自從1978年6月推出8086微處理器以后，到1999年初PentiumⅢ芯片問世，80x86系列微處理器不僅在PC機市場占有主流地位，同時正向計算機各個應用領域發展。本節簡要介紹8086以后各種x86芯片的主要特點，使讀者對整個80X86系列的發展有一個全面了解。前一單元fix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />
一、Inel 80286 微處理器的基本情況
80286是美國Intel公司于1982年推出的一種高性能的16位微處理器。片內集成有存儲管理和保護機構，能用四層特權支持操作系統和任務的分離，同時也支持任務中的程序和數據的保密。80286是8086向上兼容的微處理器，它有兩種工作方式——實方式（又稱實地址方式）和保護方式（又稱保護虛地址方式）。在實方式中，80286兼容了8086的全部功能，8086的匯編語言源程序不做任何修改可以在80286中運行。在保護方式中，80286把實方式的能力和存儲器管理，對虛擬存儲器的支持以及對地址空間的保護集為一體，使80286能可靠地支持多用戶和多任務系統。80286有24條地址線，在實方式下只使用20條地址線，有220字節（1MB）的尋址能力，這與8086相同；在保護方式下，使用24條地址線，有224字節（16MB）尋址能力，它能將每個任務的230字節（1024MB即1GB）的虛地址映射到224字節的物理地址中去。
二、Intel 80386微處理器的基本結構
80386是Intel公司于1985年1月推出的一種高性能的32位微處理器它與8086、80286相兼容，是為高性能的應用領域與多用戶、多任務操作系統而設計的一種高集成度的芯片。80386具有片內集成的存儲器管理部件和保護機構，它的數據線是32位，內部的寄存器結構和操作也是 32位，具有32位地址線，能直接尋址4GB（1GB為10243B ）的物理地址空間。它的虛擬存儲空間為64TB （1TB為10244B）。
三、Intel 80486微處理器的基本結構
Intel公司于1989年4月推出了一種新的32位微處理器80486（簡稱486），同 80386相比，在相同的工作頻率下，其處理速度提高了2～4倍。80846采用了RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令系統計算機）技術，降低了執行每條指令所需要的時鐘數，使其能達到1.2條指令/時鐘。486以前的處理器執行一條指令是取得一個地址，再進行一個數據的輸入/輸出，而486采用一種突發式總線（Burst Bus）的技術，使取得一個地址后、與該地址相關的一組數據都可以進行輸入/輸出，有效地解決了微處理器同內存儲器之間的數據交換問題。加上486內部集成有FPU（Floating Point Unit，浮點部件）和Cache（超高速緩沖存儲器），以及CPU和FPU、CPU和Cache之間都采用高速總線進行數據傳送，使486CPU的處理速度，以及486系統的處理速度都得到了極大提高。
四、Intel Pentium微處理器
Pentium是Intel公司于1993年3月推出的第五代80x86系列微處理器、簡稱P5或80586，中文名為“奔騰”。
Pentium 芯片具有如下特點。
（一）超標量流水線
Pentium由“U”和“V”兩條指令流水線構成超標量流水線結構，其中，每條流水線都有自己的 ALU、地址生成邏輯和Cache接口。在每個時鐘周期內可執行兩條整數指令，每條流水線分為指令預取、指令譯碼、地址生成、指令執行和回寫等五個步驟。當一條指令完成預取步驟時，流水線就可以開始對另一條指令的操作，極大地提高了指令的執行速度。
（二）重新設計的浮點部件
Pentium的浮點部件在80486的基礎上作了重新設計，其執行過程分為8級流水，使每個時鐘周期能完成一個浮點操作（或兩個浮點操作）。采用快速算法可使諸如 ADD、MUL和LOAD等運算的速度最少提高3倍，在許多應用程序中利用指令調度和重疊（流水線）執行可使性能提高5倍以上。同時，用電路進行固化，用硬件來實現。
