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处理器的春秋战国时代:8位处理器的恩怨与纷争(下)

2016/03/25
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上次讲了处理器领域的前两位英特尔和摩托罗拉,今天我们继续说后面的这几位。


3. 震惊世界的新秀 --MOS Technology 6502
后人是这样形容 6502 出场时的情形的:当一个满脸横肉的怪人将这个微芯片装在电脑上,并启动电脑时,整个宇宙都震惊了。

这个怪人就是苹果公司创始人之一——斯蒂芬·沃兹尼克,那台电脑就是 Apple I,处理器用的是由摩斯太克公司研发的 8 位微处理器 6502。这一处理器同时也是 Apple II、the Commodore PET、BBC Micro 等经典电脑以及诸如任天堂和 Atari 等游戏系统的大脑。

该处理器的设计者之一 Chuck Peddle 回忆称,他们是在 1975 年的一个贸易展示会上推出这款处理器的。他称:

“我们用芯片装满了两个玻璃。我和我的妻子就坐在那里卖这些芯片。”

6502 微处理器终于脱颖而出,其原因是,6502 的速度并不比它的竞争对手快多少,但是它的价格便宜,每部售价为 25 美元,而英特尔的 8080 和摩托罗拉的 6800 售价大约在 200 美元。(编外语:既然苹果所用的处理器这么便宜,那么为啥苹果的手机这么贵呢?谁来解释一下?

沃兹尼亚克和乔布斯正在实验室调试搭载 MOS 6502 处理器的 Apple I

(图片来源:techspot)

看到这里,大家不禁要问:MOS Technology 公司,为何具有如此的神力?故事的发展是这样的:


1975 年,一些离开了 Motorola 公司的部分工程人员自组成立 MOS Technology 公司,并且开发出了 6502 处理器。它的位宽为 8bit,频率只有 1MHz,并且无协处理器。但它是 IBM PC 机问世之前,世界上最流行的微型计算机 Apple II(苹果机)的 CPU

Apple II 是第一个带有彩色图形的个人计算机,售价为 1300 美元。Apple II 及其系列改进机型风靡一时,这使 Apple 成为微型机时代最成功的计算机公司。

Apple II 全貌

(图片来源:维基百科)

Apple II,这才是计算机该有的样子!Altair8800 见到了它,会不会羞答答地躲到地下室里呢?

当年 6502 刚问世时是当时功效最强的 CPU,且价格只有大型业者(如 Motorola、Intel)相近产品的六分之一甚至更低;且除了 Zilog 公司的 Z80 外,6502 几乎快过多数业者的相近产品,进而激起一系列的电脑专案,并在之后的 1980 年代带来一场个人电脑的革命。

MOS 科技仅授权两家业者能相容研制 6502,即是所谓的“第二供货源”,此分别是洛克威尔国际公司与 Synertek 公司,更之后才有更多的业者获得相容研制的授权,并仍持续在嵌入式系统的市场中供货。

 

4.“空前绝后”--Zilog 公司和它的 Z80


ZiLOG 公司,何方大神?

ZiLOG 公司由工业先驱 Federico Faggin 和 Ralph Ungermann 于 1974 年共同创立。该公司生产的 Z80 系列控制器曾得到广泛的应用。1998 年,TPG(the Texas Pacific Group)收购了 ZiLOG 公司,根据 ZiLOG 公司的设计和生产经验,将市场定位于三个方面:通讯、家庭娱乐和集成控制。

那么 Federico Faggin 又是何许人?

Zilog 公司的创始人费根(Federico Faggin)原本是英特尔公司从 4004 到 8080 芯片开发的功臣,后来自己跳槽单挑一摊,成立了 Zilog 公司(在名字中取一个Z,有一种空前绝后的意味),他的 Z80 芯片是 Intel 8085 芯片 的一种改良版,曾与 8085 在市场上有过竞争,结果是使得它们成为市场的标准(这两者本身是互相兼容的),也加速了 CP/M 成为市场标准的过程,只可惜 Zilog 后继乏力,不久便从市场上消失了。

目前,ZiLOG 公司拥有资料齐全的专有设计资料室,在加州、德州、爱德荷州、华盛顿建立了四个设计中心,在爱德荷州拥有先进的制造工厂,在菲律宾马尼拉拥有一个检测工厂,此外,在德州建立了全球用户服务中心。目前在全球共有 27 个销售办公室,分销点超过 120 个。

该公司新推出的产品是 eZ80,它是在 Z80 的基础上嵌入了 Internet 和 DSP(数字音频处理)功能。产品有 IR 产品、微控制器、微处理器、PCMCIA、PC 外围设备、TV 控制器和无线产品等。


下面,来见识一下它的成名之作 --Z80 微处理器。

Z80,八位微处理器的典型产品。当年大名鼎鼎的 CPU 看上去确实与想象中有很大的差距。金顶的 Z80,是 Z80 系列中很少见的品种。

从发展史上可以得知,Zilog Z80 其实是 Intel 8080 的克隆产物,不过凭借着性能好、价格低,它迅速蚕食了 8080 的市场,采用该芯片的代表产品是 Radio Shack TRS-80 Model I 计算机。


