История развития микропроцессоров кратко. История микропроцессоров

19.07.2019

Windows 7

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИЇ

Современные решения в сфере автоматизации, роботизации и электропривода невозможно представить без использования микропроцессорных средств и систем. Весомый вклад в развитие полупроводниковой микросхемотехники внесла известная американская компания Intel, основанная в 1968 году. Это было время появления новых технологий, благодаря которым появилась возможность создавать миниатюрные полупроводниковые устройства – микросхемы. Их применение открывало новые перспективы во всех областях техники, в т. ч. и в автоматизации. Начиналась эра цифровой машинной обработки информации. Первый компьютер ENIAC, созданный в 1946 году, весил около 30 т и занимал большое помещение. В 1968 году в мире насчитывалось уже 30 тыс. компьютеров. Это были преимущественно большие универсальные ЭВМ (электронные вычислительные машины) и «мини-компьютеры» размером со шкаф. Неприятной особенностью этих ЭВМ были частые аварийные ситуации из-за перегрева ламп и большого числа разъемов. Поэтому появление интегральной электроники было обусловлено объективными причинами.

Рис. 1. Первый электронный цифровой компьютер общего назначения ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer))

Основателями фирмы Intel были талантливые ученые и изобретатели Роберт Нойс, Гордон Мур и Эндрю Гроув. Именно Роберт Нойс в 1959 году изобрел интегральную микросхему. В середине 60 х годов Нойс работал менеджером американской компании Fairchild Semiconductor, известной своими разработками в сфере электронных технологий. Гордон Мур возглавлял научные исследования и конструкторские разработки в Fairchild Semiconductor, был одним из восьми основателей Fairchild. Энди Гроув, уроженец Венгрии, был специалистом по разработке технологических процессов. Он пришел в компанию Fairchild Semiconductor после того, как получил в университете Беркли степень доктора наук в области химических технологий.

В конце 60 х много талантливых инженеров увольнялись из Fairchild Semiconductor и создавали собственные фирмы. Роберт Нойс и Гордон Мур основали Intel и стали ее первыми сотрудниками. Со временем к ним присоединился и Энди Гроув. Стартовый капитал (2,5 млн. долларов) фирме предоставил финансист из Сан-Франциско Артур Рок.

Фирма Intel специализировалась на производстве полупроводниковых запоминающих устройств. Первым серийным устройством была микросхема «3101» 64 разрядной Шоттки-биполярной статической оперативной памяти. Особенное же место, которое заняла Intel в мире электроники, связано с другими устройствами – микропроцессорами. Именно они стали технической базой нынешней компьютерной научно-технической революции.

Толчком к созданию микропроцессора оказался контракт с японской фирмой Busicom, специализировавшейся на выпуске калькуляторов. Busicom заказала Intel разработку двенадцати специализированных микросхем, однако для выполнения такого крупного заказа Intel не имела достаточно человеческих, финансовых и производственных ресурсов. Тогда талантливый инженер Тед Хофф предложил вместо двенадцати специализированных микросхем создать одну универсальную, которая сможет их заменить. Р. Нойс и Г. Мур оценили утонченность предложенного Т. Хоффом решения. Идея удовлетворила и компанию Busicom, которая финансировала работу. Таким образом, Intel начала разработку универсальной микросхемы, которую можно запрограммировать на выполнение тех или иных команд. Впервые отпала необходимость в аппаратной реализации алгоритма работы устройства: все операции по обработке числовых данных теперь велись в соответствии с определенной программой, что обещало экономию средств и времени. Над реализацией задуманного Т. Хоффом работала группа инженеров и конструкторов Intel, которую возглавлял Федерико Феджин. Через 9 месяцев напряженного труда появился первый в мире микропроцессор «4004». Он насчитывал 2300 полупроводниковых транзисторов, но спокойно умещался на ладони. В производительности же новый процессор не уступал компьютеру ENIAC, занимавшему 85 кубических метров и состоявшему из 18000 вакуумных ламп. Тед Хофф разработал архитектуру первого процессора, Стен Мейзор – систему его команд, а Федерико Феджин спроектировал кристалл процессора.

Оценив преимущества использования микропроцессоров, руководство Intel пошло на переговоры с компанией Busicom, вследствие которых Intel приобрела все права на процессор «4004» за 60 тысяч долларов (следует отметить, что вскоре Busicom обанкротилась). После этого началась широкая рекламная компания, целью которой было донести инженерному сообществу большой потенциал программируемых устройств в разных сферах – от управления дорожным движением до автоматизации сложных производственных процессов. Intel проводила семинары для инженеров, публиковала рекламные материалы и справочные пособия по использованию микропроцессоров. В некоторые недели фирма продавала больше справочной документации, чем самих микропроцессоров. Через определенное время они получили очень широкое распространение.

