淺談古代CPU：副處理器的故事(2)

前情提要：淺談古代CPU：副處理器的故事(1)

8087並不是第一顆浮點運算器，甚至也不是第一顆浮點運算「微處理器」；早在1977年，AMD(別驚訝，AMD 1969年成立，只比Intel晚一年)就做了Am9511和Am9512算數運算器，Intel還跟AMD拿了這兩顆的授權，做了8231和8232，當作8080的副處理器，不過這幾顆運算器跟8087不太一樣，對於主CPU來說，它們只是一個單純的輸出入裝置，CPU只是把資料單純的送進去或讀出來，裡面做甚麼對CPU來說是完全無關的。

但是8087就不同了，作為8086的副處理器，8087基本上被看成是CPU的延伸，原則上，8087等於是「擴大」了8086的指令集，我們先花一點篇幅，提一下這個算是基本計算機概論的小常識：指令集。

之前在介紹32bit與4G的時候，我們曾經用黑盒子來概略描述CPU的行為，一個CPU如果當作一個黑盒子，它的行為基本上就是：向外界(基本上就是記憶體)輸出位址，然後存取資料。

現在這個黑盒子要再複雜一點：雖然還是一樣輸出位址給記憶體，從記憶體存取資料，但是對黑盒子內部來說，記憶體存取的東西分成兩種，分別是「指令」和「資料」。

電腦的另外一個名字叫「電子計算機」，顧名思義，電腦是用來計算的，要計算，需要告訴電腦兩件事：第一，做甚麼計算；第二，要被計算的數字；前者稱為指令，後者稱為資料。

很多人都用過算盤或是那種只有數字和加減乘除的掌上型計算機；當你要計算很多數字，例如把幾十個數字各自照公式計算然後平均等等，會怎麼做呢？首先，你要有張紙，上面記錄要計算的數字，以及計算的公式，你看一眼公式，把數字打進計算機或算盤，根據公式計算，然後把計算結果寫回那張紙，完成工作；恭喜你，你做的事情就是現代電腦所做的事情；那張紙就是記憶體，你和算盤或計算機做的事，就是CPU做的事。

電腦與過去那些簡單的計算機最大的不同，在於電腦可以把「如何計算」這個資訊變成一種可以存放在記憶體裡面的資料，這種資料有個特別的名稱叫「指令」，CPU就是從記憶體讀進指令，根據指令再從記憶體裡讀取資料，進行運算，或是把運算結果寫進記憶體，一個CPU可以接受的指令格式，稱為這個CPU的「指令集」。

為什麼要談這麼多基本常識？因為8086「認得」8087的指令；在8086的指令集中，8087的浮點運算指令開頭的第一個byte是11011xxx(xxx表示不固定)，這個11011被稱為是ESC code(其實二進位11011就是ASCII code裡面的ESC代碼)，8086讀取指令時，看到這個ESC就會知道「不是自己可以處理的指令」(x86的指令格式其實很複雜，如果想要了解全貌，可以參考http://ref.x86asm.net/ 這個網站)。

可是問題來了，8086是讀取了8087的指令後，才會知道「這不是我可以處理的」，問題是8087在8086「外面」，這時候該怎麼辦？再送出去給8087？

8086和8087的工程師想出了一個非常巧妙的方法，簡單的說，8086的接腳除了位址和資料線以外，還有一些額外的訊號線，8086用了一部份訊號線來表示「現在8086的行為」，例如「正在讀取指令」、「正在讀取資料」或是「寫資料到記憶體」等等。

如果各位去看8087的資料，會發現8087的腳位跟8086很像，實際上。8087跟8086大部分訊號線都接在一起，換句話說。8087可以「看」到8086大部分訊號，當8087看到8086正在讀取指令，而且指令的最前面是11011，它就知道這個指令是給它的，不需要另外再送訊號給8087，更妙的是，8086接到8087的指令後，如果這個指令的後段是要8087存取記憶體，8086收到後會把腳位訊號切換為記憶體存取(就是告訴記憶體「我要存取記憶體了」，然後停止動作(這有個專有名詞叫Dummy Read)，讓8087接管這些訊號完成存取動作。

不過後來的80287和387就沒有像8087這樣的設計，而是完全等主CPU(286/386)讀進指令，解碼完畢後，再從資料線傳到副處理器，主CPU解碼完畢會再啟動一個I/O動作，286會對I/O位址0xF8、0xFA、以及0xFC輸出資料給287，而386則是0x800000f8 和0x800000fc，手冊裡還會特別聲明，希望程式不要自己去亂動這幾個I/O port位址，不過事實上287和387也不會去真的去看記憶體或是I/O的位址線(事實上它們的接腳裡面沒有位址線)就是了；為什麼不像8087那樣做呢？有個原因是8087的運作方式必須跟8086完全同步，287/387是可以跟主CPU頻率不同，另外一個原因是8087這種設計如果遇到浮點指令本身格式有錯時，8087解碼不出來，8086會一直等待下去，也就是會當掉，一般來說遇到這種情況，應該是CPU解碼後會丟出一個「例外狀況」，附帶一提，如果一個系統沒有裝浮點運算器，卻讀進浮點指令，也是要丟出一個「例外狀況」。

不管怎麼設計，在486之前，因為浮點運算器都是外接的，所以總是會有一些專用的訊號線讓這兩顆IC互相通訊，但是到了486，因為一開始就把浮點運算器和CPU整合成一顆，所以根本就沒有這樣的預留線路，可是後來(1991年中)Intel出了486SX(沒有浮點運算器的便宜版486)後，有些買了486SX的用戶發現沒有浮點運算很不方便要求升級方案時，這個問題就顯得很棘手，怎麼辦呢？Intel的辦法是：出一顆「完整的」486，但是腳位稍微改一下(其實只是多加一根腳)，改個名字叫「487 SX」，當這顆晶片裝到主機板預留的腳位時，有一根線會把旁邊那顆486SX「整顆關掉」。

但是這還不是最機車的設計，大概在同一段時間前後(1990-1991)，Intel為了應付某些386的用戶需要升級卻不想換主機板的需求，推出了一種稱為RapidCAD的處理器升級方案。

簡單的說， RapidCAD是一種「裝在386腳座上面的486」，晶片本身其實是個拿掉內建cache的486DX，但是對外的腳位完全是386，問題來了，386的浮點運算器80387是外接的，可是486DX的浮點運算器是內建的，怎麼辦呢？

Intel想出來的方法是：多做一顆「假的」387，事實上賣出來的RapidCAD一套有兩顆晶片，一顆稱為RAPIDCAD-1，腳位和386一樣，另外一顆稱為RAPIDCAD-2，腳位跟387一樣；那顆RAPIDCAD-2唯一的用途，是針對某些用來偵測「387存不存在」的腳位(精確一點的說，是FERR這隻腳)，送出正確的訊號，讓主機板和處理器都「以為」387在上面，實際上卻是在CPU那邊。

 RapidCAD的整數效能其實並不好，受限於386匯流排的限制以及拿掉了那8K cache，整數效能大概只比同頻率的386高個10%而已，可是浮點運算就很威了，因為跟CPU在同一顆晶片，RapidCAD的浮點運算可以比387高70%，所以這顆其實是為急需浮點運算又不想花錢買整台486系統的386客戶量身打造的，這也是它名字的由來：Rapid"CAD"，那個年代，最需要浮點運算的，除了科學研究以外，大概就是電腦輔助設計(CAD)了。


下次我們會來談談「傳說中的」Weitek 3167/4167。

淺談古代CPU：副處理器的故事(3)