Микропроцессор: назначение и использование

Основные характеристики микропроцессора включают:

Микропроцессор: что должны знать начинающие инженеры-электронщики

Микропроцессор (CPU или центральный процессор*) – это устройство обработки цифровой и аналоговой информации, основной управляющий элемент аппаратной части системы и главное средство, способное выполнять арифметические и логические операции, записанные в машинном коде.

Центральный процессор* выполняет несколько основных функций – передачу данных между основной памятью и остальной частью компьютера, синхронизацию информации на внешних и внутренних носителях, организацию многопоточной и многопрограммной непрерывной работы, декодирование машинного кода и синхронизацию количества различных регистров. Хотя эти функции трудно перевести на “повседневный язык”, стоит помнить, что “центральный процессор” является самой важной частью любого персонального компьютера.

Кстати, поразительный факт: за все эти годы развития микропроцессоров альтернатива так и не была найдена. Даже последние новинки Intel, способные обрабатывать рабочие нагрузки в тысячу раз быстрее, чем все конкуренты далекого прошлого, и самодельные чипы, превосходящие все компьютеры на космическом корабле “Аполлон”, покорившем Луну, все равно остаются процессорами с теми же задачами и целями…

Затем наступает четвертый этап, основной задачей которого является обеспечение достижения ключевых технико-экономических показателей, таких как производительность, надежность, стоимость и некоторых других. Завершение этого этапа подтверждается при выпуске первой производственной партии новой продукции.

Микропроцессор и его архитектура

Микропроцессор (МП) – это программно-управляемое устройство для обработки цифровой информации и управления этой обработкой, выполненное в виде одной или нескольких крупномасштабных интегральных схем (БИС).

Концепция большая интегральная схема в настоящее время не имеет четкого определения. Ранее считалось, что в этот класс должны входить микрочипы, содержащие более 1000 элементов на чипе. Действительно, первые микропроцессоры укладывались в эти параметры. Например, микропроцессорная секция 4-битной микросхемы К584, выпущенной в конце 1970-х годов, содержала около 1500 элементов. Теперь, когда микропроцессоры содержат десятки миллионов транзисторов, и количество транзисторов продолжает расти, мы будем понимать интегральную схему как функционально сложную интегральную схему.

Микропроцессорная система (MPS) – это функционально законченный продукт, состоящий из одного или нескольких устройств на базе микропроцессора.

Микропроцессор характеризуется большим количеством параметров и свойств, поскольку он является, с одной стороны, функционально сложным вычислительным устройством, а с другой – электронным устройством, продуктом электронной промышленности. Как вычислительный инструмент, он характеризуется, в частности, следующими особенностями архитектуракоторый представляет собой набор свойств аппаратного и программного обеспечения, доступных пользователю. Сюда входят система команд, типы и форматы обрабатываемых данных, режимы адресации, количество и расположение регистров, правила взаимодействия с оперативной памятью и внешними устройствами (характеристики системы прерываний, прямой доступ к памяти и т.д.) Микропроцессоры делятся на несколько типов в зависимости от их архитектуры (рис. 1.1).

Универсальные микропроцессоры Микропроцессоры предназначены для выполнения задач цифровой обработки всевозможной информации, от инженерных расчетов до операций с базами данных, без серьезных временных ограничений на выполнение задачи. Этот класс микропроцессоров является наиболее известным. К нему относятся такие известные микропроцессоры, как МП ряда Pentium от Intel и МП семейства Athlon от AMD.

Классификация микропроцессоров

Характеристики микропроцессоров общего назначения:

  • Битовая глубина: определяется максимальным количеством разрядов целочисленных данных, обрабатываемых за 1 тактовый цикл, т.е. фактически количеством разрядов арифметического логического блока (ALU);
  • типы и форматы обрабатываемых данных;
  • Система команд, режимы адресации операндов;
  • емкость основной памяти с прямой адресацией: определяется битовой глубиной шины адреса ;
  • Внешняя тактовая частота. Частота синхронизации обычно определяется как максимально возможное значение, при котором гарантируется работоспособность схемы. Для функционально сложных схем, содержащих микропроцессоры, иногда также указывается минимально возможная частота синхронизации. Снижение частоты ниже этого предела может привести к выходу цепи из строя. В то же время, в тех приложениях микропроцессоров, где не требуется высокая производительность, снижение тактовой частоты является одним из вариантов экономии энергии. Во многих современных микропроцессорах при снижении частоты он переходит в режим в течение которого он сохраняет свое состояние. Частота синхронизации в рамках одной архитектуры позволяет сравнивать производительность микропроцессоров. Однако различные архитектуры оказывают гораздо большее влияние на производительность, чем частота;
  • производительность: определяется специальными тестами, причем набор тестов подбирается таким образом, чтобы максимально охватить различные особенности микроархитектуры процессора, влияющие на производительность.