Таким образом, микросхема «4004» стала первым микропроцессором. Приблизительно через полгода о появлении подобных устройств объявили еще несколько фирм. Эти микропроцессоры, исполненные по р-МОП технологии, были четырехразрядными, т. е. за один раз могли обрабатывать только 4 бита информации. Длина программы и набор команд были ограничены, первые процессоры не имели многих функций, обязательных для современных микропроцессоров. В 1972 году фирма Intel выпустила процессор «8008», который унаследовал основные черты «4004». Это был первый 8 разрядный процессор, который сегодня относят к процессорам первого поколения. Он уже имел аккумулятор, шесть регистров общего назначения, указатель стека, восемь регистров адреса и специальные команды для ввода/вывода данных, но и этот процессор не стал широкоупотребительным в коммерческих разработках.

В конце 1973 года фирмой Intel разрабатывается новый 8-разрядный микропроцессор «8080». Его архитектура и система команд оказались настолько удачными, что и сегодня он считается классическим.

Широкое применение микропроцессоров в технике началось именно с появлением чипа «8080», который принадлежал к процессорам третьего поколения, но был не единственным удачным 8 разрядным процессором. Спустя полгода появился микропроцессор «6800» американской фирмы Motorola, который составил жесткую конкуренцию интеловскому процессору. Как и «8080», микропроцессор «6800» был выполнен по n МОП технологии, требовал наличия отдельного тактового генератора, имел трехшинную структуру с 16 разрядной шиной адреса, хорошо развитую архитектуру и систему команд. Его главными преимуществами были более мощная, чем у «8080» система прерываний и одно (а не три, как у «8080») напряжение питания. Принципы внутренней архитектуры «6800» также значительно отличались от «8080» прежде всего отсутствием регистров общего назначения, в которых, в зависимости от поставленных задач, могла сохраняться как адресная информация, так и числовые данные. Вместо них в состав процессора добавился второй равноценный аккумулятор для обработки данных и специализированные 16 разрядные регистры, где хранилась только адресная информация. Данные для обработки выбирались из внешней памяти и туда же возвращались после обработки. Команды работы с памятью были проще и короче, но пересылка байта в память занимала больше времени, чем обмен между внутренними регистрами «8080». Архитектура ни одного из двух упомянутых процессоров не имела существенных преимуществ, и каждый из них стал родоначальником двух больших семейств микропроцессоров – Intel и Motorola, представители которых конкурируют по сей день.

В 1978 году на фирме Intel был изготовлен первый 16 разрядный микропроцессор «8086», использованный компанией International Business Machines (IBM) для создания персональных компьютеров, а 16 разрядный чип «68000» фирмы Motorola был применен в известных компьютерах Atari и Apple. Что касается «домашних» компьютеров, то они широко распространились с появлением модели ZX Spectrum (на базе процессора «Z80») английской фирмы Sinclair Research Ltd, основателем которой был талантливый инженер сэр Клайв Синклер. Идея применить телевизор вместо дорогого монитора и бытовой магнитофон для хранения программ и данных значительно удешевила домашний компьютер и сделала его доступным для среднего покупателя.

	Intel 4004 – 4-битный микропроцессор, разработанный корпорацией Intel и выпущенный 15 октября 1971 года. Эта микросхема считается первым в мире коммерчески доступным однокристальним микропроцессором.
	Intel 8080 – 8-битный микропроцессор, выпущенный в 1974 году. Обеспечивал десятикратный прирост вычислительной производительности в сравнении с предыдущим процессором. Это устройство, благодаря которому инженерное сообщество восприняло идею микропроцессоров. Этот чип спровоцировал бум персональных компьютеров.
	Intel 8048 – первый в мире микроконтроллер, был выпущен в конце 70 х годов. Это устройство получило широкое распространение благодаря использованию его в клавиатурах персональных компьютеров и в игровых приставках
	Intel 8051 – микроконтроллер второго поколения, был выпущен в 1980 году. Благодаря удачной архитектуре и системе команд стал фактически промышленным стандартом. Выпускается до сих пор известными корпорациями Америки, Кореи та Японии.
	Современный многоядерный процессор Вычислительная производительность современных микропроцессоров по результатам разных тестов приблизительно в десятки тысяч раз превышает производительность первого процессора.

