微處理器

**微處理器**（英語：**Microprocessor**，縮寫：**µP** 或 **uP**）通常指稱一種可程式化特殊積體電路，其所有元件小型化至一塊或數塊積體電路內。微處理器可在其一端或多端接受編碼指令，執行此指令並輸出描述其狀態的訊號。這些指令能在內部輸入、集中或存放。

微處理器的元件常安裝在一個單片上或在同一組件內，但有時分布在一些不同晶片上。在具有固定指令集的微型電腦中，微處理器由算術邏輯單元和控制邏輯單元組成；在具有微程式控制的指令集的微型電腦中，它包含另外的控制儲存單元。

用作處理通用資料時，叫作中央處理器（Central Processing Unit），這也是最為人所知的應用，如：AMD Ryzen CPU；專用於圖像資料處理的，叫作圖形處理器（Graphics Processing Unit），如 Nvidia GeForce 30X0 GPU；用於音訊資料處理的，叫作音訊處理單元（Audio Processing Unit），如 Creative emu10k1 APU 等等。從物理角度來說，它就是一塊整合了數量龐大的微型電晶體與其他電子元件的半導體積體電路晶片。

之所以會被稱為微處理器，不僅是因為它比迷你電腦所用的處理器還要小而已。最主要的區別，是因為當初各大晶片廠之製程，已經進入了 1 微米尺度的階段。在微米尺度下所產製出來的處理器晶片，廠商就會在產品名稱上用「微」字，以彰顯自身的技術。與現在的許多商業廣告中，「奈米」字眼時常出現一樣。

早在微處理器問世之前，電子計算機的中央處理單元就經歷了從真空管到電晶體以及再後來的離散式 TTL 積體電路等幾個重要階段。甚至在電子計算機以前，還出現過以齒輪、輪軸和槓桿為基礎的機械結構電腦。微處理器的發明使得複雜的電路群得以製成單一的電子元件。

從 1970 年代早期開始，微處理器效能的提升就基本上遵循著 IT 界著名的摩爾定律。這意味著在過去的 30 多年裡每 18 個月，CPU 的計算能力就會翻倍。大到巨型機，小到筆記型電腦，持續高速發展的微處理器取代了諸多其他計算形式而成為各個類別各個領域所有電腦系統的計算動力之源。

## 歷史

### 最早的晶片

正如近現代其他科技的發展一樣，微處理器時代仿佛一夜之間就到來了。三個公司，三個計劃，幾乎不約而同地成為微處理器產業的先鋒。它們就是英特爾的 Intel 4004，德州儀器公司的 TMS 1000 和蓋瑞特艾雷賽奇（Garrett AiResearch）工業部的 CADC（Central Air Data Computer）for F14 MP944。

1968 年蓋瑞特被邀請參加研製一種數字電腦，以同正在開發中的用於美國海軍 F-14 雄貓戰鬥機的主飛行控制電腦的電機系統競爭。這個以基於 MOS（金屬氧化物半導體）技術的晶片組為核心的 CPU 於 1970 年設計完成，並以更小的體積和更高的可靠性打敗了基於電機系統的設計，被運用於早期的所有雄貓戰鬥機。但今天看來，知道 CADC 和 MP944 晶片組的人並不多，主要原因在於美國海軍認為這種技術太過先進而不允許將其設計細節公開，這種情況一直持續到 1997 年。

德州儀器公司開發出以預編程嵌入式應用（pre-programmed embedded applications）為主打技術的 4 位元微處理器 TMS 1000，並於 1971 年 9 月 17 日推出代號為 TMS1802NC 的市場版本，用於生產單晶片計算機。英特爾的 4004 計劃則由弗得里克・法金（Federico Faggin）主持開發，並於 1971 年 11 月 15 日發布。

德州儀器為微處理器申請了專利。1973 年 9 月 4 日 Gary Boone 獲得了單片微處理器的美國專利，專利號是 3757306。但是我們可能無法確定究竟哪家公司第一個在實驗室做出了微處理器。1971 年和 1976 年英特爾和德州儀器兩次達成專利互許可協定，根據協定，英特爾向德州儀器付微處理器專利的使用費。Cyrix 曾經同英特爾為微處理器專利對簿公堂，關於此事的法律檔案可以參見。[1]

有趣的是，有第三方人士聲稱擁有可以涵蓋「微處理器」的專利。具體請參見這個網站 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館），根據這裡的描述，有人早於德州儀器和英特爾就發明了「微控制器」，這算不算「微處理器」尚有爭議。