Микропроцессоры общего назначения принято делить на CISC – и Микропроцессоры RISC. Микропроцессоры CISC (Completed Instruction Set Computing) имеют весь классический набор инструкций с широко развитыми режимами адресации операндов. Например, микропроцессоры, такие как Pentium, относятся к этому классу. В то же время Микропроцессоры RISC (reduced instruction set computing) используют, как следует из определения, сокращенное число инструкций и режимов адресации. В частности, такие микропроцессоры, как Alpha 21×64, Power PC. Количество инструкций в системе инструкций – самое очевидное, но далеко не самое важное отличие в этих разработках универсальных микропроцессоров. Мы рассмотрим другие различия, когда узнаем больше об их архитектуре.

Одночиповые микроконтроллеры (OMC или просто MC) предназначены для использования в системах промышленной и бытовой автоматизации. Это большие интегральные схемы, содержащие все аппаратные средства, необходимые для реализации цифровой системы управления с минимальной конфигурацией: процессор (обычно целочисленный), память инструкций, память данных, часы, программируемые устройства для связи с внешней средой (контроллер прерываний, таймеры, различные порты ввода/вывода), иногда аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т.д. Некоторые источники называют этот класс микропроцессоров одночиповыми микрокомпьютерами (SSMP).

Сегодня две трети всех микропроцессорных чипов, производимых в мире, относятся к этому классу, и почти две трети из них имеют битовую глубину 16 бит или меньше. К классу однокристальных микроконтроллеров в первую очередь относится серия MCS-51 компании Intel и аналогичные микропроцессоры других производителей, архитектура которых стала стандартом де-факто.

Специфика однокристальной архитектуры:

  • Физическое и логическое разделение на память инструкций и память данных (Гарвардская архитектура), тогда как в классической архитектуре Неймана программы и данные находятся в общей памяти и имеют одинаковый механизм доступа;
  • ориентированная на управление, упрощенная командная структура: МК обычно не имеют возможностей работы с плавающей запятой, но в то же время структура команд содержит команды, предназначенные для эффективной работы с датчиками и исполнительными механизмами, например, команды, ориентированные на биты;
  • режимы адресации элементарных операндов.

Основные характеристики микроконтроллеров (Числовые значения приведены для МК-51 в качестве примера):

  1. Скорость передачи данных (8 бит).
  2. Объем внутренней памяти команд и данных, возможность расширения и ограничения:
    • Внутренняя память команд – 4 Кбайт (в среднем длина команды составляет 2 байта, поэтому внутренняя память может вместить программу примерно из 2000 команд); расширяется путем подключения внешней памяти до 64 Кбайт;
    • Встроенная память данных 128 байт (можно подключить до 64 Кбайт внешней памяти).
  • Внешняя частота 12 МГц;
  • Частота машинного цикла 1 МГц.

Встроенные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) для легкого согласования с датчиками и исполнительными механизмами в системе управления.

Секционированные микропроцессоры (другие названия: микропрограммируемые и разрядно-модульные) – это микропроцессоры, предназначенные для создания специализированных процессоров. Это микропроцессорные секции относительно небольшого размера (от 2 до 16) с доступом пользователя к уровню управления микропрограммой и средствами объединения нескольких секций.

Эта организация позволяет разработать микропроцессор с требуемой мощностью и со специализированной системой команд. Микропроцессорные секции, благодаря своей малой разрядности, могут быть построены с использованием технологии высокоскоростной передачи данных. Все эти факторы в сумме дают процессор, наилучшим образом подходящий для данного класса алгоритмов, как с точки зрения системы инструкций, так и методов адресации и форматов данных.

Одним из первых наборов секционированных микропроцессоров было семейство MPB Intel 3000. В нашей стране они выпускались в составе серий К589 и 585. Процессорные элементы этой серии представляли собой двухразрядный микропроцессор. Наиболее распространенным набором секционированных микропроцессоров является Am2900, который основан на 4-битных секциях. В нашей стране аналог этого набора выпускался в рамках серии К1804. Набор состоял из следующих интегральных схем:

  • битовый секционный АЛУ ;
  • блок ускоренного перевода;
  • битовое секционное АЛУ с аппаратной поддержкой умножения;
  • микропрограммируемый тип схемы управления;
  • состояние и контроллер переключения;
  • контроллер приоритетных прерываний.

Основным недостатком микропроцессорных систем на основе секционированных микросхем была сложность проектирования, отладки и программирования систем на их основе. Использование специализированной системы команд привело к несовместимости разработанного программного обеспечения для различных микропроцессоров. Разработка специализированного и во многих отношениях оптимального процессора потребовала работы квалифицированных программистов в течение длительного периода времени. Однако быстрое развитие электронной техники привело к появлению универсального микропроцессора, возможности которого превышают гипотетический выигрыш от разработки специализированного процессора. Это привело к тому, что данный класс микропроцессорных интегральных схем сегодня практически не используется.

