IT自救術─魔鬼都在細節裡面

幸好，我們不用理解到這麼深入的程度。

我手邊有一本計算機組織結構的教科書，書裡面羅列了各年代的x86處理器規格演進。8086/8088大約是70年代末期的產物，距離現代最新的x86處理器，已經過了30年。

老實說，這30年間，處理器為了加快速度，在「各方面」都有長足的進步。在所謂的電晶體數量，在製程上，在時脈上……，改變的幅度不可謂不大。不過，處理器的本質和主要的架構，依然沒有太大的變化。

處理器是用來跑程式的
從8086到Core 2 Quad，所有的處理器都是用來「跑程式的」，這一點是處理器的不變。

為了要執行程式，處理器的基本設計也沒有太多的變化。所有的處理器都有暫存器，都使用指令集。也許執行的程式越來越大，越來越複雜，處理器的速度越來越快，寫程式的工具也越來越先進，但是說到底，程式一樣還是一堆用指令組合而成的片段。只是，以前的人還可以用組合語言寫程式，這年頭大概沒人這麼幹了。

同樣的，指令集也不斷的跟著外在環境的需求而改變，80286多了所謂的「保護模式」，386使用複雜的定址模式，後來還有因應多媒體需求加入的MMX指令集，以及因應3D應用而加入的SSE指令集。不過，同樣的概念是：這麼多的變化，本質上處理器也還是不會有革命性的進展，一樣是用來跑程式的。你把程式分解到最小，一樣都是指令的組合，不會變的。

激進的改革絕對不可能
對於所謂的x86處理器而言，革命性的進展幾乎是不可能的，因為使用者要的是「相容性」。比方說，如果有一種革命性的處理器設計概念，要徹底改變指令集的概念，那這對x86處理器而言卻是不可能的，因為客戶們（就是我們）不會想要。

總之，如果要採用「革命性」的進化方式，幾乎註定了新產品必定失敗的命運。

所以Intel為了讓處理器效能變好，就只能採用一種比較「困難」的進化策略──新產品「表面上」和過去完全相容，但「骨子裡」卻有相當大的不同。

目前來講，最常被引用的成功範例，應該是Intel的Core系列產品。
從程式的執行面來看，Core系列處理器也和以往的x86處理器沒有什麼不同，有著一樣的暫存器，有著一樣的Intel商標。不過，Core處理器和之前的Pentium 4處理器相比，卻用不同的途徑達成了更好的結果。底下筆者試著簡單的說明，這段有趣的處理器進化歷史。

NetBurst Pentium 4問題多
大約西元2000年左右，Intel那時剛推出Pentium 4。Pentium 4號稱使用了一種革命性的新架構，稱為「NetBurst」。

對使用者來說，NetBurst是什麼，其實是毋需太認真。因為那是處理器內部的硬體設計的改變。總之，Intel宣稱NetBurst可以大幅提高處理器的運作時脈，讓處理器效能變快。

不過，這話不完全正確。

Pentium 4剛出世的時候，確實把時脈飆得很高，2GHz、3GHz……，競爭對手AMD的Athlon完全追不上。可是，因為採用了全新的設計（更長的管線分段），Pentium 4的效能無法因為時脈的提高而等量提升。因此，AMD乾脆使用P-Rating標註處理器性能，「用更低的時脈但可以達到相同的效能」。結果，Pentium 4的市場反應確實不好，Intel在那時候失掉了很多市占率，AMD當時可說是「氣勢如虹」。

不僅如此，Pentium 4還「很熱」。

這個「很熱」不是比喻，是指當時使用NetBurst架構的Pentium 4真的「溫度很高」，用術語來形容，就是「熱密度」很高。

老實說，Pentium 4當時使用了一些技術，讓它不容易因為過熱而導致「燒毀」，因此即使過熱，也只是會當機而已。不過，沒有人會喜歡容易當機的電腦，更沒有人願意自己的電腦老是過熱。從節約能源的角度來看，處理器的發熱其實都算是「廢熱」，只是浪費能源而已。尤其是對手AMD的Athlon，已經改善了早期容易過熱燒毀的情況，當時已經是「低溫、高效能」的產品，可說是把Intel的NetBurst Pentium 4「壓著打」。

Core微架構一雪前恥
不過，還好，Intel公司夠大，產品夠多，有一個有趣的產品稱為「Pentium M」。

Pentium M據說是由Pentium III改良而來（Pentium 4卻是全新的NetBurst架構，並非由Pentium III改良而來），當初主要是給筆記型電腦用的處理器。推出後，Pentium M就以高效能、省電，當時已經成了筆記型電腦處理器主流產品。

