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各位同学大家好

我是清华大学工程物理系的曾鸣老师

欢迎大家回到我们

ARM微控制器与嵌入式系统的课堂

我们继续进行第二章的学习

那么在前面的课程里呢

我们已经逐渐的从概念的CPU

到了实际历史上的计算机系统

知道了微控制器它的定义是什么

它是一个麻雀虽小

五腑俱全的片上计算机系统

它不同于我们的个人电脑里头看到的CPU

而是在一个小小的硅片上集成了包括CPU

和外设在内的所有的设备

那么我们这节课来从历史的角度

看一看计算机CPU乃至微控制器发展的历史

那么我们后面的几个单元

还会给大家从功能从不同的视角

来认知微控制器和嵌入式系统的世界

那么如果我们要讲一讲历史

往往就会变的很沉重

或者叫很严肃

作为一个MOOC课

我不太想像这张表格这样

来给大家讲微控制器的发展历史

虽然最后我会再回顾

我更想给大家用比较轻松的方式

讲一段八卦计算机史

看一看我们耳熟能详的一些人

在我们这个年纪

在年轻的青葱岁月里是干了什么

历史的车轮如果往回倒

倒到1974年 这是一个非常神奇的年代

在那个年代里有两个非常牛

或者直接到今天大家仍然还有着深刻印象的公司

一家当然是因特尔

还一家呢就是摩托罗拉

我们先从摩托罗拉讲起

1974年摩托罗拉发布了一款芯片叫做6800

我们日后会知道摩托罗拉日后的

所有的芯片的名字里几乎都保留了68这两个字

可见它在历史上有非常重要的地位

这是一款由4000个晶体管构成的一个8比特的CPU

注意我说它是一个处理器CPU

那么它工作在1MHz

8比特的数据总线宽度

和16比特的地址总线宽度能够实现

对16比特65536个地址的寻址

它的CPU有72条指令

那么这芯片买到了呢

就这样一个银亮亮看上去非常高大上

或者用现代化说叫逼格很高的一个芯片

那么它的内部的硅片的设计图是这样的

实际做出来的这个硅片Silicon

只有指甲盖这么大

再用很多很多的金属线

封装成我们最终买到的刚才这张芯片的样子

就是这张照片

那么这样一个小小芯片他卖多少钱呢

他卖360美元

360美元其实是一个比较昂贵的价格

对大家都知道

就说我们每个人即使是今天的眼光

不考虑通货膨胀

花360美元去购买一个芯片仍然你会觉得非常贵

所以这样一个昂贵的芯片

它必定是面向一些大型厂商的产品

但是即便如此

他已经使电脑的小型化

或者个人PC的产生产生了萌芽

于是敏锐的感觉到这种萌芽的一个人

就是著名的工程师

日后我们称为这个6502之父的Chuck Peddle

那么这个人1973年加入了摩托罗拉公司

其实他专门就负责这个6800芯片的销售

他在销售的过程当中发现

这即将迎来一个爆发性的增长

因为电脑不再是我们之前在历史上看到那样

像柜子那么大的计算机

而会逐渐的小型化

电脑一旦小型化

这个市场不可限量

于是他花了很多口舌去鼓励摩托罗拉公司

将这个芯片简化设计

压缩芯片所占用的硅片面积

去掉不要的功能

让它更加的低成本

但是呢在那个时候

正好面临整个芯片制造业的一些经济萧条和经济危机

整个公司管理层思维非常僵化

没有人愿意听他的话

于是他不断的游说和这个争取

经过了一年多

将近两年的时间

仍然没有人听

最后Peddle决定和他的六个好朋友

也就是七个人

一起从摩托罗拉公司离职

加入了一个叫Mostech的半导体企业

这也就是历史上非常著名的

68k 17个设计团队有七个人集体离职加Mostech

那么他们加入Mostech以后

就开始尝试着开发一款从外部的引脚上

和外部接口电路上能够与6800完全兼容的芯片

但是价格要便宜的多

于是我们在网上还能找到当年他们所刊登的广告

叫世界上第一款

low cost high performance（低成本高性能）的这个CPU芯片

然后特别6502的发布广告里写的更清楚

大家看这个右上角这个差

说我们省掉了晶振的时钟电路

因为我们片内集成

所以你要做一个小计算机系统可以省掉几十美元

上个月我们发布了非常便宜的6501

这个月我们发布了比它更加便宜的6502

那大家不仅很好奇了6800卖360美元

那这个6502卖多少钱呢

大家可以猜一猜

刚才有同学会猜100美元、200美元