Цифровые сигнальные процессорыили цифровые сигнальные процессорыпредставляют собой быстро растущий класс микропроцессоров для цифровой обработки сигналов – обработки аудиосигналов, изображений, распознавания образов и т.д. Они имеют многие особенности однокристальных микроконтроллеров: гарвардская архитектура, интегрированная память команд и данных, расширенные возможности внешних устройств. В то же время они включают особенности МП общего назначения, особенно с архитектурой RISC: конвейеризацию, программную и аппаратную поддержку операций с плавающей запятой, аппаратную поддержку сложных специализированных вычислений, особенно умножения.

Как электронный продукт микропроцессор характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которых являются

  1. Требования к времени: максимальная частота, стабильность.
  2. Количество и номиналы источников питания, требования к их стабильности. В настоящее время наблюдается тенденция к снижению напряжения питания, что уменьшает тепловыделение в схеме и приводит к работе на более высоких частотах. Если первые микропроцессоры работали при напряжении питания +15 В, то сейчас отдельные микросхемы используют источники менее 1 В.
  3. Рассеиваемая мощность – это потери мощности в выходном каскаде схемы, которые преобразуются в тепло и нагревают выходные транзисторы. Другими словами, он характеризует уровень тепловыделения ИС, который во многом определяет требования к конструкции микропроцессорной системы. Эта характеристика особенно важна для встраиваемых ИС.
  4. Уровни сигналов логического нуля и логической единицы, которые связаны с номиналами источников питания.
  5. Тип шасси – оценивается пригодность схемы для конкретного применения, а также то, можно ли использовать новую ИС в качестве замены существующей на плате.
  6. Температура окружающей среды, при которой схема может работать. Здесь выделяются два диапазона:
    • Коммерческий (0 0 C … +70 0 C);
    • Расширенный (-40 0 C … +85 0 C).

Стоимость производства микропроцессорной системы

Стоимость производства устройств с использованием микропроцессорных интегральных схем показана здесь на рисунке 1.2:

  1. Стоимость производства LSI (чем выше степень интеграции компонентов на чипе, тем дороже его производство);
  2. стоимость сборки и настройки микропроцессорных систем (чем больше увеличивается функциональность интегральных схем, тем меньше потребуется схем);
  3. Общая стоимость микропроцессорной системы , которая является суммой затрат (1) и (2). Она имеет определенное оптимальное значение для данного уровня развития технологий;
  4. Переход на новую технологию (оптимальное количество элементов на чипе будет другим, а общая стоимость продукта снизится).

В 1965 году Гордон Мур сформулировал гипотезу, известную сегодня как согласно которому количество транзисторов на чип удваивается каждые 1,5-2 года. Это обеспечивается постоянным совершенствованием технологических процессов производства микросхем.

Intel, самая технологически развитая компания, в жизненном цикле полупроводниковой технологии, созданной и используемой в корпорации, выделяет шесть этапов.

Самый ранний этап проходит за пределами Intel, в университетских лабораториях и независимых исследовательских центрах, где ведется поиск новых физических принципов и методов, которые могут лечь в основу научных и технологических основ на многие годы вперед. Корпорация финансирует эти исследования.

На втором этапе исследователи Intel выбирают наиболее перспективные области для разработки новых технологий. Обычно рассматриваются два или три решения.

Основная задача третьего этапа – полностью разработать новую технологию и продемонстрировать ее осуществимость.

За этим этапом следует четвертый этап, основной задачей которого является обеспечение достижения ключевых технико-экономических показателей, таких как производительность, надежность, стоимость и другие. Завершение этого этапа подтверждается выпуском первой промышленной партии новой продукции.

Пятый этап – промышленное освоение новой технологии. Это не менее сложно, чем разработка самой технологии, поскольку в реальных производственных условиях крайне трудно в точности воспроизвести то, что было достигнуто в лаборатории. Это обычно приводит к задержкам в сроках представления новой продукции, в достижении запланированных поставок и в производственных затратах.

Последним, шестым этапом жизненного цикла технологии (перед отказом от нее) является зрелость. Зрелые технологии, подверженные некоторым усовершенствованиям с целью повышения производительности оборудования и снижения производственных затрат, обеспечивают основные объемы производства. По мере внедрения новых, более совершенных технологий старые устраняются.

Первоначально он переводится на микросхемы с меньшей скоростью или меньшим количеством транзисторов, например, на интегральные схемы для периферийных устройств.

Intel Pentium 4

Что такое чип?

Как это работает: Микропроцессор

Микросхему также называют интегральной схемой. Обычно это небольшой тонкий кусочек кремния, на котором выгравированы транзисторы, составляющие микропроцессор. Чип может быть размером всего один дюйм, но содержать десятки миллионов транзисторов. Более простые процессоры могут иметь несколько тысяч транзисторов, выгравированных на чипе размером всего несколько квадратных миллиметров.

