历史版本2:Intel Pentium处理器 返回词条

Pentium是英特尔的第五代x86架构之微处理器，于1993年3月22日开始出货。他是486产品线的後代。Pentium本应命名为80586或 i586，後来命名为“Pentium”（通常认为“pentium”是希腊文“五（penta）”加拉丁文中代表名词的接尾语“ium”的造词）是因为阿拉伯数字无法被用作注册商标。i586被使用在英特尔竞争对手所制造的类80586的微处理器。　　

　　继承着80486大获成功的东风，赚大笔美金的Intel在1993年推出了全新一代的高性能处理器——Pentium。由于市场竞争越来越趋向于激烈化，Intel觉得不能再让AMD和其他公司用同样的名字来抢自己的饭碗了，于是提出了商标注册，由于在美国的法律里是不允许用阿拉伯数字注册的，于是Intel玩了个花样，用拉丁文去注册商标。“pentium”在拉丁文里面就是“五”的意思。Intel公司还替它起了一个相当好听的中文名字——奔腾。

　　从 486 後的主要改变
　　超标量 (Superscalar) 架构 - Pentium 拥有两个资料路径 (管线, pipelines)，可以达到在一个时钟周期内完成一个以上的指令。一个管线 (称为"U") 可以处理任何的指令，而另外一个 (称为"V") 可以处理简单，最共同的指令。使用一个以上的管线是传统 RISC 处理器设计的特色，这也是在许多 x86 平台上第一个实作出来的，显示有将两种技术合并的可能性，创造出几乎“混合在一起”的处理器。
　　64位元 资料路径 - 这使得每一次从记忆体提取指令的资讯数量变成两倍。这并不表示 Pentium 可以执行所谓的 64 位元应用程式；他的主暂存器仍然是 32 位元宽度。
　　MMX 指令 (只有後期的型号) - 一种基本的 SIMD 指令集扩充，设计给 多媒体 应用程式使用。
　　Pentium MMX - top viewPentium 架构的晶片最多每个时钟周期提供约为 486 处理器的两倍效能。最快的 Intel 486 部分几乎与第一代的 Pentium 有相等的速度，少部分後期的 AMD 486 型号只大约等于 Pentium 75 MHz.
　　最早期推出的 Pentium 时脉速度为 66 MHz 和 60 MHz。後来 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166, 200, 和 233 MHz 的版本才逐渐地出现。Pentium OverDrive 处理器以 63 和 83 MHz 的频率推出，当作老旧 486 等级电脑的升级选像。
　　原本的 Pentium 微处理器有内部的代码称为 P5，是管线化(pipelined)的循序(in-order)超纯量(superscalar)微处理器，以 0.8 微米 制程技术制造。接著推出的是 P54，是把 P5 缩小到 0.6µm 制程，已经是可以作为双处理器以及拥有与前端汇流排不同的内部时脉速度 (要增加汇流排的速度要比增加内部时脉来得更困难)。P54 之後接著是 P54C，使用 .35µm 制程 - 纯粹 CMOS 制程，相对於在早期的 Pentium 是使用 Bipolar CMOS 制程。
　　Pentium MMX - bottom view
　　接著，P55C 也以 Pentium with MMX Technology 推出 (通常只称为 Pentium MMX)；他是以 P5 核心为基础，0.35 µm 制程也在这个系列中使用，但是拥有新的 57 个 "MMX" 指令集来增进多媒体工作的效率，像是媒体的编码跟解压缩。然而，软体必须明确地对於使用 MMX 做最佳化，以及 P55C 显示出速度增加的幻象主要是来自於内部快取(cache)的容量变成两倍为 32 KB。
　　早期的 60-100MHz Pentium 版本在浮点运算单元有一个问题，在极少数情况下，会导致除法运算的精确度降低。这个缺陷於 1994年 被发现，变成如今广为人知的 Pentium FDIV bug ，同时这一事件导致 Intel 陷入巨大的窘态，建立召回计画来回收有问题的处理器。60 和 66 MHz 0.8µm 版本的 Pentium 处理器也由于其功能上的脆弱以及产生高热量而被指责。
　　Intel 已经保留 Pentium 商标名称给後面世代的处理器架构，但是在内部其实与 Pentium 相当的不同：
　　Pentium Pro
　　Pentium II
　　Pentium III
　　Pentium 4
　　Pentium M
　　Pentium D
　　Pentium EE
　　Pentium Dual Core
　　在这些商标名称上可以看到与这些 CPU 微架构的天性只有很松散的关联。Pentium 品牌现今在桌上型部分使用，Celeron 品牌则使用在 "经济型" 部分 (通常是低效能跟低价格)，以及 Xeon 品牌使用在适合伺服器和工作站之高效能的部分。同样的微架构可能会在所有的品牌中使用，但是他们在实作上有不同的时脉速度，快取大小，以及封装和插槽。而且，在不相关的微架构的晶片上使用相同的名称。