（三）獨立的指令Cache和數據Cache
Pentium片內有兩個8KB的Cache——雙路Cache結構，一個是指令Cache,一個是數據 Cache。TLB（Translation look-aside buffer，轉換后備緩沖器）的作用是將線性地址轉換為物理地址。這兩種Cache采用32×8線寬，是對Pentium 64位總線的有力支持。指令和數據分別使用不同的Cache, 使Pentium中數據和指令的存取減少了沖突 提高了性能。
Pentium的數據Cache有兩個接口，分別與U和V兩條流水線相連，以便能在相同時刻向兩個獨立工作的流水線進行數據交換。當向已被占有滿的數據Cache寫數據時，將移走一部分當前使用頻率最低的數據，并同時將其寫回內存，這種技術稱為Cache回寫技術。由于CPU向Cache寫數據和將Cache釋放的數據寫回內存是同時進行的，所以，采用Cache回寫技術將節省處理時間。
（四）分支預測
Pentium提供了一個稱為BTB（Branch Target Buffer，分支目標緩沖器）的小Cache來動態地預測程序的分支操作。當某條指令導致程序分支時，BTB記憶下該條指令和分支目標的地址，并用這些信息預測該條指令再次產生分支時的路徑，預先從該處預取，保證流水線的指令預取步驟不會空置。這一機構的設置，可以減少每次在循環操作時對循環條件的判斷所占用的CPU的時間。
五、Intel Pentium Pro 微處理器
Pentium Pro是Intel公司于1995年11月推出的80x86系列中又一個新品種，簡稱P6，中文名為“高能奔騰”。同 Pentium芯片相比，Pentum Pro芯片增加了如下新的內容：
（1）芯片中 CPU內核為 550萬個晶體管，二級高速緩沖存儲器（L2 Cache）為 1550萬個晶體管；
（2）使用三條超標量流水線；
（3）有5個并行的執行部件 用于整型數運算的2個，用于裝載、存儲和浮點數運算的各1個；
（4）采用事務型的I／O總線和不分塊的高速緩存體系；
（5）采用亂序執行、動態轉移預測以及風險執行。
Pentium Pro微處理器的主要特點可以從下面 6個方面進行說明。
（一）一個封裝內裝有兩個芯片
Pentium Pro的一個封裝內有兩個緊密耦合的底座。一個底座放CPU以及兩個 8KB的一級（L1）高速緩存；另一個底座放 256KB SRAM二級（L2）高速緩存。兩個底座放在同一個387針腳的陶瓷封裝里，稱為雙穴PGA（針腳網格陣列）。把二級高速緩存同CPU封在一起的好處是；①Pentium Pro內藏二級高速緩存解決了同 CPU的協調，使個人機廠家更容易設計出搭載 Pentium Pro的系統；②用64 位寬的、時鐘頻率同CPU一樣的專用總線連接CPU和二級高速緩存有助于提高系統的性能。
(二)精心設計的微結構
Pentium Pro對二級高速緩存使用專用總線（L2總線也稱后臺總線）它同外部 I/O總線（也稱前臺總線）完全分開，使得 Pentium Pro的二級高速緩存用不著同內存、外設分時訪問總線。另外 為滿足超標量 CPU對數據的極大需求，Pentium Pro采用使一級和二級高速緩存用無阻塞方法來提高其性能，設計了一種高速緩存體系，使得能從一個高速緩存流動到另一個高速緩存而不用阻塞執行。在CPU取數時，Pentium Pro采用二種措施來提高其效率，一是使前臺總線和后臺總線保持獨立，因而可以同時工作，二是前臺總線為事務處理型的（transctional）。當Pentium Pro在等待完成存儲器訪問時，它可以開始另一個訪問，多達8個這樣的事務處理，效果是非常明顯的，事務處理可以是裝載或存放，每一次事務處理都記錄在MOB（存儲器次序緩沖區）中，因此CPU不會把它們搞亂。為了保持高速緩存和存儲器之間的協調，Pentium Pro采用 NESI（修改、排斥、共享和作廢）一致性協議。這保證了在單個和多個處理器系統中的高速緩存協調，它還可以防止由于自修改碼引起的潛在事故。