Микропроцессор – это интегральная схема, предназначенная для работы в качестве центрального процессора микрокомпьютера.

Если к процессору необходимо подключить одно или несколько устройств ввода/вывода, требуется соответствующий интерфейс. Он выполняет следующие 4 функции:

  • Буферизация, которая необходима для обеспечения совместимости между микропроцессором и периферийными устройствами;
  • Декодирование адресов, необходимое для выбора одного из нескольких устройств ввода/вывода, подключенных к системе;
  • Декодирование команд, необходимое для выполнения функций, отличных от передачи данных;
  • Синхронизация и контроль всех вышеперечисленных функций.

Командный цикл процессора состоял из 8 тактов задающего генератора. Имелась мультиплексированная шина (шина адреса)/SD (шина данных), адрес представлял собой 12-битную 4-разрядную шину.

Что такое микропроцессор

Компьютеры широко используются с 1950-х гг. Ранее это были очень большие и дорогие устройства, которые использовались только в государственных учреждениях и крупных компаниях. Размер и форма цифровых компьютеров изменились до неузнаваемости с развитием новых устройств, называемых микропроцессорами.

Микропроцессор (МП) – это электронное цифровое устройство с программным управлением, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом обработки этой информации на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью электронной интеграции.

В 1970 году Маркионне Эдвард Хофф из Intel разработал интегральную схему, похожую по функциям на большой процессор персонального компьютера: первый микропроцессор, Intel-4004, который поступил в продажу в 1971 году.

15 ноября 1971 года можно считать началом новой эры в электронике. В этот день компания начала продажи первого в мире микропроцессора Intel 4004.

Это был настоящий прорыв, поскольку микропроцессор Intel-4004 диаметром менее 3 см был мощнее гигантской машины ENIAC. Однако он был намного медленнее и мог обрабатывать только 4 бита информации одновременно (процессоры больших компьютеров обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но он также был в десятки тысяч раз дешевле.

Кристалл представлял собой 4-битный процессор с классической компьютерной архитектурой гарвардского типа и был изготовлен по передовой p-канальной МОП-технологии с проектным стандартом 10 микрон. Электрическая схема прибора состояла из 2300 транзисторов. Тактовая частота чипа составляла 750 кГц, а время цикла выполнения команд – 10,8 мкс. Микросхема i4004 имела стек адресов (счетчик команд и три регистра стека LIFO), блок РОН (регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл – РФ), 4-битное параллельное АЛУ, аккумулятор, регистр команд с дешифратором команд и схему управления, а также схему связи с внешними устройствами. Все эти функциональные блоки были соединены между собой 4-разрядной шиной. Память команд достигала 4 килобайт (для сравнения: объем памяти миникомпьютеров начала 1970-х годов редко превышал 16 килобайт), а процессор RF имел 16 4-разрядных регистров, которые могли использоваться как 8 8-разрядных регистров. Такая организация РОН сохранилась и в более поздних разведывательных сообщениях. Три регистра стека обеспечивают три уровня вложенности подпрограмм. Микросхема i4004 PM была выполнена в пластиковом или металлокерамическом корпусе DIP (Dual In-line Package) с общим количеством выводов 16.

В его командной структуре было всего 46 инструкций.

Однако этот кристалл имел очень ограниченный ввод-вывод, и в нем нельзя было выполнять логические операции обработки данных (И, ИЛИ, ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ ИЛИ), а значит, они должны были выполняться специальными подпрограммами. Модуль i4004 не имел возможности остановить работу (команда HALT) или обработать прерывания.

Командный цикл процессора состоял из 8 тактов основного осциллятора. Имелась мультиплексированная шина (шина адреса)/SD (шина данных), 12-битный адрес передавался по 4-разрядной схеме.

1 апреля 1972 года Intel начала продажи первого в отрасли 8-битного устройства – i8008. Микросхема была изготовлена с использованием p-канальной МОП-технологии по проектной норме 10 мкм и содержала 3500 транзисторов. Процессор работал на частоте 500 кГц, а время машинного цикла составляло 20 мкс (10 периодов основного генератора).

В отличие от своих предшественников, MP имел архитектуру принстонского типа и допускал комбинацию ПЗУ и ОЗУ.

По сравнению с i4004 количество РОН было уменьшено с 16 до 8, а для хранения адресов с косвенной адресацией памяти использовались два регистра (ограничение технологии – блок РОН как в кристаллах 4004 и 4040 в МП 8008 был реализован как динамическая память). Время машинного цикла сократилось почти вдвое (с 8 до 5 состояний). Для синхронизации работы с медленными устройствами был введен сигнал READY.