所謂的單晶片是微處理機的一種變體，它包括了 CPU，一些記憶體以及 I/O 介面，所有都整合在一塊積體電路上。單晶片的專利號為 4074351，授予了德州儀器的 Gary Boone 和 Michael J. Cochran。當時他們是以微電腦的名稱申請專利的。

根據麻省理工出版的《現代計算史》第 200 頁到 221 頁，英特爾同聖安東尼奧的一家叫做電腦終端的公司（後改名為數點公司）簽署了一份合同，合作設計一塊用於終端的晶片。數點後來決定不用這塊晶片了，而採用 TTL 邏輯電路設計跑相同的指令集，英特爾隨即將該晶片其命名為 8008, 並於 1972 年 4 月上市銷售。這是世界上第一塊 8 位元微處理器，也是後來《無線電電子》雜誌賣的著名的馬克 - 8 電腦的主要部件。8008 及其後繼產品 8080 開創了微處理器的市場。

### 8 位元

緊隨 4 位元的 4004 之後，英特爾設計出世界上第一片 8 位元微處理器，Intel 8008。此後，在市場運作中非常成功的 Intel 8080 和 Zilog 公司的 Z80 以及一系列其他 8 位元微處理器又相繼推出。原先在摩托羅拉公司設計 Motorola 6800 的一群人離開公司，另組建了 MOS Technology 公司並在 6800 的技術基礎上推出改良產品 6502，藉此與 Z80 在 20 世紀 80 年代的微處理器市場上分庭抗禮。

Z80 和 6502 晶片的設計目標都是要減少整個系統的成本，為此開發者使用了縮小規模，簡化匯流排，合併專用晶片（比如 Z80 就包含了一個記憶體控制器等方法。這些措施導致了 1980 年代早期家用電腦的「革命」：消費者用 99 美元的價格就能買到一台半可用的電腦了。

摩托羅拉推出了 MC6809，成為 8 位元處理器市場的領頭羊。有人認為這是有史以來功能最強大的純 8 位元處理器－也是所有投產的硬布線處理器中最複雜的。比 MC6809 更先進的處理器後來都用了微代碼技術。這是因為硬布線邏輯無法滿足越來越複雜的設計，逐步被淘汰了。

另一種早期的 8 位元處理器是 Signetics 2650。由於其指令集架構新穎而功能強大，這種晶片風靡一時。

RCA 公司生產的 CDP1802，即 RCA COSMAC，是應用於航天的處理器的先鋒。1970 年代，NASA 的旅行者號和維京號太空探測器都使用了這種晶片。1989 年發射的木星探測器伽利略號也裝配了這種處理器。選用 CDP1802，一是因為它可以在很低的功耗下執行 \*；二是因為它采的工藝可以更好抵抗宇宙射線和電脈衝。因此 1802 也被認為是第一塊抗輻射微處理器。

### 16 位元

第一款多片 16 位元微處理器是美國國家半導體公司於 1973 年初期推出的 IMP-16，8 位元的 IMP-8 晶片組又於 1974 年推出。1975 年該公司推出了第一款單片 16 位元微處理器，PACE，其基於 NMOS 技術的新版本，INS8900 不久就替代了它。

其他早期的多片 16 位元微處理器包括 DEC 用於 PDP11 小型機系列中 LSI-11 和 PDP-11/30 上的主機板，還有仙童公司的 MicroFlame 9440，這兩款都是在 1975 年到 1976 年推出的。

另外德州儀器出的 TMS 9900 也是早期的單片 16 位元處理器，同 TI 990 相容。9900 用在了 TI 990/4 小型機，TI-99/4A 家用電腦和 TM990 系列 OEM 品牌微機上。這塊晶片封裝成在一塊陶瓷 64 腳雙內線（DIP）晶片，而當時大多數 8 位元微處理器都用更便宜的 40 腳 DIP。後續產品 TMS 9980 針對英特爾的 8080 推出，全相容 TI 990 的 16 位元指令集，一次傳輸 8 位元資料，設計成塑料 40 腳 DIP，但是只能定址 16KB。TMS 9995 是這個系列的第三塊晶片，使用了全新的設計。此系列產品後來擴充到了 99105 和 99110。

英特爾走了一條不同的路，由於沒有小型機可以類比，他們採取擴充 8080 的辦法設計出了 16 位元的 8086，這是後來幾乎統治 PC 晶片的 x86 家族的第一個成員。英特爾推出的 8086 使得 8080 上的軟體可以很經濟的移植重用，商業上獲得的成功超出預期。接著英特爾又發布 80186，80286，還有 1985 年推出的 32 位元 80386，這些處理器都是向前相容的，造就了英特爾 PC 市場的霸主地位。

