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IBM PC系列机的广泛应用推动了处理器芯片的生产。Intel公司在推出32位结构的80386处理器后，明确宣布80386芯片的指令集体系结构（Instruction Set Architecture，ISA）为以后开发的80x86系列处理器的标准，称为Intel 32位结构（Intel Architecture-32，IA-32）。现在，Intel公司的80386、80486以及Pentium各代处理器统称为IA-32处理器或32位80x86处理器。
1985年，Intel 80x86处理器进入第三代80386。80386处理器采用32位结构，数据总线为32位，地址总线也是32位，可寻址4GB（1GB=2 30 B=1024MB）主存，时钟频率为16MHz、25MHz和33MHz。IA-32指令系统在兼容原16位80286指令系统的基础上，全面升级为32位，还新增了有关位操作、条件设置等指令。
80386除保持与80286兼容外，还提供了虚拟8086工作方式（Virtual 8086 Mode）。虚拟8086工作方式是在保护方式下的一种特殊状态，类似于8086工作方式但又接受保护方式的管理，能够模拟多个8086处理器。32位PC的Windows操作系统采用保护方式，其MS-DOS命令行（环境）就是虚拟8086工作方式，而早期采用的DOS操作系统是以实方式为基础建立的。
1989年，Intel公司推出80486处理器。它的内部集成了120万个晶体管，最初的时钟频率为25MHz，很快发展到33MHz和50MHz。从结构上来说，80486=80386+80387+8KB Cache，即80486把80386处理器与80387数学协处理器和8KB高速缓冲存储器（Cache）集成在一个芯片上，使处理器的性能大大提高。
传统上，中央处理单元主要是整数处理器。为了协助处理器处理浮点数据（实数），Intel公司设计了数学协处理器，后被称为浮点处理单元（Floating-point Processing Unit，FPU）。配合8086和8088整数处理器的数学协处理器是8087，配合80286的数学协处理器是80287，配合80386的数学协处理器是80387。而从80486开始，FPU已经被集成到处理器中。这样，IA-32处理器的指令系统也就包含了浮点指令，能够直接对浮点数据进行处理。
Pentium芯片应该称为80586处理器，因为数字很难进行商标版权保护而特意取名。其实，Pentium是源于希腊文“pente”（数字5），再加上后缀-ium（化学元素周期表中命名元素常用的后缀）变化而来的。同时，Intel公司为其取了一个响亮的中文名称“奔腾”，并进行了商标注册。
Intel公司于1993年推出Pentium处理器，于1995年正式推出Pentium Pro处理器（原来被称为P6，中文名称为“高能奔腾”）。在处理器结构上，Pentium处理器主要引入了超标量（Superscalar）技术，Pentium Pro处理器主要采用了动态执行技术来提升处理器性能。它们增加了若干条整数指令，完善了浮点指令。
前面所述的各代IA-32处理器都新增了若干条实用指令，但非常有限。为了顺应微机向多媒体和通信方向发展，Intel公司及时在其处理器中加入了多媒体扩展（MultiMedia eXtension，MMX）技术。MMX技术于1996年正式公布，它在IA-32指令系统中新增了57条整数运算多媒体指令，可以用这些指令对图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化，使微机对多媒体的处理能力较原来有了大幅度提升。带有MMX技术的Pentium处理器就是Pentium MMX（多能奔腾）。带有MMX技术的Pentium Pro处理器就是1997年推出的Pentium Ⅱ。
1999年，针对互联网和三维多媒体程序的应用要求，Intel公司在Pentium Ⅱ的基础上又新增了70条SSE（Streaming SIMD Extensions）指令（原称为MMX-2指令），开发了Pentium Ⅲ。SSE指令侧重于浮点单精度多媒体运算，极大地提高了浮点3D数据的处理能力。SSE指令类似于AMD公司发布的3D Now！指令。由于这些多媒体指令具有显著的单指令多数据（Single Instruction Multiple Data，SIMD）处理能力，即一条指令可以同时进行多组数据的操作，因此现在将其统称为SIMD指令。
2000年11月，Intel公司推出Pentium 4，它新增了76条SSE2指令集，侧重于增强浮点双精度多媒体运算能力。2003年，新一代Pentium 4处理器又新增了13条SSE3指令，用于补充、完善SIMD指令集。