CPU发展已经有40多年的历史了。我们通常将其分成六个阶段。 [3]

(1)第一阶段(1971年-1973年)。这是4位和8位低档微处理器时代，代表产品是Intel 4004处理器。 [3]

1971年，Intel生产的4004微处理器将运算器和控制器集成在一个芯片上，标志着CPU的诞生； 1978年，8086处理器的出现奠定了X86指令集架构， 随后8086系列处理器被广泛应用于个人计算机终端、高性能服务器以及云服务器中。 [1]

(2)第二阶段(1974年-1977年)。这是8位中高档微处理器时代，代表产品是Intel 8080。此时指令系统已经比较完善了。 [3]

(3)第三阶段(1978年-1984年)。这是16位微处理器的时代，代表产品是Intel 8086。相对而言已经比较成熟了。 [3]

(4)第四阶段(1985年-1992年)。这是32位微处理器时代，代表产品是Intel 80386。已经可以胜任多任务、多用户的作业。 [3]

1989 年发布的80486处理器实现了5级标量流水线，标志着CPU的初步成熟，也标志着传统处理器发展阶段的结束。 [1]

(5)第五阶段(1993年-2005年)。这是奔腾系列微处理器的时代。 [3]

1995 年11 月，Intel发布了Pentium处理器，该处理器首次采用超标量指令流水结构，引入了指令的乱序执行和分支预测技术，大大提高了处理器的性能， 因此，超标量指令流水线结构一直被后续出现的现代处理器，如AMD（Advanced Micro devices）的锐龙、Intel的酷睿系列等所采用。 [1]

(6)第六阶段(2005年后)。处理器逐渐向更多核心，更高并行度发展。典型的代表有英特尔的酷睿系列处理器和AMD的锐龙系列处理器。 [3]

为了满足操作系统的上层工作需求，现代处理器进一步引入了诸如并行化、多核化、虚拟化以及远程管理系统等功能，不断推动着上层信息系统向前发展。

指令集的方式

CPU的分类还可以按照指令集的方式将其分为精简指令集计算机(RISC)和复杂指令集计算机(CISC)。RISC指令长度和执行时间恒定，CISC指令长度和执行时间不一定。 RISC 指令的并行的执行程度更好，并且编译器的效率也较高。CISC指令则对不同的任务有着更好的优化，代价是电路复杂且较难提高并行度。典型的CISC指令集有x86微架构，典型的RISC指令集有ARM微架构。但在现代处理器架构中RISC和CISC指令均会在译码环节进行转换，拆分成CPU内部的类RISC指令 [4]

嵌入式系统CPU

传统的嵌入式领域所指范畴非常广泛，是处理器除了服务器和PC领域之外的主要应用领域。所谓“嵌入式”是指在很多芯片中，其所包含的处理器就像嵌入在里面不为人知一样。 [8]

近年来随着各种新技术新领域的进一步发展，嵌入式领域本身也被发展成了几个不同的子领域而产生了分化。 [8]

首先是随着智能手机(Mobile Smart Phone)和手持设备(Mobile Device)的发展，移动(Mobile)领域逐渐发展成了规模匹敌甚至超过PC领域的一个独立领域。由于Mobile领域的处理器需要加载Linux操作系统，同时涉及复杂的软件生态，因此，其具有和PC领域一样对软件生态的严重依赖。 [8]

其次是实时(Real Time)嵌入式领域。该领域相对而言没有那么严重的软件依赖性，因此没有形成绝对的垄断，但是由于ARM处理器IP商业推广的成功，目前仍然以ARM的处理器架构占大多数市场份额，其他处理器架构譬如Synopsys ARC等也有不错的市场成绩。 [8]

最后是深嵌入式领域。该领域更像前面所指的传统嵌入式领域。该领域的需求量非常之大，但往往注重低功耗、低成本和高能效比，无须加载像Linux这样的大型应用操作系统，软件大多是需要定制的裸机程序或者简单的实时操作系统，因此对软件生态的依赖性相对比较低。 [8]

大型机CPU

大型机，或者称大型主机。大型机使用专用的处理器指令集、操作系统和应用软件。大型机一词，最初是指装在非常大的带框铁盒子里的大型计算机系统，以用来同小一些的小型机和微型机有所区别。 [9]

减少大型机CPU消耗是个重要工作。节约每个CPU周期，不仅可以延缓硬件升级，还可以降低基于使用规模的软件授权费。

大型机体系结构主要包括以下两点：高度虚拟化，系统资源全部共享。大型机可以整合大量的负载于一体，并实现资源利用率的最大化；异步I/O操作。即当执行I/O操作时CPU将I/O指令交给I/O子系统来完成，CPU自己被释放执行其它指令。因此主机在执行繁重的I/O任务的同时，还可以同时执行其它工作。

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），一种具有微处理机的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行。可编程控制器由内部CPU，指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数字模拟等单元所模组化组合成。

广泛应用于工业控制领域。在可编程逻辑控制器出现之前，一般要使用成百上千的继电器以及计数器才能组成具有相同功能的自动化系统，而现在，经过编程的简单的可编程逻辑控制器模块基本上已经代替了这些大型装置。可编程逻辑控制器的系统程序一般在出厂前已经初始化完毕，用户可以根据自己的需要自行编辑相应的用户程序来满足不同的自动化生产要求。

