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计算机CPU大演义(一)

CPCW 2000-01-29 00:00 我要吐槽
p>下围棋的人都知道,高手之间的过招,其实是在比耐力,比谁的错误犯得少。于是棋的输赢,关键取决于自己,而并不全在对手如何。我想这个道理用在CPU的较量上也是一样。

遥远的史前文化

虽然年代相去并不久远,但以一日千里的微型计算机发展状况来看,我们一定把486以前的时代看做是史前发生的事却也并非骇人听闻。或者眼下好多爱好者已经忘却了这些曾驰骋沙场的前辈,那不妨听在下罗嗦几句。

1.速度挂帅,万变不离其宗

CPU又叫中央处理器,是英文单词CentralProcessingUnit的缩写,其内部结构大概可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元等几个部分。按照其处理信息的字长可以分为: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。本文后面会提到许多比较艰生的理论知识,虽然我会努力把他们讲得生动浅显,但我确实没有办法让他象《还珠格格》那样有趣,不过你一定要把握住所有这些技术都是围绕突破速度极限而设立的,这是个万变不离其宗的道理。顺着这条路思索下去,你一定马上会问提高速度到底都有哪些方法呢?其实说起来很简单,科学家想到的地方,我们要留心也一定能发现得了。不外乎下面几种情况:优化指令集、提高处理器每个工作单元的效率、配置更多的工作单元或新的运行方式来增加并行处理能力、缩短运行的时钟周期以及增加字长等等。

2.论资排辈,字长最好说话

八位微处理器的典型产品为Intel公司的8080处理器、8085处理器、Motorola公司MC6800微处理器和Zilog公司Z80微处理器。十六位微处理器的典型产品是Intel公司的8086和80286微处理器。如果说8080处理器还不为各位所熟知的话,那么80286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。

三十二位微处理器的代表产品是Intel公司1985年推出的80386,这是一种全三十二位微处理器芯片。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,486处理器面市,粗略的说486就是集成了浮点 愕ピ?KB高速缓存(说是高速估计比现在一般内存的速度也有相当差距)的386。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。

悄然而至的转折点

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CPU制造商Intel公司把自己的新一代产品命名为Pentium(奔腾)以示区别。而AMD和Cyrix也分别推出了K5和6x86处理器。接下来Intel又为冲击服务器市场和争取多媒体制高点相继发布了PentiumPro和PentiumMMX。这么多处理器的发布使这一段并不算长的时期充满了戏剧性,技术和市场层面的两层变化交汇在一起,终究构成了山雨欲来风满楼的态势。或许这就是我们所说的转折点吧?

1.技术变迁,RISC取代CISC

在现在来看第五代的微处理器的问世,应该算得上是PC个人电脑发展史上里程碑式的事件。然而这并非是因为它的速度较之以前有了本质的变化,主要原因是,从这里开始传统的X86指令集的CPU开始由CISC复杂指令集设计,转而开始采用部分RISC(简单指令系统计算机)技术。虽然从外观上这些CPU的指令依然复杂而且长度也参差不齐,但实际其内部的微指令已经是整齐化一的简单指令了。而由此也产生了两项全新的技术,超标量和流水线结构。接下来,我们简单介绍下他们的情况。

(1)复杂指令集随着VLSI技术的发展,计算机的硬件成本不断下降,与此同时,软件成本却越来越高,这使得人们开始热衷于在指令系统中增加更多的指令以及让每条指令完成更复杂的工作,来提高操作系统的效率,并尽量缩短指令系统与高级语言的语义差别,以便于高级语言的编译和降低软件成本。另外,为了做到程序兼容,同一系列计算机的新机器和高档机的指令系统只能扩充而不能减去任意一条,也促使指令系统愈加复杂。于是我们就把这些计算机称为CISC(复杂指令系统计算机)。