Рис. 2. Линейка ключевых моделей микропроцессоров и микроконтроллеров

Через год после создания микропроцессора «8080» несколько инженеров Intel перешли в фирму Zilog и начали работать над созданием нового процессора, опираясь на свои предыдущие разработки. Вследствие этого в 1977 году появился микропроцессор «Z80», который стал лучшим представителем 8-разрядных процессоров. В сравнении с «8080» он требовал только одного напряжения питания, имел более мощную и гибкую систему прерываний, втрое более высокую тактовую частоту, два аккумулятора и двойной набор регистров общего назначения. Система команд «Z80» вмещала все 78 команд микропроцессора «8080» и почти такое же число дополнительных команд, поэтому программы, созданные для «8080», без каких либо изменений переносились на «Z80».

Позднее (середина 70-х) возникла еще одна тенденция в развитии микропроцессоров, имеющая непосредственное отношение к автоматизации и появлению процессоров для встраиваемых решений. Начало ей положил процессор «8085» фирмы Intel. Сначала он задумывался как продолжение чипа «8080», но через некоторое время появился «Z80» и новый микропроцессор «6809» фирмы Motorola. Оба они значительно превосходили «8085» в производительности, что побудило Intel взяться за разработку первого 16- разрядного микропроцессора «8086», но с разработкой периферийных микросхем «8156» и «8755» процессор «8085» получил новые перспективы. Первая микросхема содержала статическое ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) объемом 256 байт, два 8 разрядных, побитно настраиваемых на ввод/вывод порта и программируемый таймер-счетчик. В состав второй входили три многоразрядных порта ввода/вывода и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) емкостью 2 Кбайта с ультрафиолетовым стиранием. Объединив соответствующим образом выводы этих трех микросхем, разработчики электронной аппаратуры получали функционально завершенный модуль – микроконтроллер, который можно встроить в любой прибор: вольтметр, частотомер, в разного рода усилительные устройства или преобразователи. Несколько фирм выпустили экономичные по питанию k МОП версии этого семейства. Это дало возможность создавать микропроцессорные приборы с автономным батарейным питанием. Наконец, в конце 70 х годов Intel «объединила» эти три микросхемы в один чип и создала однокристальную микро ЭВМ (микроконтроллер) «8048», в состав которой вошли ОЗУ и ПЗУ, арифметико-логическое устройство, встроенный тактовый генератор, таймер-счетчик, порты ввода/вывода. Далее были разработаны подобные сорок восьмому микроконтроллеры «8035» и «8748». Система команд однокристальных микроконтроллеров была значительно слабее, чем у процессора «8085», объем ОЗУ и ПЗУ, количество портов ввода/вывода также было меньшим, чем у выше упомянутого трехкорпусного модуля, но все это размещалось в одном чипе, что значительно упрощало разработку и производство новых устройств на базе однокристальных микро ЭВМ. Идея создания универсальных аппаратных средств с программной настройкой на конкретные задачи, которая стала толчком к появлению микропроцессоров, получила наивысшую степень реализации именно в однокристальных микроконтроллерах.

В начале 80 х годов Intel выпустила более мощный микроконтроллер «8051, а вскоре – и его модификации «8031» и «8751». Ядро микро ЭВМ этой серии стало классическим для микроконтроллеров. С точки зрения технологии микроконтроллер «8051» был для своего времени очень сложным устройством MCS 51 – безусловный лидер по числу разновидностей и компаний, выпускающих его модификации. На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров MCS 51, которые выпускаются почти 20 ведущими фирмами-производителями электронных компонентов (Atmel, Infineon Technologies, Philips, Hyundai, Dallas Semiconductor, Temic, TDK, Oki, AMD, MHS, LG, Winbond, Silicon Labs, и др.). Получили свою нишу также и микроконтроллеры оригинальной архитектуры фирм Motorola, Zilog, Analog Devices, Microchip, Scenix, Holtec.

	Боб Нойс (Bob Noyce) Известен своими новаторскими взглядами на пути развития полупроводниковых технологий. Именно Роберт Нойс в 1959 году изобрел интегральную микросхему. В середине 60 х Нойс был менеджером влиятельной фирмы Fairchild Semiconductor. В дальнейшем – один из основателей фирмы Intel.
	Гордон Мур (Gordon Moore) Талантливый и трудолюбивый инженер, пользовавшийся большим авторитетом среди коллег. Один из основателей фирмы Intel. «Мы – настоящие революционеры. Ведь эти новейшие до-стижения электроники изменяют мир значительно быстрее, чем всякие политические события».
	Енді Гроув (Andy Grove) Энергичный и предприимчивый Эндрю Гроув работал в фирме Fairchild Semiconductor специалистом по разработке технологических процессов. Гроув пришел в Fairchild после того, как получил в университете Беркли ученую степень доктора в области химических технологий. Один из основателей Intel.
	Тед Хофф (Ted Hoff) Тедди Хофф – один из изобретателей микропроцессора. Именно он предложил концепцию универсальной микро-схемы и разработал архитектуру первого процессора. «Больше всего лично мне импонирует то, что, благодаря микропроцессорам, компьютеры стали массовым доступ-ным продуктом».