Intel的NetBurst并不是一个成功的架构，尽管Intel在设计Pentium 4之初，目标是10GHz核心频率。但事实证明目标难以完成。工程师难以在提升频率的同时，将发热量控制到一个合理的范围。因此，Intel宣称NetBurst产品频率不提升到4GHz以上。毕竟谁都不想坐在一个“火炉”旁边，谁都不想听到嗡嗡作响的风扇声音。

　　Intel为桌面处理器找到了一条新的开发方法，不提升时钟频率，而是集成多个计算核心。但先天的缺陷难以回避，如果不作任何改变的话，Pentium 4难以和其竞争对手相抗，在当前的处理器测试中，Pentium 4在大多数的测试项目中都落后于AMD。

　　NetBurst架构的高发热量和高能耗，不仅让Intel手足无措，也给一些希望购买Intel产品的消费者当头一击。但Intel现在产品线中还是有好产品。尽管Pentium III早已退出了桌面市场，但它在移动市场很快又找到了新的位置，而现在移动市场中的Intel处理器就都是基于和Pentium III相似的架构，只不过采用了更先进的生产工艺和其他一些改进，实现了比Pentium III更小的发热量和更高的总体性能，Pentium III在移动市场获得重生，被命名为—Pentium M。
尽管采用了Pentium III相关的架构，不过Pentium M使用的却是QPB 4倍前端总线，这个总线和Pentium 4的总线是一样的，同时也为Pentium M通过转接卡在Pentium 4普通主板上面使用提供了理论基础。华硕的工程师所开发出来的专用于Pentium M的转接卡就实现了这个功能。
Pentium M处理器到底和其他的处理器架构上面有何不同？Intel一直都没有过多的谈论这款产品的架构。在所有发布的官方文档中，对其性能指标和命名方法的描述也只是只言片语，如：为移动电脑设计的架构，专用的堆栈管理，微操作融合技术（micro-ops fusion），以及增强的Intel SpeedStep技术（EIST）。但是这些描述并不能够将Pentium M的内部架构表述清楚。看来Intel好像并不想透露太过关于Pentium M的细节信息，这里面一定是有原因的，是什么呢？

　　其实Pentium M根本就是根据P6架构作出的小幅修改而成的产品，P6架构是Intel很早以前所开发出来的架构，最早曾被用于Pentium Pro，后来Pentium II，Pentium III都使用的是这个架构。那么Pentium M看起来更像是广告铺天盖地的NetBurst架构的一种倒退哦？当然不是，你不能仅将Pentium M看作是一款过时的，已经不合时宜老架构。

　　其实在实际的评测中，Pentium M在很多项目上得分都超过了Pentium 4。而P6架构也是Intel开发的最优秀，最成功的一款架构，仅仅从它在市场中存在的时间，以及所衍生出来的产品数量就可知一二。既然如此，同样使用此架构的Pentium M为什么就不能够继续实现其辉煌呢？现在就让我们来看看，相比于Pentium III，Pentium M所作出的具体改进有哪些？

　　Pentium M和Pentium III一样，都是基于RISC架构（精简指令集架构）的处理器，不过两款处理器的执行核心有稍有不同。例如：虽然两款处理器都只有5个执行单元，但是两款处理器的执行管线长度是不一样的。Pentium III的整数管线长度为10级，而Pentium M的管线要更长些。当然Pentium M的管线长度尚远远不及Pentium 4，毕竟需要保证Pentium M处理器的执行效率，但是为了今后能够进一步提升处理器的频率，Intel的工程师还是增加了管线长度。

　　管线长度决定频率提升的潜力，同时会为处理器带来更多的能耗和发热量，因此管线长度的选定，对移动处理器来说尤其重要。因此通过一些使用经验数据判断，该处理器的管线大约在12-14级左右，也就是说要比Pentium III的管线长一点点。新增加的管线级数，除了用来推升处理器的时钟频率外，在Pentium M处理器中的微操作融合技术也需要更长的管线。这一点将在后文中提及。

