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eddiese

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1.1　微處理機的發展史

針對微處理機的發展介紹其歷史，有別於一般電腦的發展史

1.1-1　微處理機的起源

在1969年大型積體(LSI; Large Scale Integration)電路已經成功的製造出來，而此時桌上型電算機正處於開發階段，許多電算機製造商為了市場的競爭，必須不斷地降低成本，以促使產品的暢銷，因而轉向研製大型積體電路，將電算機的中央運算IC利用半導體的高級發展技術予以集中，使得原來需要20~30個IC的裝置減少到僅須3~4個。當時由於各公司所製作的此類IC大多數均為桌上型電算機所使用的LSI，且其功能大致相同，但是為了更改一小部份的功能，整個LSI就必須重新設計製作，以致成本負擔過重。因此，許多電子工程師、製造商，就開始思考一個問題：「如何能夠改變電算機系統中的一小部份，整個系統功能就得以改變或改善。」，導致了微處理機(Microprocessor )基本雛型的構思。

: 4004微處理機
論及微處理機的根源，得感謝日本一家名為"Busicom"的計算器製造廠商。在1969年夏季，Busicom公司要求 Intel公司製造一套矽晶片，以供其計畫中的高性能及可程式化的計算器使用。
依照Busicom原來的設計，該套裝置含有12塊矽晶片，每塊晶片包含3,000~5,000個電晶體，而且外殼包裝有36~40個接腳。為了減少此裝置的成本，Intel公司給Busicom 的建議是減少基本指令的複雜性，改採唯讀記憶體來儲存程式，即可執行一系列的算數運算，同時鍵盤輸入所需的掃瞄裝置、除跳裝置、顯示器的資料維持電路都可以用程式來取代，Busicom接受了這個建議，於是1971年Intel利用了PMOS技術完成了4個晶片，取名為MCS-4，這4只LSI的編號分別為Intel 4001、4002、4003、4004，其中4001是唯讀記憶體(ROM)，4002是隨機存取記憶體(RAM)，4003是一個10位元的移位暫存器，4004則是一只包含4位元並行加法器(Parallel Adder)、累積器(Accumulator簡稱Acc)、堆疊器(Stack)、還有16個4位元的暫存器(Register)的中央處理器，隨著IC外部提供的指令碼，4004可以做出算術、邏輯等運算，所有運算的程序及數據都可由寫在記憶體中的程式來支配。MCS-4不但降低了Busicom計算器的成本，也大幅改善了一個數位邏輯電路的用途性，成為史上第一台微電腦系統，而Intel 4004就成了史上第一只微處理機(Microprocessor)。

電腦系統的中央處理單元(Central Processing Unit，

簡稱CPU)包括了算術、邏輯和控制、暫存器等電路，

現今微電腦系統中均由一只晶片整合在一起，俗稱為微

處理器(Microprocessor，縮寫成μP)或稱為微處理單元

(Micro-Processing Unit，簡稱MPU) ，

本書依工職課程標準使用名稱為微處理機。

1.1-2　8位元微處理機的興起

: 8008/8080微處理機
在Intel處理Busicom委託開發計算器的同一年，也就是1969年末，美國專門製造智慧型終端機Datapoint公司企圖完成一項突破，工程師們設計了一個非常基礎的中央處理單元，分別與Intel公司及德州儀器公司簽約，希望將此電路製作在單一的晶片上，後來Intel公司成功了。但是速度卻較Datapoint公司要求的慢了幾乎十倍，Datapoint公司拒絕了這個產品，Intel公司只好自行研究改良後，於1972年4月公開應市，宣佈為Intel 8008微處理機。
由於8008的速度過慢，功能不足，Intel於1974年推出了強化版本的微處理機8080，工作速度為2MHz，具備7組8位元暫存器，64K的記憶定址空間，加以寬廣的指令集，立即吸引住業界的注意，於是1975年MITS公司就以8080此款晶片推出8800的微電腦，搭配知名的CP/M作業系統及微軟公司的BASIC語言編譯器，在沒有競爭對手下曾經轟動一時，也造就了軟體巨人─微軟公司的成長。

