1MB的二级缓存，90 nm制造工艺，新增了对SSE3多媒体指令集的支持，改进了内存控制器的兼容性。

2005年4月，Intel推出第一款双核处理器平台，包括采用Intel955X高速芯片组、主频为3.2GHz的IntelPentium处理器至强版840。双核和多核处理器设计用于在一枚处理器中集成两个或多个完整执行内核，以支持同时管理多项活动。Intel超线程(HT)技术能够使一个执行内核发挥两枚逻辑处理器的作用，因此与该技术结合使用时，IntelPentium处理器至强版840能够充分利用以前可能被闲置的资源，同时处理四个软件线程。2005年5月，带有两个处理内核的IntelPentiumD处理器随Intel945高速芯片组家族一同推出，它带来某些消费电子产品的特性，例如环绕立体声音频、高清晰度视频和增强图形功能。

Athlon64FX(速龙64FX)系列处理器是AMD桌面处理器中的顶级产品，专为追求极限的爱好者而推出。该处理器特意不锁频，玩家可自由改变倍频进行超频。Athlon64FX系列处理器基于的核心有SledgeHammer、ClawHammer、SanDiego、Toledo。其中，939接口最高端的Athlon64FX-60处理器采用90nm制造工艺，Toledo核心，是第一款基于双核结构的FX处理器，内置了两个2.6 GHz的核心，每个核心都有1 MBL2缓存，每个核心的L2缓存都可以直接被另外一个核心访问，支持SSE3指令集

。

2006年5月，IntelCore 2(酷睿)双核处理器品牌隆重推出。2006年7月，Intel公司面向家用和商用个人电脑与笔记本电脑，发布了10款全新IntelCore 2双核处理器和IntelCore 至尊处理器。IntelCore 2双核处理器家族包括五款专门针对企业、家庭、工作站和玩家(如高端游戏玩家)定制的台式机处理器以及五款专门针对移动生活而定制的处理器。这些IntelCore 2双核处理器可以更快速地运行多种复杂应用，提供更耐久的电池使用时间和更加纤巧时尚的笔记本电脑外形，比最出色的IntelPentium处理器的能效高出

40%。IntelCore

2双核处理器内含2.91亿个晶体管。随着性价比更强的Intel“酷睿”系列处理器的上市，游戏性能曾经无敌的Athlon64FX系列的市场地位岌岌可危。

表1.1Intel微处理器发展表

表1.1Intel微处理器发展表

1.2.2微处理器结构的发展

Pentium采用P5架构被证明是伟大的创举。在Intel的发展历史中，第一代Pentium是具有里程碑意义的产品，经典的Pentium75/100/133一度称雄业界，使作为对手的AMD和Cyrix因为架构上的落后而无法与Intel展开正面竞争。面对这样的局面，AMD只能另辟蹊径，在用K5试探之后，发布了K6处理器，并衍生出K6-2、K6-3。如果说第一代K6还只能与具备MMX技术的Pentium平起平坐的话，那么K6-2、K6-3则凭借架构上的优势给Intel带来了巨大压力。于是，Intel在发布Pentium Ⅱ时，采用了专利保护的、原本用于PentiumPro服务器处理器的P6架构。P6架构与P5架构最大的不同在于：二级缓存被从主板移植到了CPU内，大大加快了数据读取的速度和命中率，提高了性能。AMD和Cyrix由于没能得到P6架构的授权，只好继续沿用旧的架构，使其市场份额急剧下降。

自AMD在1999年推出K7处理器后，CPU的市场格局再次发生巨变。从技术角度看，AMD的核心架构已领先于Intel，在同频的Athlon与PentiumⅢ 的较量中，AMD占据上风，这与其EV6前端总线以及缓存架构有很大关系，且AMDK7处理器的动态分支预测技术也领先于P6架构。Intel的应对策略是将P6架构的优势发挥到极至。先是主频之战，之后是在Tualatin核心中加入大容量缓存，再加上服务器处理器的SMP(对称多处理)双CPU模式，使得Intel巨人最终保住了颜面。

当全世界拭目以待一场架构革命时，Intel在2000年推出Pentium4时发布了微处理器发展史上极具争议、直至今天还在服役的NetBurst架构。其第一代Willamette核心饱受批评，因为采用Willamette核心的Pentium41.5GHz的性能却不如采用Tualatin核心的PentiumⅢ，频率比AMDAthlon XP2000＋高出很多的Pentium 4Willamette2GHz的性能却不及AtrhlonXP2000＋。后续的NorthWood核心凭借512KB二级缓存略微使Intel挽回形象。现在的Prescott核心依旧是NetBurst架构，虽然其高频率产品的综合性能还是实实在在的，但面对AMDK7架构时并没有多少可骄傲的资本。