　　较长管线的缺点还颇多，在带来了更高能耗和更多发热量的同时，还会带来因为分支预测失败后的更多花销。尤其对于现在的超标量体系结构且拥有乱序执行能力的处理器而言，分支预测失败所带来的负面影响不容忽视，而且已经成为影响处理器性能的重要因素。在研发过程中，开发人员都会尽可能降低因为增加执行管线级数而带来的这种影响，那么现在就让我们来看看，Pentium M中是如何改进分支预测单元的。
改进分支预测和硬件数据预取：

　　当处理器中的管线开始全速运转，突然发生执行了一个错误的程序分支，那么处理器就要重新查找执行正确的分支，这个过程中，一部分执行单元会出于空闲状态，执行的延迟增加，进一步影响了最终的性能。分支预测逻辑的目的就是为了将这种情况出现的几率最小化。在Pentium M中，分支预测逻辑是主要的改进部分。事实上，Pentium M的分支运测和Pentium 4的很相象。

　　准确的说，Pentium M的分支预测单元应该和Prescott核心的Pentium 4处理器相似。它增加了两个部分：一个是识别循环，另一个是预测间接分支。正因为如此，Pentium M中的分支预测和Prescott之前的Pentium 4有明显的不同，而且要比它们更加先进。当然，要想进一步将原本基于使用分支历史表的传统静态分支预测方式改进的更好，难度非常大。但是通过下面几个方面的分支预测单元的改进，Intel的工程师将Pentium M的预测精度整整提高了20％，当然这是和Pentium III相比。

　　第一个改进就是增加了循环识别逻辑。传统的静态分支预测方式，分支预测的循环结束条件老是出错。当然能够通过扩大存储分支信息的缓存器容量，使其存储更多的分支信息，然后分析其中的数据来解决问题。但是这样一一的分析数据会造成很长的延迟。所以Pentium M使用了稍微不同的方法，将代码中的循环识别逻辑和循环结论信息独立开来。这样能够极大的提升结束循环的条件预测精度。

　　第二个就是改进间接分支预测。所谓间接分支就是一个分支的分支地址，这个地址在程序编译时是不知道的，而且是程序执行时，由相关寄存器的状态来决定的。传统的静态分支预测使用两个表：分支历史表和分支地址表，这有这两个表而缺少间接分支地址表，让预测的结果正确率不超过75％。因此开发人员在Pentium M中，新添加了一个间接分支表，专门用来存储这类型的间接分支地址。

　　经过上面两方面的改进之后，由于预测精度大为提高，管线全速运行的情况比以前多了，执行单元空闲等待的情况也变少了。正因为这样，同频率下的Pentium M整体性能比Pentium III高了大约7％。而且随着分支预测单元的改进，Pentium M也更新了硬件数据预取逻辑，用于从内存中将数据取到缓存中去。Pentium M采用了和prescott核心Pentium 4处理器相类似的硬件数据预取算法，这种算法要比Pentium III的算法效率更高：

　　Pentium M和Pentium III、Pentium 4都一样，是RISC处理器。这意味着执行单元在处理内部简化命令的时候，远比处理复杂的x86指令更有效率。换句话说，也就是在执行RISC指令的时候，要比执行通常由三个甚至更多操作数所组成的x86架构更快捷流畅。因此，x86命令在经过解码器之后，通常会被分解成两个甚至三个微操作数。

　　例如：一个存储数据到内存或一个处理内存中数据的命令，被分别解码成两个指令。第一种情况，由计算地址和存储数据到缓冲器两个指令所组成；第二种情况，由从内存中读取数据和操作数据两个指令所组成。而现在的处理器都具备乱序执行微操作数的能力，因此一条x86指令被分解成多个微操作数之后，能够分别送到执行管线中被处理。

　　如果这些微操作彼此之间无关，那么分开执行起来自然没有什么问题。但如果一个指令的执行需要另外一个的执行结果，那么管线就会出现等待现象，等待执行单元将处理完成的结果发送过来，然后才能够继续处理。这种等待现象在NetBurst架构中并不明显，因为它有很多执行单元，不过对于Pentium M这类型的处理器而言，性能的影响就相当明显了，而且等待状态下的处理器继续浪费能源，这点对于移动处理器来说也是不可接受的。这也是为什么Pentium M处理器要加入微操作融合技术的原因，它能够尽可能避免出现执行单元处于空闲状态这一情形。