Система инструкций состояла из 65 инструкций. МП мог адресовать 16 килобайт памяти. Его производительность увеличилась в 2,3 раза по сравнению с четырехбитным МТ. В среднем для этого требовалось около 20 чипов, умеренно интегрированных для взаимодействия с памятью и устройствами ввода-вывода.

Возможности p-канальной технологии для создания сложных высокопроизводительных МП были практически исчерпаны, поэтому “направление главного удара” было смещено в сторону n-канальной МОП-технологии.

1 апреля 1974 года Intel 8080 был представлен всем заинтересованным лицам. Используя технологию p-MOS с базой проектирования 6 микрон, можно было разместить на чипе 6000 транзисторов. Тактовая частота процессора была увеличена до 2 МГц, а время цикла выполнения команд теперь составляло 2 микросекунды. Объем памяти, адресуемой процессором, был увеличен до 64 Кбайт. Благодаря использованию 40-контактного шасси удалось разделить CA и PM, общее количество ИС, необходимых для построения системы в минимальной конфигурации, сократилось до 6 (рис. 1).

Рисунок 1: Микропроцессор Intel 8080.

В RF появился указатель стека, активно используемый для обработки прерываний, и два программируемых регистра для внутренних пересылок. Блок РОН был реализован на статических микросхемах памяти. Исключение аккумулятора из РФ и введение его в АЛУ упростило схемы управления внутренней шиной.

Новшеством в архитектуре МП является использование многоуровневой системы векторных прерываний. Это техническое решение позволило увеличить общее количество источников прерываний до 256 (до появления контроллеров векторов прерываний системы векторов прерываний требовали до 10 дополнительных среднеинтегральных микросхем). В i8080 был представлен механизм прямого доступа к памяти (DMA) (ранее использовавшийся в IBM System 360 и других машинах общего назначения).

РПД открыла возможность использования в микрокомпьютерах современных устройств, таких как дисководы для дисков и магнитных лент и ЭЛТ-дисплеи, что превратило микрокомпьютер в полноценную вычислительную систему.

Традицией компании, начиная с первого чипа, было производство не одного процессорного чипа, а семейства микросхем VLSI для общего использования.

Калькулятор с чипом 4004 впервые появился в начале 1971 года. У нее было много конкурентов. Полупроводниковая компания Mostek выпустила первый “калькулятор на чипе”, модель MK6010. Компании Pico Electronics и General Instrument представили свой калькулятор G250. Шесть месяцев спустя был выпущен TMS 1802 от Texas Instruments, который стал первым чипом в очень успешной серии 0100. Эти чипы хорошо работали в качестве калькуляторов, но не могли предложить ничего большего, в то время как 4004 выполнял инструкции, хранящиеся в ПЗУ. Это мог быть компьютер общего назначения.

Вы можете подумать, что все началось с Intel 4004, но все не так просто.


Intel 4-bit 4004

Транзисторы, электронные усилители и переключатели, которые сегодня лежат в основе всего – от карманного радиоприемника до суперкомпьютера, были изобретены в 1947 году. Ранние прототипы назывались биполярными транзисторами, и они используются до сих пор. В 1960-х годах инженеры обнаружили способ объединения нескольких биполярных транзисторов на одном чипе. Но из-за их сложной структуры в одной цепи может находиться лишь небольшое их количество. Поэтому, хотя миникомпьютер на основе биполярных ИС был намного меньше ранних компьютеров, для его создания требовалось несколько плат с сотнями ИС на них.

В 1960 году был представлен новый тип транзистора: транзистор металл-оксид-полупроводник, МОП-транзистор. Первоначально технология не выглядела многообещающей. Они были более медленными, менее надежными и более дорогими, чем биполярные. Однако к 1964 году ИС на основе МОП-транзисторов могли похвастаться более высокой плотностью и более низкой стоимостью производства, чем биполярные ИС. Сложность ИС увеличивалась в соответствии с законом Мура, но технология МОП-транзисторов опережала эту тенденцию.

К концу 1960-х годов в одной МОП ИС могло быть до 100 логических элементов, каждый из которых содержал несколько транзисторов, и все это выглядело очень перспективным для создания компьютеров. Эти многокомпонентные интегральные схемы получили название крупномасштабной интеграции [LSI].

Инженеры поняли, что растущая плотность МОП-транзисторов позволит разместить компьютерный процессор на одном чипе. Однако, поскольку МОП-транзисторы были медленнее биполярных, компьютер на МОП-транзисторах имел смысл только там, где требовалась низкая скорость или легкие, компактные машины – терминалы данных, калькуляторы, аэрокосмическая электроника. Именно с этих приложений началась микропроцессорная революция.