我告诉大家他只卖25个美元

是原来价格的十五分之一都不到

那么这样一款芯片一发布

一下子引起了叫做学生

我们都是穷学生对吧

穷学生人群的热烈的反响

在那个时候就有一个穷学生

他也看重了这样一个居然只卖25美元的芯片

当然跟我们大家处境一样

用零花钱就能买得起啊

只用少量的外围器件

就能组成一个个人的小型的计算机

可以把自己最最热爱的编程给玩起来

那么这个穷学生就是后来鼎鼎大名的乔布斯同志

那么这是乔布斯做的第一台苹果一电脑

那么这个在杂志上登广告

当时每一台卖667美元

这个用木头和按键组成的苹果1

连Apple的字样都是歪歪扭扭的敲在上面

用我们今天话说

透露着浓浓的山寨气

与我们今天看到的iPhone

这样的一些设计范的苹果公司的产品

形成了巨大的反差

这就是乔布斯同志的第一桶金

那么之后很快他们在完全一样的构架下

进行了产品化的设计

推出了Apple2继续销售

仍然用的是6502这样一个便宜

走进千家万户的芯片

那么6502的故事到这里并没有结束

随着苹果这样一系列电脑在美国的一时兴起

其实在世界上其他的发达国家

也引起了很多的关注

在差不多同样一个时间在日本

有一个游戏机公司的人

就是这个看着像老爷爷一样的人

他们刚刚制作完了上一代的游戏机的街机大金刚

准备将游戏机做的小巧化

走进千家万户

这个时候他需要选择一个CPU

然后有人给他推荐了Apple1和Apple2

所采用的这个6502的CPU

告诉他性能强大并且价格低廉

于是这个人也就是我们后来

现在大家所知道的山内浦

也就是任天堂公司的社长

那么所做出来的这样一个产品呢

就是大家非常熟悉的红白机

我们也称为NES或者FC的任天堂的游戏机

那么在制作这个游戏机设计的时候

选择了6502的CPU

就需要满世界寻找

善于使用6502的指令集进行编程的人才

这个时候找到的人才

也就是后来任天堂的第四任社长

鼎鼎大名的岩田聪

那么在这样一个构架

这样一个CPU上诞生了无数很有意思游戏

包括大家可能童年玩过的《超级玛丽》

乃至《塞尔达传说》乃至《大金刚》等等

很多著名的游戏

那么6800的故事并没有停滞在这里

随着花开两朵各表一枝

在因特尔的激烈竞争

CPU从8位、16位、32位不断的引进

6502的CPU因为它的廉价产生了一系列的效应

从乔布斯一直到日本的任天堂

那么当然坐不住了的是摩托罗拉

他与Mostech这七个跳槽的同志

产生了旷日持久的官司

这个官司打了非常长的时间

最后以摩托罗拉公司收购Mostech而告终

那么这样子两个分裂的产品线

昂贵的6800和廉价的6502

终于又回归到一个主流

那么6800也因为6502的诞生不断的降价

最后到了几十美元的量级

真正最终推动了个人电脑行业的诞生

而回归主流以后的摩托罗拉

不断的推出新的产品

随着8位、16位、32位的不断引进

最终产生了68001这样一款经典的CPU

为什么说它经典呢

因为他是一个32位构架的CPU

而且非常迅速的由它强大的性能和良好的外扩性

引起了乔布斯的注意

于是最终设计出了下一代的Apple的电脑

也就是Macintosh

今天Mac的缩写就来自于这样一款电脑

包括咬了一口苹果的这样一个logo

也开始耳熟能详进入千家万户

在这样一款计算机上

最早出现了具有类似于窗口

这样的图形界面的操作系统

那么这样68k强大的内核也同样传递到了日本

这样一个电子技术发达的国家

具有强大的娱乐精神

所以与我们所预料的一样

他引起了很多当年任天堂的竞争对手厂商的注意

包括三大游戏进行街机的设计厂商

SEGA、SNK、CAPCOM

他们都使用68k这款内核

制作了他们各自的街机主板

设计了他们的计算机平台系统

所以产生非常多的耳熟能详的游戏

比如说我们在调皮捣蛋

或者当学生时候到机厅玩过的拳皇QF

或者街霸这样的游戏

在绚丽的画面和非常好玩的游戏机后面

大家要知道运行他的CPU就是68k的CPU

那么另外一支我们说花开两朵

在因特尔这边也有着非常类似的故事

1974年这个神奇的年份里

因特尔也推出了一个强大的CPU

也是后来非常耳熟能详的8080这款CPU

8080的诞生它使用了4000个晶体管

也是8比特的数据带宽和16比特的地址带宽

那么它工作在2MHz