（三）指令分解為微操作
設計Pentium Pro時面臨的最大矛盾是要提高性能就要采用RISC（精簡指令系統計算機，Reduction Instruction Set Computer）方式使指令能在流水線上并行執行；而要保持同以往的x86微處理器兼容，就要采用CISC（復雜指令系統計算機，Complex Instruction Set Computer）指令，這樣才能使x86的龐大軟件資源能在 Pentium Pro上運行。為了解決這一矛盾，一方面采用CISC指令以保持兼容性；另一方面在執行時將指令分解為若干像RISC指令的微操作，使其能在流水線上并行地執行，以提高性能。
（四）亂序執行和推測執行
亂序（Out-of-order）執行是指不完全按程序規定的指令順序依次執行。推測（SPeculative）執行是指遇到轉移指令時，不等結果出來便先推測可能往哪里轉移便提前執行，由于推測不一定全對故帶有一定風險，又稱風險執行。亂序執行是P6等具有RISC性能的芯片富有生命力的特點，當它同轉移推測和推測執行結合在一起時，允許CPU使指令流最有效地利用內部資源。
（五）保留站的作用
Pentium Pro中的亂序執行由一個名為保留站（Reservation Station）的部件進行管理，保留站起交通警的作用 它調度微操作從ROB（重新排序緩沖器）中取出來分發到多個執行部件中的順序，以充分發揮流水線的能力。
（六）退離部件的作用
當微操作執行完后 其狀態標志便被改變以表示已經完成，執行完的微操作返回到ROB中，微操作在那里等待執行或退移（Retirement），使用退移部件的作用是保持程序的完整，該部件將執行完的微操作組合在一起使其退出，從外部看仍是在執行一條條的CISC指令。
六、Intel Pentium MMX微處理器
1997年1月9日，Intel P55C微處理器芯片正式推出，英文全名為 Pentium with MMX或Pentium MMX，中文名為“多能奔騰”。MMX是“Multi Media extension”的縮寫，意為“多媒體擴展”。這是為提高PC機用軟件來處理多媒體和通信能力而推出的新一代處理器技術，是對LA-32（Intel Architecture, 32位Intel體系結構）指令系統的擴展，它通過在奔騰處理器中增加4種新的數據類型、8個64位寄存器和57條新指令來實現的。
多能奔騰中的MMX技術是Intel x86微處理器體系結構的重大革新，增加了很多新的技術，主要是：
（一）引入新的數據類型
多能奔騰定義了4種新的64位數據類型及其緊縮（又稱“壓縮”）表示，它們是緊縮字節（8個字節緊縮在一個64位數據中）、緊縮字（4個字緊縮在一個64位數據中）、緊縮雙字（2個雙字緊縮在一個64位數據中）和4字（一個64位信息）。而新增加的8個64位通用寄存器能夠保存各類緊縮的64位數據。這對多媒體處理十分有用，例如處理一幅256級灰度的圖像，由于圖像像素數據通常以8位整數的字節表示，用MMX技術，8個這樣的像素將緊縮為一個64位值并可移入一個MMX寄存器。當一條MMX指令執行時，它將從MMX寄存器中一次對所有8個像素值并行地完成其算術或邏輯操作，并將結果寫入一個MMX寄存器，這樣用MMX指令進行一次緊縮型字節操作，一次就相當于處理了8個像素。而且能在一個時鐘周期內能執行2條指令，使多能奔騰的性能大大超過奔騰。
實際上這是采用SIMD（單指令流多數據流）技術的結果。它能運用單條指令同時并行處理多個數據元素的特性，在一個周期內并行處理4種類型，最多8組的64位寬度的模擬／數字數據，諸如聲音數據、圖形和圖像數據等模擬/數字的數據，使并行性進一步增強。
（二）MMX指令執行的數據緊縮和飽和運算兩種新的運算原剛