Большинство инженеров сегодня считают, что революция началась в 1971 году с 4-битного чипа 4004 компании Intel, за которым сразу же последовал 8-битный 8008. Но история рождения микропроцессора гораздо богаче и увлекательнее. В частности, некоторые недавно обнаруженные документы показывают, как ныне забытый чип Texas Instruments TMX 1795 обогнал Intel 8008 и стал первым 8-битным микропроцессором, но затем оказался в безвестности.

Дорога к первым микропроцессорам была проложена благодаря использованию МОП-чипов в области компьютеров. Первым компьютером на основе MOS-IUV был D200, созданный в 1967 году компанией Autonetics, подразделением North American Aviation, расположенным в Анахайме, штат Калифорния.


Три гордых отца: Федерико Фаджин, Марсиан Хофф мл. и Стэнли Мейсор позируют в Зале славы изобретателей, демонстрируя микропроцессор Intel 4004.

Этот компактный 24-битный компьютер общего назначения был разработан для аэрокосмической отрасли и навигации. Его процессор был построен из 24 МОП-чипов и использовал четырехфазную логику, используя четыре различных тактовых сигнала. Каждый сигнал со своей схемой включения/выключения, или фазой, управлял изменением состояния транзистора, в результате чего схема упрощалась. Компьютер весом всего несколько килограммов использовался для управления баллистической ракетой класса “Посейдон”, запускаемой с подводной лодки, для контроля топлива в бомбардировщике B-1. Он даже рассматривался для космического челнока.

За D200 вскоре последовал еще один авиационный компьютер с тремя процессорами и общим числом микросхем 28: Компьютер данных центрального воздуха Garrett AiResearch (в настоящее время входит в состав компании Honeywell). Компьютер использовался для управления полетом истребителя F-14 и использовал чипсет MP944 MOS-LSI, разработанный собственными силами в период с 1968 по 1970 г. 20-разрядный компьютер обрабатывал информацию от датчиков и предоставлял данные для приборов и управления самолетом.

Архитектура компьютера для F-14 была необычной. Он имел три параллельно работающих функциональных модуля: один для умножения, один для деления и один для специальных логических функций (например, поддержание значений между верхним и нижним пределами). Каждый модуль состоял из нескольких различных МОП-схем, таких как фиксированная память, содержащая данные, определяющие работу модуля, схема управления данными, различные арифметические схемы и память с произвольным доступом для временного хранения данных.

Компьютер F-14 был засекречен, поэтому мало кто знал о чипсете MP944. Однако компания Autonetics прорекламировала свой D200, который стал вдохновением для еще более компактного компьютера MOS: System IV. Это было детище Ли Буазеля, который в 1968 году покинул Fairchild Semiconductor и основал компанию Four-Phase Systems, названную в честь четырехфазной логики.

24-разрядный процессор System IV был построен всего из девяти МОП-чипов: трех арифметических логических блоков (АЛУ), конструкция которых называлась AL1 (они выполняли арифметические операции, такие как сложение и умножение, а также логические операции И, ИЛИ и НЕ), трех микросхем ПЗУ и трех микросхем генерации случайной логики.


TMX 1795, 3 078 транзисторов


4004, 2 транзистора 300


8008, 3 098 транзисторов.

Почти в то же время в игру вступила компания Viatron Computer Systems, расположенная в Массачусетсе. Всего через год после запуска, в ноябре 1967 года, компания анонсировала System 21, 16-разрядный мини-компьютер с различными аксессуарами, построенный на самодельных MOS-чипах.

Именно они придумали слово “микропроцессор”. Впервые компания использовала его в объявлении в октябре 1968 года, когда анонсировала проект под названием 2101. Но это был не чип – в терминологии Viatron это слово означало часть небольшого терминала, с клавиатурой и пленочной памятью, подключенного к отдельному мини-компьютеру. Этот “микропроцессор” управлял терминалом и состоял из 18 специальных МОП-чипов на трех платах.

Во время этого парада, в конце 1960-х годов, японский производитель калькуляторов Business Computer Corp. (более известная как Busicom), заключила контракт с Intel на производство чипов для многопроцессорного калькулятора. Конечный продукт состоял из одночипового процессора, ныне известного Intel 4004, с соответствующими микросхемами памяти и ввода-вывода. 4-битный 4004 (который манипулировал 4-битными данными) часто считается первым микропроцессором.

Калькулятор с чипом 4004 впервые появился в начале 1971 года. У нее было много конкурентов. Полупроводниковая компания Mostek выпустила первый “калькулятор на чипе” – MK6010. Компании Pico Electronics и General Instrument представили свой калькулятор G250. Шесть месяцев спустя появилась микросхема TMS 1802 от Texas Instruments, которая стала первой микросхемой в очень успешной серии 0100. Эти микросхемы хорошо работали как калькуляторы, но не имели многого другого, в то время как микросхема 4004 выполняла инструкции, хранящиеся в ПЗУ. Это может быть компьютер общего назначения.