最初的可编程逻辑控制器只有电路逻辑控制的功能，所以被命名为可编程逻辑控制器，后来随着不断的发展，这些当初功能简单的计算机模块已经有了包括逻辑控制，时序控制、模拟控制、多机通信等许多的功能，名称也改为可编程控制器（Programmable Controller），但是由于它的简写也是PC与个人电脑（Personal Computer ）的简写相冲突，也由于多年来的使用习惯，人们还是经常使用可编程逻辑控制器这一称呼，并在术语中仍沿用PLC这一缩写。

虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下：

步骤一“输入状态检查”：PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn。步骤二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。 此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。

(1)强力式励磁调节器。早在50年代中期，前苏联提出了强力式励磁调节器，除 了采用发电机端电压偏差ΔUt外，还采用发电机频率偏差Δf及其一次微分和发电机定 子电流及其一次微分等辅助反馈变量。在设计上采用“双变量D域划分法”。这种调节 器具有在保证调节精度下稳定励磁、提高发电机动态与暂态运行稳定性、抑制系统事故 后的振荡等功能，在前苏联得到推广应用。但由于设计方法不方便，共同稳定域很小， 参数整定困难等原因，在国际上和我国均未普遍应用。 [2]

(2) 电力系统稳定器PSS。它是在PID调节器的基础上，附加发电机的转速偏差 Δω、功率偏差ΔPe、频率偏差Δf中的一种或两种信号的二阶超前校正环节作为附加控 制。其作用是，增加对电力系统机电振荡的阻尼，以增强电力系统的动态稳定性。有资 料说明，采用PSS可将系统极 限运行角提高到110°～120°。 以Δf(Δω) 为附加信号的 PSS控制器传递函数结构图如图3所示。

我国引进设备所采用的 PSS的传递函数结构图见图4。采用了WASH—OUT 滤波器，保证在任何情况下，直流分量附加到调节器控制回路中。两个放大因子KSS1和KSS2“加权”用计算机程序 计算。设定值取决于机组参数、机组运行点及网络阻抗，从而决定其相位超前和滞后以 及稳定信号的幅度，以求所有运行点都达到好的阻尼效应。

(3)线性最优励磁控制LOEC。为了进一步改善电力系统小干扰稳定及动态品质， 70年代初，国际上一些学者提出了线性最优控制方式LOEC。80年代清华大学对此进 行了研究，研制成功工业样机，经由天津电气传动研究所、武汉洪山电工研究所制造生产的产品，已在碧口、刘家峡、白山、红石等水电站的机组上投入运行。有资料说明， 结合实际计算，这种励磁调节方式，可将系统动态稳定极限角δm提高到127°。但是， 它是基于系统全状态量的最优线性反馈的，要求状态量能实际测量，从而给实际应用带来了困难。而且将其应用于多机电力系统励磁控制设计时，不能得到分散的最优控制规 律，只能得到次优的控制方案，这不能不是一种缺陷，在非线性系统中，一旦偏离了设计工况，最优控制就不存在了。

(4)零动态多变量励磁控制ZDEOC。ZDEOC的设计原则是仅仅保证输出状态量的 动态品质在任何时刻都是最优的，即系统输出状态量的动态偏差Y (t)在任何时候都 趋于零，即，当t≥0时，Y (t) =0。而对其发电机的其他状态，即内部状态，无须 苛求，只求稳定即可。这种调节规律系由清华大学提出，在电力自动化研究院电气控制 技术所生产SJ800微机励磁调节器上配置，已在动模上作了单机无穷大系统试验，证明 能有效改善远距离输电系统稳定性，现已在岩滩水电站300MW机组上投入运行。

非线性多变量励磁控制NEC

NEC在设计中，对于小干扰和大干扰，都采用电力系统精确的非线性模型。应用微 分几何方法对电力模型(可表示为一个标准的仿射非线性系统)进行精确线性化，寻找适 当的坐标变换及非线性状态反馈，使系统转化为一个完全可控的线性系统，由此求出线性 最优控制，从而求得非线性控制。经变量代换，最终得出非线性最优控制规律NOEC。

清华大学用这种NEC的理论和方法设计并研究成功GEC-1型微机非线性励磁控 制器，它一举解决了电力系统小干扰与大干扰控制的统一性、控制对电网参数的鲁棒 性、分散最优控制等三个关键问题，有利于提高输电系统的安全稳定水平。

GEC-1型微机非线性励磁控制器，从1994年11月起已经在丰满水电站一台容量为 85MW的水轮发电机组和10台容量为100～200MW的汽轮发电机上成功地运行。西北电网的稳定仿真计算表明，依靠这种控制器不仅抑制了西电东送所出现的弱阻尼振荡，而且还 提高了东电西送动态稳定极限。对三峡工程机组励磁方式的研究表明，采用NEC方式，在 各种运行方式下，都能提供很强的人工阻尼，在提高系统暂态和静态稳定方面，均优于目前 的所有PSS和LOEC。以单机对无穷大系统的为例，静态稳定极限比采用PID方式提高 35.7%，比采用PSS方式提高7.1%，比采用LOEC方式提高15.7%;暂态稳定极限比采用 PID方式提高38%，比采用PSS方式提高4.7%，比采用LOEC方式提高14.2%。