: 6502、6800、Z80微處理機
1975年可說是微處理機的戰國時代，也是一個微處理機工業發展的蓬勃年代，首先由Motorola公司推出了八位元的6800，部份工程師離開Motorola後自組MOS Technology公司又推出知名的6502，因此晶片也造就了電腦怪傑Steve Jobs與Steve Woznick在車庫中完成了Apple II微電腦，風行一時的任天堂電視遊樂器也在此時誕生。由於6502的強勢，Intel不得不推出8085應戰，而從Intel離家出走的幾名大將所成立的Zilog公司，此時也推出了一款可以與8080相容，但是更強悍的Z80微處理機，一時之間市場上八位元處理機可說是百家爭鳴，微電腦對於各種微處理機能夠相容的設計也在此時展開。

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此文章於 2003-10-22 04:41 PM 被 eddiese 編輯.

2003-10-22, 04:35 PM #11

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1.1-3　16位元微處理機的興起

: 8086、8088、V20、68000微處理機
Intel於1978年推出16位元的8086微處理機，它的資料匯流排與內部暫存器都是16位元，最大記憶定址空間為1024KB(1MB)工作頻率可分為4.77MHz、8MHz、10MHz三種，照理講此晶片應該受到微電腦界的歡迎，但是事實上卻不然，因為當時的微電腦介面組件都還是8位元的，為了降低微電腦廠商的生產成本，Intel隨後推出內部為16位元，外部為8位元匯流排的8088微處理機，這樣一來就可搭配8位元的周邊，卻可以執行16位元的軟體，IBM搶攻個人電腦市場的第一代電腦(IBM PC/XT)就是以8088為CPU。
1980年微電腦進入家庭已成風潮，16位元微處理機開發也勢必形成，因此同期的16位元處理機除了8086/8088之外，還有由NEC公司推出可以與8086/8088相容的V20。而Motorola推出68000是一只內部32位元，外部16位元的微處理機，雖然不能與8086/8088相容，但工作起跳頻率為8MHz，記憶體定址空間可至16MB，被當時的Apple公司採用作為第一代麥金塔(Macintosh)電腦的CPU，形成微電腦市場的另一主流。
由於68000的競爭，Intel隨後改善了8086/8088的執行速度，增加若干指令之後推出了80186/80188，但是與IBM PC周邊所用到一只IC-8259中斷控制器產生不能匹配的問題，而在個人電腦市場上流產。

: 80286、68010微處理機
Intel感受到68000的壓力，於1982年推出80286是一只道地的16位元微處理器，工作頻率為6~25MHz是8086/8088的三倍，並採以大型電腦CPU的功能為設計目標，包括多工切換、記憶體分段保護、可在虛擬記憶體執行等功能。80286的定址空間為16MB，但是為了往下相容，也就是能夠執行8086/8088的程式，將工作模式分為真實與保護兩種模式，在真實模式下可以執行8086/8088的程式，此時僅可掌控1MB的記憶體，而在保護模式就下可以控制16MB的記憶體。
IBM以80286生產的PC AT可以搭配Windows、OS/2、Xenix等作業系統，在市場上造成熱賣，為了確保286的供應無慮，IBM與Intel簽定第二貨源的協定，因此在Intel與其他廠商技術交流及授權下，可以生產286相容的廠商包括了AMD、Simens與Harris。
1983年Motorola在市場佔有率不如Intel的情勢之下，推出了68010微處理機，加入虛擬記憶體的功能，可允許較大的程式在較小的記憶體中執行，並陸續提升工作頻率從12.5、20、25至33MHz，以及用68881浮點運算器協助68010的算術運算，持續的與Intel展開微處理機的爭霸戰。