比刚才6800好像快一点点

那么非常默契的是这个芯片也卖360美元

那么这是童叟无欺的当时的市场行价

大家可以想象都非常的昂贵

那么这样一个昂贵的芯片

就被用来制作了一个批次的那个时代的个人电脑

比如著名的牵牛星Altair8800

这样一个个人电脑

那么我们在网上还能找到

这样电脑的一些介绍资料和它的广告

看上去非常美

但实际上它真正的实物图在wikipedia

可以看到跟我们想象中的个人电脑

还是差距非常大的

基本上就是一个没有什么外设的一个灯箱

要把它用起来需要非常高的技术手段

那么这样一些计算机系统当然是卖的很贵

像乔布斯这样的穷学生

在那个时代可能他是用不起的

那么有一个非常著名的人他用得起谁呢

也就是我们耳熟能详的

另一位天才和先哲比尔盖茨

他在他的学生时代

非常著名的在1970年代主动在Altair8800上

开始编写他的BASIC语言在那儿捣鼓

最后出现了Altair BASIC

Altair—DOS乃至他创业辍学

诞生了另一段跟乔布斯同样传奇

但不太一样的地方

那么非常类似的是8080这个CPU卖这么贵

同样也诞生了一家公司叫做zilog

它开始设计与8080高度兼容的廉价CPU

也只卖20美元的价格

成为Zilog

Zilog产品Z80走进了千家万户

卖了非常非常多的销量

一直在我们中国到80年代末、90年代初

有个非常耳熟能详的词

单板机绝大多数就是使用Z80这个芯片

用与8080兼容的构架设计嵌入式的计算系统

那个时候称为单板机

来支持大量的工业自动化设计

这也是为什么后来micro-controller

被称为单片机

那么这个历史的沿革

8080、8085乃至8086之后

因特尔走上了一个非常聪明的道路

就是保持了芯片的向下兼容

也就是8086、80286一直到我们今天所使用电脑

它不再像8008、8080时代

每一代芯片都在它看着相似

但是实际上不太一样的指令集上做细微的调整

导致所有的程序不能兼容

都要二次开发或者重新编译

那么从8086之后的

所有计算机它的基本指令集和编程模型

保持了向下的一致性

使软件能够像滚雪球一样越滚越多

铸造了今天的因特尔帝国

而在这样的一种挤压下

诞生了我们刚才所说的68k的CPU

乃至日后摩托罗拉与IBM还有苹果三家合作

诞生了PowerPC构架

那么这样一个相爱相杀的故事

一直到了今天

乔布斯虽然已经作古

比尔盖茨也逐渐脱离了微软公司的一线

开始进行新能源和人类未来科技的投资

但是我想我们学习计算机

这实际上我第一节课所说

我们了解这样一段历史会发现历史

特别是计算机的历史

永远不像大家想象的那么严肃

就在这样一种年轻的激情和玩玩打打中

创造出一段又一段的传奇

那么讲完了这段八卦计算机史

再来看看与之相伴的微控制器

或者嵌入式系统的历史

大家会发现微控制器的不断发展

完全是在计算机平台的通用处理器的发展基础上

一步一个脚印向前走的

我们刚才说过1974年这个神奇年份

有6800这样一款经典的CPU的诞生

那么到了1978年他的兄弟6801就诞生了

6801这款芯片是世界上第一个微控制器

或者我们称为世界上第一个单片机

他采用了跟6800一样的内部结构

也是8比特的数据总线4000个晶体管

与6800最大的一个区别

它在片内注意在片内芯片上

集成了128个字节的内存RAM

和若干个KB的ROM可编程的非易失存储器

相当于硬盘 那么因为片内集成了存储器

于是它构成了一个微小的片上计算机系统

不再依赖外围的器件

非常容易的进行编程却能构成一个可用的计算机

所以他构成了我们世界上第一个单片机

随着技术的发展

到了1982年

68HC11这样的微控制器诞生了

乃至到了1998年前后

我们2000年前后出现了使用700万个晶体管

到1400万个晶体管的

PowerPC32位内核的微控制器

那么随着一代又一代

我们刚刚所提到的CPU的发展

以他们为内核的微控制器片上

计算机系统也在不断的进展

这是从历史角度我们所能看到的微控制器

和计算机的发展历史

或者大家愿意把它称为一段八卦史也可以

那么看完这一段呢

这个小节就到这里

下一小节我们将会从应用和生活的各个角度

来嵌入式系统是如何分布的

去了解微控制器在我们生活当中无处不在