從DEC到Intel：70年代的小型機(jī)和微型機(jī)

計算機(jī)最初是從大型機(jī)開始發(fā)展起來的侵佃，主要面向科學(xué)計算領(lǐng)域或者是統(tǒng)計和字符處理工作抠刺。隨著集成電路的發(fā)展滩届，計算機(jī)市場開始細(xì)分果正，出現(xiàn)了面向中小企業(yè)的小型機(jī)和面向個人用戶的微型機(jī)贸毕。小型機(jī)的典型代表是DEC公司件蚕，從組建到被收購孙技，DEC公司一直從事小型機(jī)的研發(fā)产禾。而微型機(jī)的典型代表則是Intel公司。從1971年的4004到1978年的8086牵啦，Intel逐步調(diào)整微處理器的架構(gòu)亚情，并開始了40年多年的兼容之路。

DEC的小型機(jī)情懷

DEC公司一直致力于小型機(jī)的研發(fā)工作哈雏，1970年推出的16位小型機(jī)PDP-11是此前飽受贊譽(yù)的PDP-8的后續(xù)版本楞件。PDP系列計算機(jī)是CISC的典型代表，其指令包含至多四個操作數(shù)裳瘪，分別表示指令的兩個源操作數(shù)土浸、一個目的操作數(shù)和下一條指令的地址[15]。這樣的設(shè)計使得PDP-11可以模擬零地址彭羹、單地址黄伊、兩地址、三地址的指令派殷，深受高校和計算機(jī)學(xué)習(xí)者的喜愛还最。與此同時，PDP-11還支持多種類型的訪存方式毡惜，這給編程帶來了極大的便利拓轻。PDP-11的Cache大小為1024KB，兩路組相聯(lián)经伙，每個塊包含2個字悦即，使用寫不分配策略和隨機(jī)替代算法〕髀遥基于真實trace的模擬結(jié)果表明命中率高于90%[16]辜梳。

1978年，DEC推出了PDP-11的虛擬地址擴(kuò)展VirtrualAddressExtension計算機(jī)VAX-11[17]泳叠。VAX-11的地址總線有32位作瞄，為了保證市場的平穩(wěn)過渡，早期的VAX-11計算機(jī)使用兼容模式運行16位程序危纫，但是性能上要比新的32位地址程序慢宗挥。在市場逐漸適應(yīng)了這樣的設(shè)計之后，再移除這樣的模式种蝶，從而不至于造成大量的客戶流失契耿。值得一提的是，在量化一書中的螃征，標(biāo)記Moore’sLaw的起點的就是VAX-11/780計算機(jī)[1]搪桂。此時距離UNIX操作系統(tǒng)和C語言的發(fā)明已經(jīng)過去近十年，VAX-11中能夠看到許多明顯為操作系統(tǒng)設(shè)計的硬件，例如堆棧寄存器踢械、分頁和硬件TLB酗电、中斷、用戶態(tài)核心態(tài)訪問權(quán)限控制内列、機(jī)器狀態(tài)字撵术、上下文切換等，許多我以前以為是Intel專有的東西在這里也看到了類似的實現(xiàn)话瞧。VAX-11延續(xù)了許多PDP-11的設(shè)計嫩与，例如UNIBUS、Cache交排，也有為性能增加的額外的浮點單元和預(yù)譯碼技術(shù)蕴纳。作為CISC的一員，VAX-11使得程序員可以根據(jù)自己的直接需要編寫指令个粱，編譯器負(fù)責(zé)生成最短的指令長度，并將一連串的常見指令編譯成一條指令翻翩。這些策略在后來的Intel微處理器也能看到類似的結(jié)構(gòu)都许，將X86預(yù)譯碼成uop，再融合成Macro-up嫂冻。VAX-11的強(qiáng)大功能引起了一系列細(xì)致的性能分析工作[18–25]胶征，這些工作推動了計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

在1976年的一篇回顧性文章[26]中桨仿，DEC的工程師詳細(xì)的總結(jié)了PDP-11研發(fā)過程中遇到的種種困難睛低，包括已經(jīng)克服的和沒能克服的。文中提出了小型機(jī)的9個弱點服傍，包括：1.有限的地址空間钱雷；2.有限的寄存器；3.沒有硬件堆棧吹零；4.有限的中斷能力和上下文切換的能力罩抗；5.有限的字符處理能力；6.無法使用ROM灿椅；7.有限的IO能力套蒂；8.有限的擴(kuò)展能力；9.較大的編程難度茫蛹。在半導(dǎo)體工藝尚無法達(dá)到那么高集成度的時候操刀，這些9條限制確實只能在更大的計算機(jī)系統(tǒng)中實現(xiàn)。PDP-11克服了這些困難婴洼，獲得良好的市場贊譽(yù)骨坑，并且在80年代逐漸到達(dá)市值的頂峰。但是柬采，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展卡啰，微處理器上已經(jīng)可以支持更多硬件資源静稻。另一方面，DEC公司忽視了市場昂貴的計算機(jī)價格下壓抑著的巨大的個人計算機(jī)的需求匈辱。雖然小型機(jī)繼續(xù)在發(fā)展振湾，但歷史的潮流已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向了個人計算機(jī)。隨著Altair8800亡脸、IBMPC押搪、Apple-II等個人計算機(jī)的推出，DEC公司也逐漸式微浅碾。不由得想起上學(xué)期《計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》里胡偉武老師的一句話：“歷史上比Intel技術(shù)先進(jìn)的計算機(jī)差不多都已經(jīng)消失了大州。”下次我們再見到DEC公司垂谢，是他推出Alpha21264的時候了厦画，那個時候的DEC公司已經(jīng)走到了它最后的歲月。有關(guān)DEC和小型機(jī)的故事還在繼續(xù)滥朱，但是現(xiàn)在我們要把目光轉(zhuǎn)向未來世界的寵兒根暑，Intel公司。