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2003-10-22, 04:37 PM #12

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1.1-4　32位元微處理機的興起

: 68020微處理機
CPU競賽的兩個關鍵不是速度就是處理字組的位元數，因此Motorola於1984年趕在Intel之前發表了32位元的微處理機68020，無論位址匯流排、資料匯流排都是32位元的，使得記憶體擴充能力高達4GB，CPU內建256 bytes的Cache RAM 加速程式的執行，在當時也是首創。除了Apple的Macintosh持續使用68系列的CPU，開始有更多的廠商以68020設計電腦及工作站。

: 80386微處理機
Intel於1985年公佈80386上市，分為386SX、386SL、386DX三種，386SX 是386的縮簡型，內部資料匯流排雖然有32位元，但接出腳只有16位元，而位址匯流排內部也是32位元但接腳只有24，因此記憶體擴充能力為16MB；386SL是特別為省電型筆記型電腦設計的與386SX功能相似，但多一條位址接腳可定址32MB的記憶體；386DX是386的完整版，內外皆為32位元與68020是同等級的CPU，記憶體擴充能力同樣為4GB，但工作頻率可從16Mhz起跳至40MHz，採用64~128K的外部快取(cache)記憶體設計，率先使用管線式解碼／執行架構，大型電腦才有的記憶體分頁機制(Paging Mechanism)，這種記憶體管理單元可以使386DX在保護模式與真實模式中切換。新增的虛擬86模式(V86 MODE)下可以將記憶體分成數個1MB去同時執行數個8086的程式而不錯亂。
第一家採用386生產電腦的廠商是COMPAQ，稍後跟進的是我國的宏碁電腦，IBM因顧及自家大型電腦的業務，不敢貿然以32位元CPU設計功能強大的個人電腦，而失去市場先機。
在80486出廠之前，尚有Motorola的68030及68040陸續發表，這兩款為處理機都還是32位元的，68040的架構是非常接近80486的，但在量產能力無法擴大之下，最後還是在市場敗下陣來，唯一情有獨鍾的還是Apple Macintosh。

1.1-5　RISC與CISC之爭

: 80860、80486微處理機
Intel於1989年推出兩款微處理機，一為64位元精簡指令集 (RISC，見4.1-2節)的80860，另一款則為32位元複雜指令集(CISC)的80486。Intel本來將80860定位為486電腦的運算輔助器，後來因應Sun SPARC、MIPS R2000以及Motorola 88000系列RISC等微處理機的競爭，又將80860定位為高階工作站的CPU，微軟公司曾經因此還推出過860版本的Windows NT，可惜這些RISC架構的CPU，一樣面臨與×86架構不相容，初期價格過高的影響，應用軟體不足的窘境，使得系統廠商興趣缺缺，到後來全部淪為特別用途的工作站，或者是周邊設備的微處理器，例如HP雷射印表機就使用了80860以及它的後續版本80960。
80486以CISC架構完成，目的是為了配合8/16/32等CPU傳統的指令集，內建8KB Cache快取記憶體、快取控制器與浮點運算單元(FPU)，這些硬體架構在386時都是需要額外的晶片來配合的。486初期推出486-25、486DX-33，隨後又推出低價位的486SX-20、25，差異僅在於廢除內部的浮點運算器。
486DX系列上市不久，Intel很快的又公佈了486DX2倍頻系列，將CPU的工作頻率提升了兩倍，也就是CPU外部匯流排時脈為25 MHz、33MHz時，CPU內部可以到達50MHz、66MHz，此款CPU就以486DX2-33及486DX2-66命名，倍頻工作的DX2系列CPU，雖然外面記憶體工作較慢，但可以由內建快取記憶體來弭補，在倍頻CPU工作下可以提升70~75%的效能。

1.1-6　邁向超存量與平行處理

: Pentium 60、66(P5)
486推出四年後，也就是1993年Intel不再以×86命名新的CPU，Pentium即是繼486之後的第一只64位元CPU，雖然內部暫存器仍然為32位元，但資料匯流排增加至64位元以加速對外存取的速度，時脈頻率增至60、66MHz之外，還有許多提升效能的設計，包含RISC設計、具有兩個整數運算單元、一個高效能的管線化浮點運算器、內建16KB(程式與資料分開各8KB) 的快取記憶體，是一種超純量的架構，因此Pentium最快可以在一週期內，執行兩道一般指令或兩個整數運算指令，或者一個整數及一個浮點運算指令，在當時可說是經典之作，故當年六月榮登美國財經雜誌的封面。