Это было время быстрых перемен в области электронных калькуляторов, и после возникновения финансовых проблем Busicom продала эксклюзивные права на 4004. В ноябре 1971 года Intel начала производство этого чипа и вспомогательных микросхем в качестве конечного продукта для вычислений общего назначения. Через несколько месяцев 4004 был вытеснен более мощными микропроцессорами, поэтому его коммерческий успех был ограничен. Он работал в нескольких пинбольных автоматах, текстовом процессоре и машине для подсчета голосов.


Терминал Datapoint 2200

Таким образом, первый 4-битный микропроцессор был создан калькулятором. 8-битные микропроцессоры, которые быстро последовали за ними, имели совсем другое начало. Их история началась в 1969 году с разработки “программируемого терминала” Datapoint 2200 в компании Computer Terminal Corp. (CTC) из Сан-Антонио, штат Техас.

Datapoint 2200 был компьютером общего назначения, а не просто терминалом. Оригинальный 8-битный микропроцессор был построен на 100 биполярных интегральных схемах. Разработчики искали пути снижения энергопотребления и тепловыделения. В начале 1970 года CTC договорилась с Intel о создании одного МОП-чипа для замены процессорной платы, хотя неясно, кто из них решил использовать процессор на одном чипе.


Гэри Бун из компании TI отвечал за разработку TMX1795.

К июню 1970 года Intel разработала рабочую спецификацию чипа для архитектуры Datapoint 2200, а затем заморозила проект на 6 месяцев. Этот дизайн вскоре был реализован в Intel 8008. Итак, независимо от того, был ли это 4004, вдохновленный калькулятором, или 8008, вдохновленный терминалом, создание микропроцессора общего назначения должно быть приписано Intel, не так ли? Не совсем.

Дело в том, что в 1970 году, когда Intel начала работу над 8008, это был стартап из 100 человек. Узнав о разработке, гигантская компания Texas Instruments с 45 000 сотрудников предложила SPC свои услуги по разработке процессора для терминала Datapoint 2200. STS предоставила TI спецификации и дала добро. Когда они вернулись с дизайном для трех чипов, CCC вежливо спросила, могут ли они сделать дизайн для одного чипа, как это сделала Intel. Компания TI занялась разработкой одночиповых процессоров в апреле 1970 года. Завершенный в следующем году, чип был назван TMX 1795 (X означает “экспериментальный”), название, которое позже стало TMC 1795, когда он перестал быть прототипом.

В июне 1971 года TI рекламировала TMC 1795, объявив, что этот “центральный вычислительный блок на одном чипе” будет использоваться в Datapoint 2200, “мощном компьютере с функциями, которых не было у предыдущей версии”. Но этого не произошло – после тестирования TMC 1795 компания CTC отказалась от него, предпочтя вместо него процессор на плате и с биполярными микросхемами. А чип от Intel, как ожидалось, будет готов только в конце того же года.

Многие историки техники считают, что тогда же умер и TMC 1795. Но найденные новые документы, принадлежащие Гэри Буну, главному разработчику чипа, показывают, что TI пыталась продать чип (слегка модифицированный, и поэтому названный TMC 1795A) различным компаниям после неудачи с CCC. Ford Motor Co. в 1971 году заинтересовались возможностью использования чипа в качестве контроллера двигателя, что заставило Буна написать: “Я думаю, мы нашли массовый рынок для нашего процессора на кристалле”. К сожалению, эти попытки оказались безуспешными, и компания TI прекратила рекламу TMC 1795, сосредоточившись на более прибыльных калькуляторах. Тем не менее, если кто-то хочет по праву претендовать на честь создания первого 8-битного микропроцессора, то она должна быть отдана TI, хотя они и упустили эту возможность.


Письмо Буна к Форду

К тому времени, когда Intel выпустила 8008, в конце 1971 года, CCC уже потеряла интерес к однокристальным процессорам и лишилась эксклюзивных прав на разработку. Но Intel пошла дальше и выпустила 8008 на рынок, анонсировав его в апреле 1972 года, и в результате произвела сотни тысяч этих чипов. Два года спустя 8008 дал начало микропроцессору 8080, который оказал большое влияние на 8086, что, в свою очередь, сделало возможным появление сегодняшнего ряда чипов x86. И если ваш ПК оснащен процессором x86, вы используете компьютер, основанный на конструкции, заимствованной из программируемого терминала Datapoint 2200 1969 года.

Нельзя сказать, что эволюция микропроцессоров шла по прямой линии. Многое зависело от случайности и результатов различных бизнес-решений, которые могли легко измениться. Подумайте о том, что архитектура 8-битного процессора, разработанная CCC для Datapoint 2200, была реализована разными способами четыре раза. Дважды CCC реализовывала его с помощью плат, заполненных биполярными интегральными схемами, сначала с помощью последовательной передачи данных, а затем с помощью более быстрой параллельной передачи данных. Впоследствии TI и Intel удовлетворили запросы CCC на отдельные чипы с почти идентичными наборами команд, но их упаковка, управляющие сигналы, время выполнения команд и внутренняя схема были совершенно разными.