发挥NetBurst架构强大的性能需要更高的主频及强大的缓存结构。为了提高主频，NetBurst架构不断延长CPU超流水线的级数。流水线的概念在Intel的486芯片中首次开始使用，经典Pentium的每条整数流水线分为四级流水，即指令预取、译码、执行及写回结果；浮点流水线分为八级流水。而Pentium 4的超流水线长达20级，随后的Prescott更是提升到了31级。理论上讲，超流水线级数越长，指令执行速度越快，才更适应高主频的CPU。但是超流水线过长也会带来一定的副作用，可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象，NetBurst架构正是如此。为此，Intel不得不继续提高主频并且加大二级缓存容量。然而让Intel尴尬的是，如今的处理器制造工艺开始面临瓶颈，即便采用65 nm工艺，未来想要在NetBurst架构上实现高主频也是极为困难的事情，这意味着NetBurst架构今后将无法继续凭借主频优势与对手竞争。

与桌面市场相比，Intel在移动市场拥有更为强大的控制能力。从486处理器到PentiumM，Intel一直称霸移动处理器市场。第一代迅驰PentiumM(Banias)的性能几乎与Pentium 4并驾齐驱，而功耗则大幅度减小。更加令人没有想到的是，Banias核心的PentiumM一旦应用到桌面平台并大幅度超频之后，其性能完全压倒了Pentium4。随后，Dothan核心的PentiumM更是将这一神话进行到底。对比Dothan核心的PentiumM与主流Pentium 4不难发现，PentiumM的核心架构仍然是P6，只是结合了NetBurst架构的前端总线技术，通过减少原先在P6微架构下指令编译后的微指令数目来改善指令编译器及处理单元的效能，并且使主频和缓存大幅度加强。迅驰平台是Intel近几年来最值得骄傲的成功产品。“迅驰”一词在移动领域的地位不亚于在桌面台式机上的“奔腾”。

2006年7月，当迅驰

Ⅲ

中的Yonah移动处理器已经具备Core核心架构的技术精髓时，Intel正式宣布Pentium成为历史，具有划时代意义的Core(酷睿)架构横空出世：未来台式机使用Conroe，笔记本使用Merom，服务器使用WoodCrest，这三款处理器全部基于Core核心架构。这意味着Core核心架构将桌面、移动、服务器三大领域统一了起来，这是Intel近年来最具革命性的变革，它使Intel再次夺得市场主动权。

双核Core架构的二级缓存容量高达4 MB，由两个核心共享，访问延迟仅有12～14个时钟周期。每个核心还拥有32 KB的一级指令缓存和一级数据缓存，访问延迟仅有3个时钟周期。在双内核处理器的支持下，真正的多任务得以实现。Core架构的优势还体现为降低功耗的IntelligentPowerCapability技术和优化多媒体性能的AdvancedDigitalMediaBoost技术。如今，决定CPU整体性能的关键已经不仅仅是主频、缓存技术，而是核心架构。优秀的核心架构能够弥补主频的不足，更能简化缓存设计而降低成本，这才是优秀处理器的根基。

1.3PC概

述

1.3.1PC的发展微型计算机，也称个人计算机或个人电脑(PC)，是随着微处理器(也即CPU)的发展而发展的。1981年IBM个人电脑

(PC)的发布，是计算机发展史上的一个重要里程碑，标志着PC开始进入计算机主流。随着PC的发展，它逐渐成为人们工作、沟通、学习、娱乐等许多活动的基本组成部分，并且成就了一个生机勃勃的产业。

第一款PC是1981年的IBMPC，它采用主频为4.77 MHz的Intel8088微处理器，单色显示器，容量为160KB的5.25英寸软盘驱动器，64KB内存(RAM，可扩展到256KB)，没有硬盘；其软件界面都是纯文本的，包括PC-DOS、微软BASIC、VisiCalc、UCSDPascal、CP/M-86、Easywriter1.0等；能发出的惟一的声音是系统中小扬声器发出的蜂鸣声。

计算机的发展有四大趋势：巨型化、微型化、智能化和网络化。作为微型化的代表，微型计算机在计算机的发展历程中是非常重要的一个机种，它对于计算机的普及与发展有着不可磨灭的贡献。

1.3.2PC的基本组成

1.硬件系统微型计算机的硬件系统如图1.2所示，它是图1.1中的一部分，由微处理器(或称中央处理单元(CPU))、内部存储器(简称内存)、输入/输出接口(简称接口)及系统总线构成。

图1.2微型计算机的硬件系统

1)CPU

CPU是一个复杂的电子逻辑元件，它包含了早期计算机中的运算器、控制器及其他功能器件，能进行算术、逻辑运算及控制操作。现在经常见到的CPU均采用超大规模集成技术做成单片集成电路。它的结构很复杂，功能很强大。

2)内存顾名思义，所谓内存，就是指微型计算机内部的存储器。由图1.2可以看到，内存是直接连接在系统总线上的。因此，内存的存取速度比较快。由于内存价格较高，一般其容量较小。这与作为外设（外部设备）的外部存储器刚好相反，后者容量大而速度慢。

内存用来存放微型计