有趣的是，Intel在眼看Pentium 4市場失利之後，做了一個正確的決定：乾脆把所有「桌上型」、「筆記型」電腦的處理器都改用同樣的核心，由Pentium M核心改良而來的「Core微架構」，也就是現在我們常見的Core 2 Duo、Core 2 Quad……處理器。這處理器因為解決了前面兩個問題（效能不彰、容易過熱／耗電），因此Intel處理器重新站穩了腳跟。而所謂的NetBurst處理器，目前在零售市場就幾乎看不到了。

不過，我講了這麼長一段故事，只是要給大家一個結論：無論處理器的硬體架構用多麼複雜的術語嚇唬你，用多麼艱深的名詞為難你，用各種可怕的數字讓你心跳加快……放心吧！都是用來跑程式而已。而且處理器廠商會設法讓它們「能有多相容就有多相容」。

舉個簡單的例子，Windows XP是西元2001年發表的，算是個老產品了。但是，2008年出貨的處理器，能否跑Windows XP？一定還是可以跑的，一定可以順暢、完美的執行Windows XP。你認為這理所當然？不完全是，其實處理器廠商可以輕易的讓處理器「很有自己的特色」，但是他們不會，也沒有必要這麼做。要跑程式嘛！那就不要太有個性。所以，即使是最新的Core 2 Quad，也可以相容30年前的8086，執行古早古早的DOS小程式。

組合語言幾乎沒人用了
不過，現代處理器所能執行的程式規模，確實是比以前要大上很多很多很多。

前面幾期本欄所示範的組合語言程式，就如同我文章裡提到的，就像是處理器大腦運作的腦波訊號一樣，你得使用正確的腦波形式，才可以操作處理器進行運算。

用這麼直接的方式撰寫組合語言程式，好處是「你幾乎就是直接與處理器對話」，這在早期的DOS時代，這麼做最大的好處就是「快」。我提過，早期的知名應用軟體全都是用組合語言寫的。不過，到了近代，這種情況越來越少了。

現代還有哪個知名程式是用組合語言寫的？

事實上，就算用組合語言寫，程式也不一定會快了。

要讓程式碼更快，有一門學問稱為「程式碼最佳化」。這程式碼最佳化的作法，大多是由所謂的「編譯器」進行的。編譯器負責轉換高階語言的程式碼變成可執行碼，轉換過程中還會搭配執行「怎麼做才會讓這程式在處理器執行時更有效率」的各種判斷。這類判斷，用「人腦」做很辛苦，不如用編譯器來做會更有效率。所以，現代人寫程式都用高階語言就可以了。用組譯器寫組合語言的，大多是硬體工程師寫驅動程式，或是寫一些特殊的核心系統程式。要不然，就是你想理解指令集的運作是怎麼一回事，才去研究組合語言的。

現代的程式語言，大概就分化成：開發「應用系統」的各式語言，和開發「系統程式／應用程式」用的語言。

所謂的應用系統，很大的一個部分是所謂的Web應用，這種語言以Java最有名。至於所謂的系統程式／應用程式，反而是比較專業，需要高效能的編譯器產生可執行檔。這類語言，以C/C++為最典型的代表。不過，系統程式和應用程式其實應用範圍比較偏窄，畢竟不是每個人都會需要寫那麼高效的程式。

舉例來說，Excel應該是用C語言寫的（Bill Gates在《擁抱未來》書裡面有這麼說過），但是有多少人會去自己寫一個Excel來用？但Web應用倒是在我們生活和工作中處處可見，而撰寫Web應用的這些語言的實作未必以「最高效能」為追求目標，這類語言（像是C#或是Java）所追求的是程式碼的簡潔、易於修改、易於維護和易於撰寫。也就是說，這類語言在乎的是「程式碼能否正確的執行，寫錯是否能很容易被改正」，而不是「程式碼能否執行的很快」。倒不是程式跑得慢沒關係，而是因為現代處理器已經夠快了，快到「程式執行速度」有時未必是第一優先的事情。

本期結語：未來的處理器，有「變易」有「不易」
所以，本期作為一個「處理器原理介紹」的總結，只是想告訴讀者，無論處理器怎麼進步，各種技術如何驚人，目的都只是要「更快──AFAP」。

你問我「AFAP」是什麼意思？「As Fast As Possible」是也！

但是在這種「變易」的外貌之下，不變的卻是那「馮紐曼（John von Neumann）」的可儲存程式架構。在這種架構之下，所有的應用程式整天都在搬東西，把資料從記憶體搬到暫存器，又從暫存器搬到記憶體，十分忙碌，卻只是在搬過來搬過去。你問我有沒有更好的方式解決這問題？抱歉，我想沒有。

不僅如此，其實，所有的革新，都得在這個架構之下進行擴充，不可能進行革命性的大規模更動。某種程度上，這造成很多人予以「過時」的批評。但在「相容」這面大旗的揮舞之下，這也是無可奈何的局面。

所以，本篇結論是：處理器我們懂個大概即可，但這個「大概」對我們理解各種程式的運作，和各種問題的成因，卻是大有幫助呢！