Рис. 3. Выдающиеся ученые-изобретатели, революционеры в области микроэлектроники

Создание микропроцессора признано одним из выдающихся достижений ХХ века. Ежегодно в мире продаются сотни миллионов микропроцессоров и миллиарды микроконтроллеров. По данным журнала «мир компьютерной автоматизации», средний американец на протяжении дня около 300 раз (!) имеет дело с микроконтроллерами, встроенными буквально повсюду – от стиральных машин, лифтов и телефонов до светофоров, автомобилей и промышленных станков.

Журнал «Обзор состояния дел в полупроводниковой промышленности и торговле» («Semiconductor Industry and Business Survey») считает: если бы автомобилестроение и авиационная промышленность развивались такими же темпами, как производство полупроводников на протяжении 30 лет, то автомобиль «Роллс-ройс» стоил бы 2 доллара 75 центов и, используя всего лишь один литр бензина, мог бы проехать почти полторы тысячи километров, а самолет «Боинг 767» стоил бы 500 долларов и мог бы облететь вокруг земного шара за 20 минут, истратив лишь канистру керосина. В 1996 году имена создателей микропроцессора доктора Тедда Хоффа, доктора Федерико Феджина и Стена Мейзора были занесены в Национальный зал славы изобретателей США (г. Эйкрон, Огайо) и встали в ряд с именами Томаса Эдисона, братьев Райт и Александра Белла.

Еще одно направление развития микропроцессорных систем зародилось в 1969 году, что было обусловлено необходимостью замены на промышленных предприятиях сложных, громоздких и ненадежных релейно-контакторных схем автоматического управления. Именно в этом году компания General Motors подготовила тендерный запрос на разработку универсального микропроцессорного устройства для нужд промышленного производства.

Тендер виграла компания Bedford Associates из штата Массачусетс, которую на то время возглавлял Ричард Морли. Они разработали микропроцессорное устройство (контроллер), которое позволяло коммутировать присоединенные к нему сигнальные провода в разных комбинациях. Эти комбинации задавались программой управления, которая составлялась на компьютере, а потом загружалась в память контроллера. Таким образом, с помощью одного микропроцессорного устройства с загруженной в него программой стало возможно реализовать систему управления, для разработки которой ранее приходилось коммутировать десятки или даже сотни разнообразных электромеханических компонентов, таких как реле, таймеры, счетчики, регуляторы и т. п. При этом один и тот же контроллер можно было бы использовать для управления разнообразными машинами и механизмами только лишь изменяя загруженную в него программу. Так в мире появился первый программируемый логический контроллер (ПЛК), который компания Bedford Associates окрестила «Проектом 084».

Компания стала развивать производство промышленных контроллеров и позднее была переименована в «Modicon» (сокращение от «Modular Digital Controller», т. е. модульный цифровой контроллер). В 1977 году бренд “Modicon” был продан компании Gold Electronics, позднее его выкупила известная немецкая фирма “AEG”. В итоге, бренд «Modicon» перешел в собственность французской компании “Schneider Electric ”, которая владеет им до сего дня. Следует отметить, что «Schneider Electric» является одним из мировых лидеров в сфере разработки, производства и внедрения технических средств электроснабжения, электропривода и автоматизации.

В тендере по заявке General Motors также принимала участие еще одна фирма, которая и сейчас занимает высокие позиции среди лидеров производителей компонентов для автоматизации. Речь идет про Allen Bradley. Хотя фирма и проиграла тендер, работы в этом направлении выполнялись дальше. Руководство Allen Bradley приобрело контрольные пакеты акций компании Information Instruments и корпорации Bunker-Ramo, которые на то время уже разработали контроллер «PDQ II» (сокращение от «Program Data Quantizer», программный модулятор данных). Эта модель контроллера оказалась слишком громоздкой и сложной в программировании. Однако Allen Bradley проявила настойчивость и в 1970 году на базе «PDQ II» был разработан контроллер «PMC» («Programmable Matrix Controller», или программируемый матричный контроллер). Однако и эта модель не слишком соответствовала требованиям заказчиков для управления технологическими агрегатами. После доработки на свет появилась модель, названная PLC 1 («Programmable Logic Controller», программируемый логический контроллер). Именно это название и аббревиатура PLC утвердились в сфере автоматизации и используются специалистами для обозначения такого класса устройств.