整合記憶體管理器的微處理器是英特爾公司的柴爾茨等開發的，獲得美國專利號 4442484。

### 32 位元

16 位元的設計剛剛進入市場，32 位元的微處理器就出現了。

世界上第一塊單片 32 位元微處理器是 AT&T 貝爾實驗室的 BELLMAC-32A，樣本於 1980 年，1982 年正式投產。1984 年 AT&T 解體後更名為 WE32000（WE 代表西部電子），後來又推出了後續產品 WE32100 和 WE32200。這些晶片用在了 AT&T 的 3B5 及 3B14 小型電腦、世界上第一台超級台式微機 3B2，還有世界上第一台筆記本式超級微機「亞歷山大」上（這種系統使用類似於現在遊戲機上用的 ROM 外掛程式）。所有這些系統都執行貝爾實驗室的 UNIX 作業系統，包括叫做 xt-layers 的第一個窗口系統。

最著名的 32 位元微處理器是摩托羅拉於 1979 年推出的 MC68000。這片被稱為 68K 的晶片具有 32 位元的暫存器，但是內部和外部資料匯流排都是 16 位元的，這樣可以減少晶片的腳數。摩托羅拉將其描述為 16 位元處理器，但是顯然這是塊有 32 位元結構的晶片。由於速度快、記憶體定址空間大（16 兆）價格低廉，MC68000 很快成為此類 CPU 中最流行的型號。1980 年代中期，很多公司都用它來裝配機器，其中包括 Atari ST 和 Commodore Amiga，最為知名的大概算蘋果公司的 Apple Lisa 和 Macintosh 了。

英特爾的第一款 32 位元微處理器是 iAPX 432，於 1981 年推出，但市場上並未獲得成功。此產品有先進的物件導向架構，但同其它同類產品，特別是 68000 比，效能較差。

68000 的成功讓摩托羅拉繼續推出 MC68010，這塊晶片加入了對虛擬記憶體的支援。1985 年又推出了 MC68020，增加了完全的 32 位元資料和位址匯流排。68020 在 Unix 超級微機市場上獲得巨大成功，許多小公司也用它生產桌面系統。MC68030 晶片內整合了記憶體管理器，幾乎成為除 DOS 外所有機器的標準處理器。MC68040 合成了浮點運算器，數學運算效能得到提高。68050 未能達到設計要求，沒有發行。後繼的 68060 採用了更快的 RISC 設計。1990 年代早期，68K 開始淡出桌面系統的市場。

其他大公司用 68020 設計嵌入式系統。曾幾何時，執行在嵌入式系統上的 68020 晶片比執行在 PC 機上的英特爾奔騰晶片都多。（見此網頁。摩托羅拉的 "冷火" 處理器也是 68020 的一種變種。

在此期間（1980 年早期到中期），國家半導體推出了一種非常類似的 16 位元外部資料線，32 位元內部匯流排的微處理器，稱為 NS 16032（後改名為 32016）。全 32 位元版本稱作 32032，以及一系列工業用 OEM 微機。待到 1980 年代中期，Sequent 使用 NS 32032 推出了第一款對稱多處理器伺服器。這款伺服器少有對手，但 1980 年代晚期就消失了。

其他較值得注意的晶片包括 Zilog 的 Z 8000，但是推出太遲，未能在市場上立足即消聲匿跡了。

一些晶片在 20 世紀 80 年代晚期上演的微處理器大戰中開始淡出，甚至逐漸登出市場。結果僅有一種出色產品的 Sequent NS 32032 系統逐步消失，Sequent 也改用英特爾的微處理器。

### RISC 技術

1980 年代中期到 1990 年代早期，一類新型高效能 RISC（精簡指令集電腦）嶄露頭角，這些晶片最初用於專用機器和 UNIX 工作站，但很快就在各領域流行起來了。當然，不包括英特爾的個人電腦。

最早的商業產品是 MIPS 發布的 32 位元 R2000 微處理器（R1000 沒有正式發布）。後續產品 R3000 是真正實用的型號，R4000 則是世界上第一個 64 位元 RISC 晶片。同類產品還有 IBM 的 Power 系列和 Sun 的 SPARC 系列。很快所有的廠商都開始生產 RISC，包括 AT&T 的 CRISP，AMD 29000，英特爾的 i860 及 i960，摩托羅拉 88000，DEC Alpha 和 HP 的 PA。

激烈的市場競爭淘汰了很多系列，現在 POWER 和衍生的 PowerPC 系列成了個人電腦 RISC 晶片的主流。只有 Sun 還在使用 SPARC 架構。MIPS 繼續為 SGI 系統提供支援，但主要用於嵌入式系統，特別是思科的路由器。其他的系統要麼已經絕跡，要麼也奄奄一息。其他公司也曾經試圖分一杯羹，如 ARM 公司原打算進軍家用電腦市場，但後來還是專注於嵌入式處理器了。現今基於 RISC 的計算裝置由 MIPS，ARM 和 PowerPC 占據了市場的主流。