(2)简单指令集在发现了上述弊病以后,科学家们开始寻求解决办法。1975年IBM公司开始研究指令系统的合理性问题。其结果发现,CISC电脑中,各种指令的使用频率相差悬殊,最常使用的一些比较简单的指令,仅占指令总数的20%,但在程序中出现的频率却占80%。于是着眼于减少指令的执行周期数,简化指令使计算机结构更加合理并提高运行速度的RISC电脑开始出现。

(3)流水线介绍流水线结构打个比方最容易。请大家设想一下工厂里产品装配线的情况,在我们想要提高它的运行速度的时候,是怎么做的呢?答对了。把复杂的装配过程分解成一个一个简单的工序,让每个装配工人只专门从事其中的一个细节,这样每个人的办事效率都会得到很大的提高,从而使整个产品装配的速度加快。这就是流水线的核心思想。

(4)超标量技术如果说,流水线是依靠提高每个"操作工人"的效率来达到促进整体的结果的话,那超标量就纯粹是在增加"工人"的数量了。它通过重复设置大量的处理单元,并按一定方式连接起来,在统一的控制部件控制下,对各自分配的不同任务并行的来完成不同操作。由此近年来电脑微处理器发展的基石总算奠定了下来,接下来考虑的就是如何提高流水线的使用效率和研发更先进的并行技术了。

2.一招出错,Intel尽失先机

或许现在很多人都认为Intel逐渐失去绝对的垄断地位是从AMD发布K6处理器开始的,但在我看来事实并非如此。就像我文章一开始就提到的那样,高手间的过招,不但要打败对手,同时更需要战胜自己。就在Intel主流桌面市场全面告捷的同时,它已经开始了第一次冲击高端工作站和服务器市场的尝试。PentiumPro(简称P6)正是应此要求出现的,它一经问世,就获得了满堂喝彩。我们需要给予肯定的是P6的内核确实十分先进,就是现在的PentiumIII的核心也继承了它的血脉。当然超能奔腾给我们留下最深印象的还是它一体双腔的设计方案,这是款X86处理器发展史上第一次把大容量L2缓存集成到CPU上和核心放置非常接近的产品,但以当时的工艺制造水平根本没有办法解决热量的问题。这款穷尽Intel心血的处理器最终没能进入主流市场,不但消耗了大量资金,更要命的是用去整整研发一代CPU所需要的时间,这才让后来的AMDK6有机可乘。

如果说上面的论述我还有几分自信能引起一些读者赞同的话,下面的想法则完全属于个人奇谈怪论。我认为Intel另一个不大不小的失误就出在风靡一时MMX指令上。MMX技术实质上是"单指令流、多数据流"数据处理方式(SIMD)的一项具体应用。它允许CPU同时对2、4甚至8个整数数据进行并行处理,而丝毫不影响系统的速度。在PentiumMMX结构的CPU中,增加若干64位的寄存器来完成上述使命。其最初目的是用于提高CPU对3D数据的处理能力,但实质上3D技术更需要的是浮点运算。随后出现的3DNow!、SSE和用于苹果电脑的AltiVec指令系统很快便让其走入了历史。

附这一时期部分CPU简介:

1.IntelPentiumClassic(经典奔腾)代号:P5(3.3V电压,型号P54C)发布时间:1993年时钟频率:60-200MHz总线速度:60/66MHz制造工艺:0.6、0.35微米晶体管数目:320s万个左右超标量:并行2指令内置x86指令集、x86译码器、80位浮点单元

2.IntelPentiumPro(高能奔腾)代号:P6发布时间:1995年时钟频率:150-200MHz总线速度:60/66MHz晶体管数目:处理器+缓存超过1500万个超标量:并行4指令内置x86指令集、x86译码器、80位浮点单元先进的分支预测功能

3.AMDK5发布时间:1995年时钟频率:60-200MHz总线速度:60/66MHz制造工艺:0.6、0.35微米内置x86译码器、80位浮点单元

4.Cyrix6X86代号:M1发布时间:1996年时钟频率:90-150MHz总线速度:60/66/75MHz制造工艺:0.6微米晶体管:300万内置x86译码器、80位浮点单元

作者:杜嘉责任编辑:)
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