а)	б)

В середине 70 х годов прошлого века рынок программируемых логических контроллеров начал стремительно расти и у Modicon и Allen Bradley появился ряд конкурентов, среди которых следует отметить General Electric, Siemens, Square D, Industrial Solid State Controls, и др.

Значительным шагом к упрощению применения программируемых логических контроллеров стало введение международного стандарта IEC 61131 3, который декларирует языки программирования для ПЛК. Благодаря этому инженер любого профиля (технолог, электрик, химик, и т. п.) может с легкостью создавать программы для управления технологическими установками даже без знания тонкостей программирования. Также обозначенные языки универсальны для ПЛК разных производителей.

Сейчас, даже более мене продвинутые мобильные телефоны не обходятся без микропроцессора, что уже говорить о планшетных , переносных и настольных персональных компьютерах. Что же такое микропроцессор и как развивалась история его создания? Если говорить на понятном языке, то микропроцессор – это более сложная и многофункциональная интегральная схема .

История микросхемы (интегральной схемы) начинается с 1958 года , когда сотрудник американской фирмы Texas Instruments Джек Килби изобрел некое полупроводниковое устройство, содержащее в одном корпусе несколько транзисторов, соединенных между собой проводниками . Первая микросхема – прародительница микропроцессора – содержала всего лишь 6 транзисторов и представляла собой тонкую пластину из германия с нанесёнными на неё дорожками, выполненными из золота, Расположено всё это было на стеклянной подложке. Для сравнения, сегодня счет идет на единицы и даже десятки миллионов полупроводниковых элементов .

К 1970 году достаточно много производителей занимались разработкой и созданием интегральных схем различной емкости и разной функциональной направленности. Но именно этот год можно считать датой рождения первого микропроцессора. Именно в этом году фирма Intel создает микросхему памяти емкостью всего лишь 1 Кбит – ничтожно мало для современных процессоров, но невероятно велико для того времени. На то время это было огромнейшее достижение – микросхема памяти способна была хранить до 128 байт информации – намного выше подобных аналогов. Кроме этого примерно в тоже время японский производитель калькуляторов Busicom заказала той же Intel 12 микросхем различной функциональной направленности. Специалистам Intel удалось реализовать все 12 функциональных направленностей в одной микросхеме. Более того, созданная микросхема оказалась многофункциональной, поскольку позволяла программно менять свои функции, не меняя при этом физической структуры. Микросхема выполняла определенные функции в зависимости от подаваемых на ее управляющие выводы команд.

Уже через год в 1971 Intel выпускает первый 4-разрядный микропроцессор под кодовым именем 4004. По сравнению с первой микросхемой в 6 транзисторов, он содержал аж 2,3 тыс. полупроводниковых элементов и выполнял 60 тыс. операций в секунду. На то время – это был огромнейший прорыв в области микроэлектроники . 4-разрядный означало то, что 4004 мог обрабатывать сразу 4-х битные данные. Еще через два года в 1973 фирма выпускает 8-ми разрядный процессор 8008, который работал уже с 8-ми битными данными. Начиная с 1976 года , компания начинает разрабатывать уже 16-разрадную версию микропроцессора 8086. Именно он начал применятся в первых персональных компьютерах IBM и, по сути заложил один из кирпичиков в

Без современной электроники жизнь человека уже сложно представить. Конечно, существует немало мест, где о современных технологиях до сих пор и не слышали, не то, чтобы пользоваться. Но все же подавляющая часть населения Земли так или иначе связана с электроникой, ставшей неотъемлемой частью нашего быта и работы.

Человек издревле использовал различные приспособления для того, чтобы сделать какие-то производственные процессы более эффективными или же сделать более комфортным свое собственное существование. Настоящий прорыв случился в конце 40-х годов 20-го века, когда были изобретены транзисторы. Первыми были биполярные транзисторы , используемые до сих пор. За ними последовали МОП-транзисторы (металл-оксидид-полупроводниковые).

Первые транзисторы такого типа были более дорогими и менее надежными, чем их биполярные «родственники». Но, начиная с 1964 года, в электронике стали использовать интегральные микросхемы, основой которых как раз и стали МОП-транзисторы. Это впоследствии позволило снизить стоимость производства электронных устройств и значительно снизить размеры гаджетов и систем с одновременным снижением энергопотребления. С течением времени микросхемы становились все более сложными и совершенными, заменяя собой крупные блоки транзисторов, что открыло возможность уменьшать размеры электронных устройств.