　　这项技术的工作非常简单，就是根据相关性将x86指令划分成一些部分，然后通过解码器将所有的微操作都集中到一起，然后通过之前确定的相关性划分微操作，从而形成x86指令的子集，有相关性的微操作被划分在一起，由同一个执行单元执行，而不同执行单元所执行的微操作彼此是无关的。因此不会再出现等待某执行单元的执行结果的情况。虽然微操作融合需要多做一些工作，不过这对于性能提升是有好处的。通过测试，使用这项技术能够让整数数据的处理速度提升5％，浮点数据的处理速度提升9％。

　　Pentium M中的另一项改进就是堆栈管理器。由于软件使用堆栈非常频繁，有其是当其调用子程序时更是如此。让执行单元频繁处理PUSH，POP，CALL和RET这样的关于堆栈操作的指令，让执行单元时钟处于运行状态，这不利于处理器控制发热量和能耗。因此Pentium M中的专用堆栈管理器和堆栈指针寄存器一起工作，堆栈管理器能够识别，像PUSH，POP，CALL和RET这样的指令，在它们经过解码器，但到达执行单元以前预处理它们，从而降低执行单元的负载。能够在提升性能的同时，进一步控制发热量和能耗。根据测试表明，使用专用堆栈管理器能够减少整数执行单元5％的指令执行数量。

　　尽管Pentium M使用基于Pentium III的架构，但Pentium M采用了完全不同的总线。P6架构的系统总线峰值带宽仅为1GB/s，这对于现在的标准来说太小了。同样考虑到可能传统的总线不太适合现在的应用，因此Intel工程师决定让Pentium M使用Quad Pumped Bus总线。这种总线正是Pentium 4的总线标准。

　　事实上，QPB总线也是Pentium M和Pentium 4唯一的相似之处。如果细加分析的话，两者的总线架构还是有一些细微的区别，Pentium M的QPB总线缺少一些功能。例如：最显著的特点就是Pentium 4的系统总线时800MHz，而Pentium M之后533MHz；然后Pentium M的系统总线只支持32位寻址，也就是说最多仅支持4GB的内存空间。最后Pentium M的总线不支持多处理器配置。不过这些差异之处都不太重要，反而是Pentium M和Pentium 4在总线之间的兼容，才奠定了移动处理器在桌面电脑中应用的基础。

SSE2指令集

　　所有的Pentium M处理器都支持SSE和SSE2扩展指令集。因此这也是Pentium M针对Pentium III的一次升级。不过Pentium M并不支持SSE3指令集，毕竟这是在Prescott核心处理器上第一次采用的指令，推出的时间要比Pentium M处理器更晚。

L2缓存的节能措施

　　Pentium M配备有非常大的L2缓存，容量达到2MB。使用大缓存有许多好处，例如能够减少系统总线和内存总线的负荷，达到降低能耗的作用。不过更为特别的一点是，Intel为Pentium M处理器本身也使用了特殊的节省能耗的方法。和Intel其他的处理器一样，Pentium M中的缓存是8路相关，并且将L2缓存被进一步细分为4个部分，每一个部分都可以被独自访问。

　　也就是说，处理器在工作时，不需要读取一个缓存也运转整个缓存。因此这样节省的L2能耗大约为4倍。不过采用这种方式L2缓存的延迟会增加1个周期，如果于Pentium III相比的话。另外Pentium M的L1缓存为64KB，其中代码和数据容量各为32KB，是Pentium III L1缓存容量的两倍。

　　因为Pentium M是移动处理器，那么自然会有专门的节能技术，Pentium M中的节能技术是speedstep III。根据使用中的经验来看，处理器的能耗和处理器的频率，处理器的工作量，以及处理器大电压息息相关。换句话说，要想降低处理器的能耗，就要从这三个方面入手。

　　因此开发人员设定在处理器工作量较小的时候，通过降低工作频率和电压就可以减少处理器能耗。例如：处理器在处理办公软件的时候，就不是100％负载，而这也是大多数笔记本电脑最常见的应用。因此处理器能够自动下调频率和电压，这一过程十分平滑，不会让使用者有丝毫察觉。这就是speedstep技术的主要任务。