Технология Intel была более передовой, чем у TI, включая использование самосвязанных затворов из поликристаллического кремния, которые ускоряли работу транзисторов и увеличивали производительность. Такой подход позволил более плотно разместить транзисторы. В результате 4004 и 8008 вместе были даже меньше, чем TMC 1795. Инженеры Intel думали, что чип от TI был слишком большим и поэтому непрактичным, но на самом деле это было не так: очень успешный чип калькулятора TMS 0100, который появился немного позже, был даже больше, чем TMC 1795.

Учитывая все это, кому отдать пальму первенства в области микропроцессоров? Можно сказать, что микропроцессор – это не изобретение, а то, чего все так долго ждали. Оставалось только дождаться подходящей технологии и рыночного спроса. Этот подход мне нравится больше других.

Другая точка зрения может заключаться в том, что микропроцессор – это рекламный термин, необходимый Intel, TI и другим компаниям для продвижения своей продукции. Бун, не занимаясь ничем иным, как разработкой ПМК 1795, позже поставил в заслугу компании Intel ее решимость превратить микропроцессор в ценный продукт. В недатированном письме, связанном со спором о том, кому приписывать создание первого микропроцессора, он написал: “Ключом к развитию микропроцессоров стала политика Intel в 1972-75…. гг. Их инновации в области дизайна, программного обеспечения и рекламы породили эту индустрию или, по крайней мере, ускорили ее появление”.


АЛ-1

Честь создания первого микропроцессора также зависит от понимания этого термина. Некоторые считают, что микропроцессор – это центральный вычислительный блок на одном чипе. Другие утверждают, что достаточно иметь арифметическую логику на чипе. Некоторые считают, что достаточно разместить эти функции на отдельных микросхемах, и вместе они могут образовать микропроцессор.

Я считаю, что ключевые особенности микропроцессора – это процессор на одном кристалле (включая АЛУ, функции управления, регистры) и его программируемость. Но микропроцессор – это не весь компьютер. Чипы обычно нужны для памяти, ввода-вывода и других вспомогательных функций.

Используя это определение, большинство людей считают, что первым микропроцессором был Intel 4004, поскольку в нем все компоненты процессора располагались на одном кристалле. Бун и Федерико Фаггин из команды Intel 4004 согласны с тем, что 4004 опередил самый ранний TMX 1795 на несколько месяцев. Последняя представила первый 8-битный микропроцессор, а затем Intel 8008 стал первым коммерчески успешным 8-битным микропроцессором.

Но если взять менее строгое определение микропроцессора, то первыми могут быть и другие системы. Если вы думаете о микропроцессорном АЛУ на чипе, то первым будет Бизель, который создал первый чип в компании Fairchild в 1968 году, незадолго до своего ухода и основания Four-Phase Systems. AL1 от Four-Phase Systems также может быть кандидатом, поскольку он объединял регистры и АЛУ на одном кристалле, с внешними контурами управления. Если предположить, что микропроцессор может состоять из нескольких микросхем TLD, то первой будет Autonetics D200.

Когда речь идет о патентах, история несколько иная. ТИ быстро осознала жизнеспособность патентной системы. Они получили многочисленные патенты на TMX 1795 и TMS 0100 и часто использовали их в судебных процессах и в целях лицензирования.

Исходя из этого, TI можно считать изобретателем микропроцессора, а также микроконтроллера, одночиповой процессорной схемы, памяти и различных вспомогательных функций. Или нет. А все потому, что в 1990 году Гилберт Хайатт подал патент на однокристальный процессор, основанный на 16-битной последовательной вычислительной машине, которую он построил в 1969 году из биполярных интегральных схем. Это привело к заявлениям о первенстве Хаятта в изобретении микропроцессоров, но компания TI отменила его патент в 1996 году после сложной судебной борьбы.

Другим претендентом на кресло изобретателя может быть Бейзель. В 1995 году, во время судебного разбирательства, которое Гордон Белл позже назвал “TI против всех”, Бойсел отбил патенты TI с помощью единственного чипа AL1 ALU 1969 года, продемонстрировав суду работающий компьютер. Этот ход торпедировал дело TI, хотя лично мне его демонстрация не показалась очень убедительной, поскольку она содержала несколько технических уловок.

Независимо от того, какое изобретение мы считаем первым микропроцессором, можно согласиться, что недостатка в конкурентах на это звание не было. К сожалению, большинство людей хотят найти одного победителя, в то время как о других претендентах почти забывают. Но для тех, кто интересуется происхождением микропроцессоров, их богатая история будет жить и дальше.

 

Читайте далее:
Сохранить статью?