飽和運算也是MMX支持的一種新的運算，與常用的環繞處理相對比，可見飽和運算的優點所在。
在常規的環繞處理中，上溢或下溢的結果均被截斷，只有結果的低位（有效位）能被返回，忽略了進位。而在飽和運算中，上溢或下溢的結果被截取（飽和）至該類數據類型的最大值或最小值，如表2-9所示。例如，一個16位的大符號整數F000H＋4000H，其和為13000H，由于保留結果的寄存器為16位，因此最高位 位“1”被截斷。結果為3000H，小于任一個輸入數。而飽和算法則不同，在飽和算法中若發生“上溢”，則保留結果為FFFFH（16位整數的最大值）若發生“下溢”則保留結果為0000H。這在圖形學中很有用。比如，一個暗色多面體正在按黑色作濃淡處理，忽然間出現一個白色的像素，而飽和算法可以保證不會出現這樣的問題。因為計算結果被限制在最大的黑色值，而不會溢出成白色。

表2-9飽和數值范圍

（三）具有積和運算能力
在多媒體應用程序中，必須處理大量數據，矢量點積和矩陣乘法是處理圖像、音頻、視頻數據的最基本算法，用多能奔騰中的PMADDWD指令（緊縮字相乘并加結果，即“積和運算”）可以大大提高矢量點積的運算速度。這在音頻和視頻圖像的壓縮和解壓縮中是經常用到的。
七、Intel PentiumⅡ微處理器
1997年5月，Intel公司推出PentiumⅡ微處理器，簡稱PⅡ，中文名為“奔騰Ⅱ”。
“奔騰Ⅱ”是Intel公司的P6級微處理器的第二代產品，它把多媒體增強技術（MMX技術）融合入高能奔騰處理器之中，使“奔騰Ⅱ”芯片既保持了“高能奔騰”原有的強大處理功能，又增強了PC機在三維圖形、圖像和多媒體方面的可視化計算功能和交互功能。從系統結構角度看，“奔騰Ⅱ”芯片采用了如下幾種先進技術，使它在整數運算、浮點運算和多媒體信息處理等方面具有十分優異的功能。
（一）多媒體增強技術（MMX技術）
在“奔騰Ⅱ” 中采用了一系列多媒體增強技術：①單指令、多數據流（SIMD，Singl Instruction Multiple Data）技術，使一條指令能完成多重數據的工作，允許芯片減少在視頻、聲音、圖像和動畫中計算密集的循環；②為針對多媒體操作中經常出現的大量并行、重復運算，新增加了57條功能強大的指令，以更有效地操作、處理聲音、圖像和視頻數據。強大的MMX技術指令集充分利用了動態執行技術，在多媒體和通信應用中發揮了卓越的功能。
（二）動態執行技術
為了幫助微處理器更有效地處理多重數據，提升軟件的速度，“奔騰” 采用了由三種創新處理技巧結合的動態執行技術。這三種技巧是：①多分支跳轉預測。使用一種多分支跳轉預測的算法。當處理器讀取指令時，也同時查看那些以前的指令，該技術增加了傳送到處理器的數據流，能對數據流向事先作出考慮。②數據流分析。按一種最佳的順序執行，使用數據流分析，處理器查看被譯碼的指令，決定是否符合處理條件或它們決定于其他指令。處理器然后決定最佳的處理順序，以最有效的方法執行指令。③推測執行。通過預先查找程序計數器和執行那些可能會運行的指令，來增加被執行指令的數量。當處理同時執行5條指令時，便要用到“推測執行”，這使得“奔騰” 微處理器的超計算能力能充分得到發揮，以最大限度地提高指令的并行程度，從而提高軟件性能。動態執行技術允許微處理器預測指令的順序，并排序。
(三)雙重獨立總線結構（DIB, Dual Independent Bus）
采用了上述二種技術后，使 “奔騰Ⅱ”處理器具有很高的處理能力 但要發揮這一高性能還要求有很快的吞吐能力。而傳統的CPU數據總線（如圖2-24所示）CPU通過1條數據總線同主在、二級Cache以及PCI相連。這里會出現二個問題，一是二級Cnche受到處理器外部總線速度的限制；二是在任一時刻系統總線只允許一個訪問使用。而“奔騰” 處理器采用了雙重獨立總線結構，如圖2-25所示。這是由兩條總線組成的雙重獨立總線體系結構，一條是二級Cache總線，另一條是處理器至主存儲器的系統總線，“奔騰Ⅱ”處理器可以同時使用這兩條總線，使“奔騰Ⅱ” 處理器的數據吞吐能力是單一總線結構處理器的2倍。同時，這種雙重總線結構使“奔騰Ⅱ” 處理器的二級Cache的運行速度達到奔騰處理器二級Cache的2倍多。隨著“奔騰Ⅱ” 處理器主頻不斷提高，二級Cache的速度也會隨之升高。另外，流水線系統總線實現了同時并行事務處理，以取代單一順序事務處理，加速了系統中的信息流，使總體性能得到提升。總之，這一切同雙重獨立總線體系結構的改進結合起來，提供3倍于單一總線體系結構處理器的帶寬性能。