Intel一系列兼容芯片的源頭：8086

目前最新的Intel的芯片可以兼容到最早的8086微處理器徙邻，相信每個寫過匯編程序的人都會被它或多或少的折磨一段時間排嫌。8086作為Intel一系列前向兼容的微處理器的源頭，它也不是一下子憑空冒出來的缰犁。文獻(xiàn)[27]詳細(xì)介紹了從4004到8086架構(gòu)的演變淳地，可以幫助我們更好的理解8086的體系結(jié)構(gòu)。

Intel第一款微處理器芯片4004誕生于1971年帅容，僅有2000多個晶體管的它幾乎和ENIAC具有同樣的計算能力颇象。但這次人們不是用它來計算彈道，而是用它構(gòu)建了一臺BCD碼手持計算器并徘，4004也只支持4位的指令夯到。

次年8008誕生了，這是一款為CRT終端設(shè)計的8位微處理器饮亏。8008通過復(fù)用兩次8位輸出信號產(chǎn)生一個14位的地址和2位有效位耍贾，盡管8008只能尋址16K的內(nèi)存，但卻給了編程人員自己管理內(nèi)存空間的權(quán)利路幸。8008的棧只有8個入口荐开，因此最多只能支持8層的函數(shù)嵌套。在端口分配上简肴，輸入端口有8個晃听，輸出端口有24個，因為架構(gòu)師認(rèn)為輸出比輸入更重要。8008的寄存器包括一個累加器A能扒，6個寄存器BCDEHL佣渴，和一個偽寄存器M。M其實是由H和L定義的一個內(nèi)存地址初斑，盡管在程序員看起來像個寄存器辛润，通過這種方式溝通寄存器和主存。此外见秤，8008還有四個Flags寄存器砂竖。控制流指令包括jump鹃答、call和return乎澄，而Halt指令使得處理器暫停工作等待中斷。no-op指令將A寄存器的值移動到A寄存器测摔，從而不產(chǎn)生任何影響置济。8008僅支持至多8個中斷，對應(yīng)的中斷處理程序在內(nèi)存的固定位置锋八。值得注意的是浙于，8080沒有屏蔽中斷的指令，也沒有中斷發(fā)生時的保存任何寄存器的指令查库。

1974年，半導(dǎo)體工藝的發(fā)展給了8008進(jìn)一步改進(jìn)的空間黄琼，這造就了16位的8080樊销。8080可尋址的范圍為64K，不再使用有效位脏款，同時重新調(diào)整了寄存器的結(jié)構(gòu)围苫，以滿足16位的要求。棾肥Γ空間不再受到限制剂府，理論上可以使用整個內(nèi)存空間，Call指令會導(dǎo)致自動壓棧剃盾，而Return指令會自動彈出腺占。同時，StackPointer也可以被程序員直接引用痒谴，而原本的M寄存器尋址指令替換為3B的生成地址訪問指令衰伯，由HL寄存器提供地址。Flag值被放入到一個8為的寄存器當(dāng)中积蔚，并保留了一些位意鲸，這就是日后eflags寄存器的雛形。在指令集上加入了Load/Store指令、新的寄存器指令怎顾、Carry指令读慎、擴(kuò)展IO指令和中斷指令。

1978年槐雾，我們的8086終于出現(xiàn)了夭委。8086在設(shè)計上要求在完全兼容8080的寄存器和指令集，并且性能要高出一個量級蚜退，同時支持可重入代碼闰靴、位置無關(guān)代碼和動態(tài)可重定位代碼。在內(nèi)存結(jié)構(gòu)上钻注，8086支持1M內(nèi)存的尋址蚂且，這些地址空間劃分為一系列段，每個段包含64K的空間幅恋，微處理器可以直接訪問當(dāng)前的代碼段杏死、數(shù)據(jù)段、棧段和額外段捆交。寄存器文件邏輯上被分為三組：通用寄存器淑翼，指針和索引寄存器和段寄存器。8086一共有13個16位寄存器和9個flag位品追，其中增加了4個flag玄括，分別用于指示溢出、地址方向肉瓦、中斷開關(guān)和調(diào)試遭京。指令集被擴(kuò)展到133條，支持8位和16位有符號和無符號數(shù)的計算泞莉，并且支持五種訪存模式哪雕。外部接口方面，8086可以支持64個IO接口鲫趁。

當(dāng)時的16位微處理器并不只有Intel的8086一家斯嚎，還有Zilog公司的Z8000以及Motorola公司的MC68000。文獻(xiàn)[28]比較了這三者挨厚，結(jié)果顯示性能最好的是Z8000堡僻。盡管如此，IBM在1981年推出IBMPC的時候疫剃，仍然選擇了Intel的8088微處理器苦始，同時還有MicroSoft的MS-DOS操作系統(tǒng)。

不管怎樣慌申，微處理器的歷史已經(jīng)開始了陌选，接下來我們將聚焦那些著重提升微處理器性能的技術(shù)理郑。下次討論具體的微處理器，就到了1996年了咨油。

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