: Pentium 75~200(P54C)
1994至1996年間第二代的Pentium處理器，核心電壓縮減為3.3V(前一代為5V)，以求降低消耗改善散熱的問題，可同時由兩只Pentium處理器配合多處理器作業系統(例如Windows NT)，工作於高效能的平行處理模式。
在此同時，其他廠牌相同位階的產品包括了Cyrix 6X86以及AMD的5K86(K5)，若以工作頻率比較性能，雖與同等級的Pentium差異不大，甚至也有超越的產品，但終究還是抵不住Pentium的強勢而淪落零售市場。
在Motorola方面也推出類似Super Scalar架構的68060，而且省電方面表現良好，但這回連Macintosh也沒採用，促使Motorola轉向與IBM及Apple合作開發Power PC，繼續與Intel競爭。

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2003-10-22, 04:38 PM #13

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1.1-7　第六代的X86與多媒體時代

: Pentium Pro(P6)
1995年的Pentium Pro150/166/180/200可說是第六代的X86，核心技術包括了(1)三線道的超存量解碼／執行設計，可將三道傳統X86的指令轉譯成1~4個微指令，分配到五個執行單元去執行、(2)加大推測執行與非循序執行所需分歧預測點緩衝區、(3)暫存器動態命名、(4)內建二階層的快取記憶體(L2 Cache)。整個架構在32位元作業系統下達到最佳效能，但對於純16位元的環境下反而變慢，所以Windows NT才是Pentium Pro最佳平台。

: Pentium MMX與AMD K6
Intel自386CPU開發以來，X86指令即就不曾大幅增加過，但在1997年1月發表的Pentium MMX卻增加了57組MMX指令，若將程式以MMX指令改寫，可大幅提升音波合成與繪圖輸出的執行速度，正式面對多媒體時代的需求。
AMD K6是能與Pentium MMX 100%相容的CPU，K6具有四組X86解碼器，一個週期可以擷取2~3個X86指令，分割成六個RISC86的微指令去執行，內建64K的一階快取，資料與程式各為32K，是Pentium MMX的兩倍，在增加分歧預測率以及減少快取失誤方面為設計的重點，其卓越的性能成為1997風雲產品。
繼AMD K6之後，1998年Cyrix亦推出與Pentium MMX 100%相容的6×86MX，後更名為M II，設計路線與AMD K6相似。

1.1-8　價格與性能的競爭

1997年之後微處理機的發展，不再一味追求性能的改善，製造商希望能有低價位的產品符合一般使用者的需求，於是Intel於1997年的5月首先推出將CPU與L2快取晶片分開包裝的Pentium II，以求減少IC生產時的失敗率來降低成本，之後又在1998年4月推出了沒有L2快取晶片的Celeron，這種產品雖然價位雖低，但性能卻不能與其它廠商的低價位相比，因此IDT、AMD等公司有了一次搶攻市場的機會，例如IDT的WinChip C6可以完全與Pentium MMX指令集相容，在耗電量與較低表面溫度的優勢下，很容易將筆記型電腦升級。而AMD的K6-2(1998年5月)更是來勢洶洶，以優越的3D Now!技術改善了3D繪圖指令運算的速度，獨立兩個可以平行處理的MMX處理單元也優於Pentium MMX處理器。由於Pentium系列的微處理機採用獨家的插槽SLOT1、SLOT2，而AMD則採用Super7，從此市場區隔更為明顯。