К концу 60-х годов стали распространяться микросхемы с довольно большим числом логических вентилей (большим для того времени): 100 и больше. Это позволило использовать новые элементы для создания компьютеров. Разработчики электронных вычислительных машин относительно быстро признали, что увеличение плотности размещения транзисторов в микросхеме позволит, в конце концов, создать компьютерный процессор в виде одного-единственного чипа. Изначально интегральные микросхемы с МОП-транзисторами использовались для создания терминалов, калькуляторов, их стали применять разработчики бортовых систем пассажирского и военного транспорта.

Ключевой момент

Сегодня большинство специалистов электронщиков признают, что старт качественно нового этапа развития электроники начался в 1971 году, когда появился 4-х битный процессор 4004 от Intel, впоследствии замененный 8-битным чипом 8008. Он появился после того, как небольших размеров японская компания с названием Nippon Calculating Machine, Ltd. (впоследствии Busicom Corp.) заказала всего 12 микросхем у Intel. Компании эти микросхемы были нужны для своих калькуляторов, а логический дизайн чипов был разработан сотрудником компании-заказчика). В то время для каждого устройства разрабатывался новый набор микросхем, выполнявших узкоспециализированные функции.

При выполнении заказа Маршиан Эдвард Хофф предложил снизить число микросхем для нового устройства японской компании, введя использование центрального процессора. Именно он, по задумке инженера, должен был стать центром обработки данных и выполнения арифметических и логических функций. Процессор должен был заменить собой сразу несколько микросхем. Руководства обеих компаний одобрили эту идею. Осенью 1969 года Хофф при помощи Стэнли Мэйзора предложил новую архитектуру микросхем, число которых было сокращено всего до 4. Часть предложенных элементов - 4-х разрядный центральный процессор, ПЗУ и ОЗУ.

Сам процессор смог разработать Федерико Фаджин, физик из Италии, который стал главным проектировщиком семьи MCS-4 в Intel. Именно он, благодаря знанию технологии МОП смог создать процессор, реализовав идею Хоффа. Кстати, первая в мире коммерческая микросхема, где использовалась технология кремниевых затворов, была разработана тоже им. Она носила название Fairchild 3708.

Фаджин, будучи сотрудником Intel, смог создать новый метод проектирования систем произвольной логики. Ему в его работе помогал Масатоси Сима, работавший в то время инженером в Busicom. Фаджин и Сима разработали впоследствии микропроцессор Zilog Z80 , который, кстати, производится и сейчас.

Архитектура процессора Intel 4004

Но главное случилось 15 ноября 1971 года. Это дата появления первого микропроцессора от Intel, чипа 4004 . Его стоимость на то время составила 200 долларов. Всего на одном кристалле были реализованы практически все функции процессора большой ЭВМ. Его анонсировали в ноябре 1971 года в журнале Electronic News.

Характеристики процессора:

Дата появления: 15 ноября 1971 года
Количество транзисторов: 2300
Площадь кристалла: 12 мм²
Техпроцесс: 10 мкм (P-channel silicon pie MOS technology)
Тактовая частота: 740 кГц (конкретно от 500 до 740,740… кГц, так как clock period 2..1,35мкс (или 92,6кГц?)
Разрядность регистров: 4 бит
Количество регистров: 16 (16 четырёхбитных могут быть использованы как 8 восьмибитных)
Количество портов: 16 четырёхбитных входных и 16 четырёхбитных выходных
Разрядность шины данных: 4 бита
Разрядность шины адреса: 12 бит
Гарвардская архитектура
Стек: внутренний 3-уровневый
Память команд (ПЗУ/ROM): 4 килобайта (32768 бит)
Объём адресуемой памяти (ОЗУ/RAM): 640 байт (5120 бит)
Количество инструкций: 46 (из которых 41 - 8-разрядные и 5 - 16-разрядные)
Цикл инструкций: 10,8 микросекунд
Напряжение питания: −15 В (pMOS)
Рабочая температура: от 0 до +70C
Условия хранения и эксплуатации: от -40 до +85C
Разъём: DIP16 (микросхема непосредственно впаивалась в печатную плату либо устанавливалась в специальный слот)
Корпус: 16-контактный DIP (1 вид пластиковый или 3 вида керамического, например, C4004(белая керамика с серыми полосками), С4004(белая керамика), D4004 (черно-серая керамика), P4004 (чёрный пластик))
Тип поставки: отдельно и в комплектах MCS-4 (ROM, RAM, I/O, CPU)

В секунду этот процессор выполнял от 60 000 до 93 000 инструкций. В то же время, один из первых электронных компьютеров, ЭНИАК , мог выполнять лишь 5000 инструкций в секунду. При этом ЭНИАК занимал 280 квадратных метров, весил 27 тонн и потреблял 174 кВт энергии.