當然在 IBM 相容機領域內，英特爾，AMD 以及台灣的 VIA 都生產 x86 相容的微處理器。到 2004 年底，DEC 和 AMD 合作的 Alpha，AMD Athlon 64，以及 HP 和英特爾合作的安騰是最流行的型號。

## 市場統計資訊

2003 年，整個微處理器產業的產值大約為 440 億美元 [2]。雖然桌面應用和可攜式應用占到整個產業產值的一半，但從售出數量上來說，這兩個領域其實只消費了所有 CPU 的 0.2%。

1997 年，有 20 億塊 8 位元微處理器售出。8 位元微處理器占到全球所有微處理器的 55%。[3]

在全球所有的 CPU 中，32 位元及以上的只占不到 10% 的份額。而在所有售出的 32 位元 CPU 里，大約只有 2% 進入個人電腦（PC）領域。

「總地來講，微處理器、微控制器或數位訊號處理機的平均單價只是剛剛超過 6 美元而已。」
[4]

## 常見微處理器架構

* NSC 320xx
* AMD K5, K6, K6-2, K6-III, Duron, Athlon, Athlon XP, Athlon MP, Athlon XP-M（x86 架構）
* AMD Athlon 64, Athlon 64 FX, Athlon 64 X2, Opteron, Sempron, Turion 64, Athlon II, Phenom II, AMD APU, AMD FX, AMD Ryzen, AMD EPYC（AMD64 架構）
* ARM 架構，StrongARM, Intel PXA2xx
* Atmel AVR 架構（僅微控制器）
* CDP1802（屬於 _RCA COSMAC_）
* Cyrix M1, M2, 6x86（Intel x86 架構）
* DEC Alpha
* IBM POWER（與 88000 同為 PowerPC 系列以前的產品線）
* Intel 4004, 4040
* Intel 8080, 8085, Zilog Z80
* Intel 8086, 8088, 80186, 80188, 80286, 80386, 80486（Intel x86 架構）
* Pentium, Pentium Pro, Celeron, Pentium II, Pentium III, Xeon, Pentium 4, Pentium M, Pentium D, Celeron M, Celeron D（x86）
* Intel Core 2, Pentium Dual-Core, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7, Intel Core i9, Xeon（Intel 64 架構）
* Itanium（IA-64 架構）
* Intel i860, i960
* MIPS 架構
* 摩托羅拉 6800, MOS Technology 6502, 摩托羅拉 6809
* 摩托羅拉 68000 系列，摩托羅拉 ColdFire
* 摩托羅拉 88000（與 POWER 同為 PowerPC 系列之前的產品線）
* NexGen Nx586（Intel x86 架構）
* OpenCores OpenRISC 架構
* PA-RISC 系列（HP 公司，與 x86 同為 IA-64 架構以前的產品線）
* PowerPC 系列，G3, G4, G5
* Signetics 2650
* SPARC, UltraSPARC, UltraSPARC II–IV
* 日立 / 瑞薩科技的 SuperH 系列
* Transmeta 的 Crusoe 和 Efficeon（VLIW 架構，可類比 Intel x86）
* INMOS Transputer
* WDC 65816
* 美國國家半導體公司的 SC/MP（"scamp"）

## 注

* 1802 晶片具有所謂靜態設計，就是說它的時脈頻率可以設為任意低；這種設計可以讓太空飛行器上的處理器以很低的速度執行（最低可以到 0 赫茲，也就是停機狀態）。這樣的話，如果飛船在航行過程中正處於長時間沒有事件的旅程的時候，可以把電能消耗降到最低。在有任務到達的情況下，例如要進行航線修正，高度控制，資料採集或者無線電通訊的時候，又可以用定時器或者感測器來喚醒處理器，或者加速其執行。

## 參考文獻

## 外部連結

* 微型設計

**綜合資訊**

* Great Microprocessors of the Past and Present （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* CPU Info Center
* Microprocessor White Papers （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Microprocessor history （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

**歷史文獻**

* standard calculator webpage （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* single chip microprocessor webpage （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* microcomputer webpage （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） - 有關 TI 在微處理器領域的早期成果
* A history about important discoveries in microprocessor area during 2004 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

## 參見

* 中央處理器
* 電腦架構
* 定址模式
* 數位訊號處理機
* 微控制器
* AMD 處理器列表
* Intel 處理器列表
* 積體電路
* 電子設計自動化
* 系統單晶片