1.1-9　速度突破GHz的年代

AMD在1997年推出的K6最高工作頻率為300MHz，1998年陸續推出K6-2/333MHz、350MHz、333MHz、500MHz、533MHz、550MHz。而Intel方面在1997年5月推出的Pentium II是233MHz，到了1998年的最高等級Pentium II/450，一年間的速度成長勉強稱為一倍。但是到了 1999年末間至2000年初微處理機處理速度卻有驚人成長，AMD於1999年6月發表工作頻率為600MHz的Athlon(K7)，2000年3月6日發表1GHz的Athlon(K75)，同年的8月14日發表的Athlon(Thunderbird)已是1.1GHz。Intel不甘勢弱在1999年6月發表600MHz的Pentium III，2000年3月8日也推出1G的Pentium III，並於7月31日趕在AMD之前發表了1.133GHz的Pentium III，也正因為Intel的操之過急，導致Pentium III在散熱不佳的情況下，執行某些版本的Linux作業系統發生了當機現象，而在8月28日宣佈全面回收。
雖然1.133GHz的Pentium III帶著瑕疵上市，但並不能改變2000年是CPU時脈速度突破1GHz的事實，關鍵之處在於Athlon/1.1G或Pentium III/1.13G都建立在0.18微米的製程(見1.5節2)。

1.1-10　新架構的出現

從1995年以來微處理機的架構都沿用Pentium Pro(P6)加以改良，但2000年Intel的Pentium 4與AMD的K8(Sledgehammer，大榔頭)卻有較大的突破。
Intel方面包括有：(1)將管線由P6的10階提昇至20階。(2)算數邏輯單元可在時脈正、負緣均產生結果，稱為雙倍頻算數邏輯單元（Double Pumped ALU）架構。(3)微碼追蹤快取(Trace Cache)架構，可以節省重複指令的解碼時間。(4)四泵浦匯流排(Quad Pumped Bus)架構，其資料匯流排介面可在同一時脈內同時傳輸四筆64位元的資料，在匯流排頻率為100MHz下的傳輸率高達3.2GB/S（100M×4×64/8=3.2G）。(3)多媒體指令集由Pentium III的68個增為144個，過去的MMX暫存器架構由64位元增為128位元。
AMD方面包括有：(1)K8同為一個真實的64位元架構，向下相容於32位元作業系統與應用程式，同時可以自動辨識32位元指令切換工作模式。(2)一個新設計的系統匯流排Lightning Data Transport (LDT)架構，可與系統晶片間做點對點的傳輸連接，支援並列PCI或串列SIO 規格，傳輸頻寬可高達6.4Gbps（800MB/S），之前的傳輸頻寬僅為266Mbps，適合於多CPU的平行處理系統。

1.1-11　結語

回顧微處理機歷史的發展其目標包括了（1）加速指令的處理資料的速度、（2）更小的單位功能晶片尺寸、（3）更少的功率消耗。在這些目的之下衍生出幾個重要的發展過程，包括了處理位元數的增加、工作時脈頻率的加快、數值運算器的改良、記憶體管理及快取技術的發展、多管線處理架構的提出、指令預解碼及預執行技術的應用、因應多媒體需求建立出新的指令集、新的晶片製程及包裝技術等等。然而以上各種發展可以歸納於兩種關鍵技術的演進，一為半導體技術的發展，使得晶片可以容下更多的電晶體(註 )，元件間的距離得以縮小，導致功能增加、使用電壓降低、電路反應速度得以加快。二為硬體架構設計上的改良，諸如多管線處理架構、微處理機內部快取架構、超存量處理、推測執行、微碼追蹤等等技術，其中管線分工是其他架構技術演進的首要功臣，此項技術如同將原本一個人的工作，同時分給多個人一起做，這正是微處理機時脈頻率無法提昇時，指令執行速率仍然還可以提昇的重要關鍵。

註 1971年4004使用2300個電晶體，2000年的Pentium 4有4200萬個電晶體。

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2003-10-22, 04:40 PM #14

yonoko 停權中加入日期: Mar 2000 您的住址: 竹科之中很操的地方文章: 2,496	哇! 老文章比賽
2003-10-22, 05:50 PM #15

phager 停權中加入日期: Feb 2002 文章: 2,248	引述有經過對方的同意嗎? 小心觸法.
2003-10-22, 06:03 PM #16