4004 процессор не стал слишком популярным. Повсеместно стал использоваться 8080-й чип, который можно назвать «правнуком» 4004-го.

Калькуляторы и компьютеры

В 1971 году у компании Intel были конкуренты. Например, Mostek, компания, разрабатывавшая полупроводниковые элементы и устройства на их основе, создала первый в мире «калькулятор на чипе», MK6010 .

В июне 1971 года компания Texas Instruments запустила медиакампанию, посвященную преимуществам ее процессора. В то время Datapoint 2200 на основе TMX 1795 описывался, как «мощный компьютер, превосходящий оригинальный вариант», где имелось в виду, что возможности Datapoint 2200 на основе TMX 1795 значительно превосходили возможности Datapoint 2200 на основе биполярных транзисторов. Но СТС, после проверки работы нового чипа, отвергла его, продолжив использовать биполярные чипы. Intel все еще работала над собственным процессором.

Спустя некоторое время TI, убедившись в отсутствии спроса на TMХ 1795 (впоследствии - TMC 1795), завершила медиакампанию и прекратила производство системы. Но в историю вошел именно этот чип в качестве первого 8-битного процессора.

В 1971 году СТС потеряла интерес к единому процессору для своих систем, передав все права на новый чип Intel. Компания не стала отказываться от этой возможности, и продолжила разработку 8008 чипа , успешно предложив его ряду других компаний. В апреле 1972 года ей удалось поставить сотни тысяч таких процессоров. Два года спустя 8008 процессор был заменен на новый 8080, после чего пришел 8086 и началась эра систем на x86 архитектуре. Сейчас, работая на мощном ПК или ноутбуке, стоит помнить, что архитектура такой системы была разработана много лет назад для программируемого терминала Datapoint 2200.

Intel тогда использовала более совершенную технологию, которая и обеспечила преимущество ее процессоров. Они были быстрыми и относительно экономными в плане потребления энергии. Плюс ко всему, в микросхемах Intel плотность размещения транзисторов была выше, чем в чипе TI, что позволило снизить размеры процессоров. Плюс ко всему, важную роль играл и маркетинг, в этой сфере Intel тоже сделала ряд удачных шагов, что обеспечило известность разработок компании.

Как бы там ни было, ситуация с первенством в разработке первых процессоров далеко не так однозначна, как принято считать. Здесь было сразу несколько первопроходцев, но популярной в последствии стала разработка только одного из них. Собственно, с модернизированными «потомками» этой технологии, мы все имеем дело сегодня, в 21-м веке.

Теги: Добавить метки

Прошли те времена, когда актуальный и ретроспективный обзор существующих процессоров на рынке был плевым делом. Сегодня, задавшись целью рассмотреть все результаты деятельности чипмейкеров, приходится взваливать на свои плечи практически непосильный труд. Я долго откладывал данную статью, хотя с периодичностью несколько раз в месяц приходят письма о востребованности подобного материала. Что ж, попробую описать не только все (!!!) современные процессоры, но и построить их полное «генеалогическое древо».

Часть I. Как все начиналось…

По большому счету историю процессоров надо начинать с тех «лохматых времен», когда электротехника еще была наукой эмпирической. Да-да, можно сказать, что современными процессорами мы обязаны и препарированным лягушкам Гальвани, и воздушным змеям Франклина, и когорте славных и немного безбашенных теоретиков и практиков от Ампера до Яблочкова. Благодаря им электротехника стала точной наукой, породив из себя радиотехнику, та в свою очередь дала начало электронике, откуда и вышла, наконец, микроэлектроника. В генеалогическом древе всех современных процессоров должно найтись место и примитивным формам жизни, как, например, лейденская банка или детекторный диод, тупиковым ветвям типа электронных ламп, этим неандертальцам электронного мира. И, разумеется, первому полупроводниковому транзистору и первой интегральной микросхеме.

Идея объединить несколько дискретных элементов в единую схему пришла в 1958 году в голову сразу двум великим инженерам. Одного из них звали Роберт Нойс и он работал директором фирмы Fairchild Semiconductors. Независимо от него Джек Килби из Texas Instruments также придумал нечто, названное интегральной схемой (или микросхемой, или чипом, как чаще их называют сегодня).

А в 1961 году компанией Fairchild Semiconductor Corporation было начато массовое производство микросхем.