上图为:Radio Shack TRS-80 Model I 计算机和 Z80

时间,仅仅 2 年的时间,计算机的面貌已经发生了巨变,不得不为 Zilog 点个赞。

追溯历史,1976 年美国 Zilog 公司推出的微处理器(microprocessor)Z840004,Z840006 和 Z840008,因其卓越的性能,强大的输入 / 出接口能力,快速的运算速度,品种多样的外设支持而迅速被业内人士关注。

对比一下参数,便可以知道它到底是多么的优秀:

在时钟频率方面:Z840008 时钟频率可达 8MHz,同时期的其他产品如 Intel 的 8085、Motorola 的 M6802 等时钟频率为 2~5MHz;

在指令方面:Z80 支持的汇编指令也多达 158 条,而 Intel 8080 只有 72 条。

在这里,有两点需要补充:
其一,关于 Z80 的指令,按照处理方式可以分成 8 位指令集和 16 位指令集;按照功能可以分成 8 大类;指令的长度一般为 1-4 字节,执行时间为 4-23T(T 为时钟周期)。

其二,Z80 内部寄存器 Z80 寻址方式也很灵活,可以分成:直接寻址,寄存器寻址,寄存器间接寻址,立即寻址,相对寻址和变址寻址,其具体原理可以参见 datasheet,这里不再赘述。

所以说,Z80 是当时的 Intel 8080 的改进产品,现在没有异议了吧?

因此,硬件的专门设计+软件的灵活设计,构成 Z80 微处理器的最显著设计特点,也使之成为了 80 年代最成功的 8 位 CPU 之一。

 

5.RISC 芯片的鼻祖 --RCA COSMAC CDP 1802 
1974 年,RCA 公司推出第一个 CMOS 微处理器 1802,是 8 位微处理器。它拥有 16 个 16 位的寄存器文件,可以使用 SEP 指令,能够设置任何一个寄存器成为程序计数器

RCA 1802 是应用在太空中的第一款处理器,20 世纪 70 年代这款处理器被应用在探测器和卫星中,其中包括了著名的 Viking、Galileo 和 Voyager,它的低功耗和高可靠性,可以在超出地球大气层的苛刻条件下运行。

Voyager 1 中使用了 3 颗 1802 处理器,现在距离地球 102 英里,是距离地球最远的人造项目,它已经离开我们的太阳系很久,正朝着星际空间前行。被用于“旅行者 1 号”太空探测器中。


太空中选用 CDP 1802,一是因为它可以在很低的功耗下运行;二是因为它采的工艺可以更好地抗宇宙射线和电脉冲。因此 1802 也被认为是第一块抗辐射微处理器。


RCA 1802 被誉为是 RISC 芯片的鼻祖。

下面对于这个阶段的 8 位微处理器小结一下:
总的来说,上述的微处理器,集成约 9000 多只晶体管,开始替代电子逻辑元件,被应用于各种应用电路和设备之中。但这些芯片基本没有改变 8080 的基本特点,都属于第二代微处理器。

而上述的各巨头之间的关系是相互纠结在一起的,不妨按照时间的关系,捋一捋:
1972 年,Intel 公司推出了第一款 8 位处理器 Intel8080,并成功应用到世界第一台计算机 Altair 8800。

(评语:看来世界第一,是非他莫属的。)

1974 年,费根(Federico Faggin)从英特尔公司跳槽单挑一摊,成立了 Zilog 公司,推出 Z80 芯片,是 Intel 8085 芯片的一种改良版。
(评语:借用中国先贤的一句话,安慰一下 Intel 受伤的心 -- 青出于蓝而胜于蓝。)

1974 年,摩托罗拉公司,推出它的第一个微处理器 MC6800,并成为了工业标准之一。
(评语:微处理器的世界,不能被 Intel 一脉垄断。)

1975 年,一些工程人员离开了 Motorola 公司,成立 MOS Technology 公司,并且开发出了 6502 处理器,应用到真正的义上电脑意 --Apple I,最大的优势在于价格便宜。
(评语:不能五十步笑百步,摩托罗拉公司,也出现了分支。)

从此,在地面上四个巨头各霸一方,RCA 公司看不惯他们的纠结,于 1974 年推出第一个 CMOS 微处理器 1802,并应用到太空中,被后人推崇为 RISC 芯片的鼻祖。
(评语:1802 横空出世,便把其他 MCU 藐视到地面上。)
 

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系列汇总:

之一:第一款处理器之谜

之二:处理器的春秋战国时代:8 位处理器的恩怨与纷争(上)

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电子产业图谱

1996毕业于华东理工大学自控系,同年7月进入某大型国企担任电气员。2000年转行从事硬件研发相关工作;后从事RFID相关产品的研发、设计,曾参与中国自动识别协会RFID行业标准的起草;历任硬件工程师、主管设计师、项目经理、部门经理;2012年至今,就职于沈阳工学院,担任电子信息工程专业教师,研究方向:自动识别技术。已经出版教材《自动识别技术概论》,职场故事《51的蜕变 》。