　　在Pentium III-M的第一代speedstep中，只提供了两个处理器模式：全速模式和节能模式。当电池电量低于某一个级别或处理器空闲时，就会进入节能模式。在Pentium 4-M处理器中，采用了第二代speedstep，能够自动在三种模式中转化。在这一代中，节能模式和全速模式之间的性能差异巨大，这依赖于处理器的工作量。

　　而且工作在节能模式下的处理器，一旦CPU的工作量突然加大或者用户执行了一个大型程序，那么处理器难以快速的提升性能和转换状态，从而使CPU的整体性能收到影响。在Pentium M处理器中的speedstep技术已历三代，能够提供7种不同的状态，能够根据处理器的工作量自动降低频率和电压，而且不同模式之间的转化迅速，不会给用户带来丝毫察觉
现在市面上的Pentium M处理器都基于Dothan核心。处理器核心采用90纳米制造工艺和“应变硅”技术，Dothan核心的制造工艺和Prescott核心Pentium 4处理器是一样的。处理器核心面积为83.6平方毫米，内部含有1亿4千万个晶体管。

Pentium，第一款与数字无关的处理器
　　1993年，英特尔发布了Pentium(奔腾)处理器。本来按照惯常的命名规律是80586，但是因为实际上“586”这样的数字不能注册成为商标使用，因此任何竞争对手都可以用586来混淆概念，扰乱市场。事实上在486发展末期，就已经有公司将486等级的产品标识成586来销售了。因此英特尔绝对使用自造的新词来作为新产品的商标——Pentium。 

Pentium的照片:

Pentium的核心照片:

 

　　Pentium处理器集成了310万个晶体管，最初推出的初始频率是60MHz、66MHz，后来提升到200MHz以上。第一代的Pentium代号为P54C，其后又发布了代号为P55C，内建MMX(多媒体指令集)的新版Pentium处理器。

　如果购买了最初60MHz、66MHz Pentium的用户比较倒霉，不但其Socket插座与其后推出的Socket 7不同，不能升级以外；更有极大可能是有内部缺陷的产品：早期的几批产品存在浮点运算错误的问题，虽然英特尔开始称这样的错误只是非常小一部分用户才会遇到，但是因为市场反应哗然，一时之间造成了很大的销售停滞。

　　最后，当时的英特尔总裁安迪葛洛夫于1993年11月29日向全球用户诚意道歉，并承诺回收产品而告终。据后来的统计数字表明回收成本高达4亿美金，这在当时是十分冒险的行为，对于公司的资金实力是一个生死存亡的考验；但最终的结果是重新赢得了消费者的信任，Pentium再度成为市场上最畅销的产品。

　　Pentium MMX的照片(俗称黑金刚):　　

 

Pentium MMX是英特尔在Pentium内核基础上改进而成的，其大的特点是增加了57条MMX指令。这些指令专门用来处理音视频相关的计算，目的是提高CPU处理多媒体数据的效率。MMX指令非常成功，在之后生产的各型CPU都包括这些指令集。据Tom’s Hardware测试，即使最慢的Pentium MMX 166MHz也比Pentium 200MHz普通版要快。

Pentium Pro的照片：

  

Pentium Pro的核心照片：

　Pentium Pro透露出英特尔对企业市场的雄心，不过作为第一代产品，还是有很多商榷的地方。最有趣的一件事情是，Pentium Pro执行16位程序的效能还不及同频率Pentium的水平；当然这不是一个错误，只是在当时16位程序数量还很多，32位软件尚未成为主流的情形下就显得太过超前。

　1997年 将多媒体技术摆上台面的CPU——Pentium II
　1997年英特尔发布了Pentium II处理器。其内部集成了750万个晶体管，并整合了MMX指令集技术，可以更快更流畅的播放影音Video，Audio以及图像等多媒体数据。

 

Pentium II 的照片：

 

　　　Pentium II首次引入了S.E.C封装(Single Edge Contact)技术，将高速缓存与处理器整合在一块PCB板上。通过Pentium II，用户可以透过因特网来捕捉、编辑、共享数码图片给自己的朋友和家人；甚至在影片上加入一些文字、音乐、效果等；可以使用视频电话等最新的多媒体技术。而之前的处理器在效能上就逊色很多了；因此在行销宣传上，英特尔特别凸现Pentium II的多媒体能力，这也很大促进了多媒体技术的流行。

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http://zh.wikipedia.org/zh-cn/Pentium