此外，“奔騰Ⅱ” 處理器還采用了新的封裝技術——SEC（Single Edge Contact，單邊接觸）插盒。SEC插盒技術是先將芯片固定在基板上，然后用塑料和金屬將其完全封裝起來，形成一個SEC插盒封裝的處理器，插盒內的基板上固定的芯片包括PentiumⅡ處理器核心，以及二級靜態突發高速緩存RAM（安排在處理器核心左右各1個），如圖2-26所示。這一SEC插盒通過slot1插槽同主板相連，為PC系統帶來了高性能——動態執行功能和雙重獨分總線結構。
八、IntelPentiumⅢ 微處理器
1999年2月，Intel公司發布了帶有70條附加浮點多媒體指令的PentiumⅢ微處理器，簡稱PⅢ，中文名為“奔騰Ⅲ”。
（一）帶SSE指令集的PentiumⅢ處理器
最早推出的PentiumⅢ的主頻為450MHz和500MHz，系統總線頻率為100MHz，采用P6微結構，一級緩沖存儲器為16KB指令Cache和 6KB數據 Cache；二級緩沖存儲器為512KB，速度相當于CPU核心速度的1/2。針對32位應用程序進行優化，采用雙重獨立總線，具有動態執行功能。其最大的特點是增加了70條SSE（Streaming SIMD Extensions，數據流單指令多數據擴展）指令集，原先稱為“MMX2指令集”，即“第二代多媒體擴展指令集”。PetiumⅢ原先稱為“Katmai” ,是屬于PentiumⅡ中的一種新品種。
PentiumⅢ芯片中的70條SSE指令可分為3類：
（1）內在連續數據流優化處理指令8條；
（2）SIMD（單指令多數據）浮點運算指令50條；
（3）新的多媒體指令12條。
這些指令能增強音頻、視頻和3D圖形處理能力。
為配合SSE指令集，PentiumⅢ芯片增加了8個新的128位單精度寄存器（4 × 32位），能同時處理4個單精度浮點變量，可達到每秒20億次的浮點運算速度。使PentiumⅢ芯片在三維圖像處理、語音識別和視頻實時壓縮等方面的應用得到長足的進步。
（二）新一代PentiumⅢ微處理器Coppermine
1999年10月25日，Intel公司又發布了基于0.18μm技術制造的新一代PentiumⅢ微處理器，開發代號為Coppermine，該芯片最高主頻達733MHz，可工作在133MHz外頻（外部時鐘頻率）。
Coppermine的主要特性為：
（1）內置工作在核心頻率下的256 KB二級緩存；
（2）采用0.18μ的制造工藝,在106mm2芯片上，集成了2800萬個晶體管，而最早推出的Katmai在128mm2芯片上，集成了900萬個晶體管。Coppermine芯片可工作在1.1~1.7V的電壓下，發熱量小，功耗低。
（3）采用先進的緩存轉換架構。內置的二級Cache使用一條256位的寬帶數據通路，相當于采用64位數據通路的另外二級Cache的4倍，每個時鐘能轉換32字節的二級緩存，使在處理器核心與二級Cache之間的理論數據帶寬達11.2GB/s。
（4）采用先進的系統緩沖器，用6個填充緩沖器代替原先的4個填充緩沖器用8條總線隊列代替原先的4條總線隊列，用4個回寫緩沖器代替原先的1個，使Coppermine在133MHz時鐘總線上運行時更具優勢。
（5）采用適用于移動PC系統的Speedstep技術。這一技術可以使Coppermine降低運行速度和電壓以降低電源功耗，延長運行時間，這對使用電池的移動式PC系統具有實用意義；而當使用外接電源時，可以全速與全電壓方式運行，提高了系統的靈活性。