Первые микропроцессоры Intel

i4004

До 1971 года микросхемы выполняли узкоспециальные, раз и навсегда «зашитые» в них функции, пока молодая компания Intel, взявшись за исполнение заказа японской компании Busicom, не столкнулась с серьезными трудностями. Заказчику требовалось 12 различных микросхем для одной из моделей программируемого калькулятора, а ресурсы Intel не позволяли освоить подобный масштабный заказ. Идея, пришедшая в голову одному из сотрудников Intel, Тедду Хоффу, блестяще решила эту проблему и положила начало всей микропроцессорной индустрии. Мысль, что и говорить, была просто шикарная – создать универсальную схему, которая могла бы выполнять арифметические и логические функции сразу нескольких микросхем.

Вначале был F-14 CADC…

Если верить некоторым источникам, творцами первого микропроцессора были вовсе не инженеры фирмы Intel, а два американских инженера Рэй Холт и Стив Геллер. Еще в 1968 году они якобы создали 20-разрядный чип SLF (Special Logic Function), который содержал арифметическое вычислительное устройство (ALU), декодер инструкций и поддерживал управляемую логику.

Работы над чипом были строго засекречены, что не удивляет, поскольку он разрабатывался для нужд военной промышленности. Точнее, чип SLF был основой бортового компьютера CADC (Central Air Data Computer) и предназначался для использования в принципиально новом для того времени истребителе F-14 с изменяемой геометрией крыла.

Для нужд бравых американских летчиков требовался не абы какой чип, а поддерживающий слова длиной как минимум 20 разрядов, сопрягавшийся с аналоговой и цифровой аппаратурой, умеющий решать задачи в масштабе реального времени и вдобавок оптимизированный для одновременного выполнения нескольких интенсивных вычислительных процессов (так, в F-14 из-за больших объемов вычислений использовалось одновременно три (!) синхронно работающих микропроцессора SLF). Чип якобы также обладал специально разработанным для него математическим сопроцессором.

Как также сообщается, по окончании работ над CADC Рэй Холт устроился в компанию AMI, которая в 1972 году сочла, что у микропроцессоров нет будущего, и закрыла это направление.

А рассекречены данные по F-14 CADC были только в 1998 году.

Доверять подобной информации? Я не решаюсь…

Так 15 ноября 1971 года на свет появился первый в мире микропроцессор - четырехразрядное детище фирмы Intel i4004.

Чип представлял собой 4-разрядный процессор с классической Гарвардской архитектурой. Микропроцессор i4004 насчитывал 2300 транзисторов, изготавливался по технологии 10 мкм, работал на тактовой частоте 108кГц и был упакован в пластмассовый или металлокерамический DIP-корпус с 16 выводами. Напряжение питания составляло 15В.

Микропроцессор имел трехуровневый адресный стек, блок из 16-ти 4-битных регистров общего назначения (РОН), 4-разрядное параллельное АЛУ, аккумулятор, регистр команд с дешифратором команд и схемой управления, а также схему связи с внешними устройствами. Все функциональные узлы объединялись между собой 4-разрядной шиной данных. Память команд составляла 4 Кбайт. При этом чип мог адресовать до 640 байт памяти.

Набор инструкций i4004 по нашим меркам негуст - всего 46 инструкций (41 - 8-разрядные, 5 - 16-разрядные)

Как видим, i4004 обладал всеми функциями центрального процессора и мог быть с успехом применен для создания действующих компьютеров. Тем не менее, он не нашел себе применения в компьютерной индустрии – его вычислительной мощности с избытком хватало для превосходства над компьютерами 50-х годов, но на дворе было начало семидесятых – мощности ЭВМ были совсем иными. Применялся же микропроцессор в основном в калькуляторах, для управления бытовой электроникой и промышленным оборудованием.

Кстати, микропроцессор i4004 поставлялся и работал в комплекте со вспомогательными микросхемами (i4001 (ROM), i4002 (RAM), i4003 (расширитель ввода-вывода), i4008 (фиксатор адреса) и i4009 (преобразователь доступа ввода-вывода)). Семейство i400x было фактически первым чипсетом и получило специальное название MCS-4.

Хотя сама идея показала себя весьма многообещающей, чипсет MCS-4 так и не стал хитом продаж.

i4040

В начале 1972 года корпорация Intel выпустила более продвинутую модель – i4040. Конструктивно i4040 стал вдвое шире и обзавелся 24-ми ножками. По сравнению с предшественником, некоторые его параметры были улучшены. Набор инструкций был расширен до 60 команд, ПЗУ увеличилось вдвое, стек стал восьмиуровневым, а количество регистров возросло до 24. Но главным нововведением в процессоре стала поддержка прерываний, без которых не обходится практически ни один компьютер современности. Набор вспомогательных микросхем, получивший наименование MSC-40, также был расширен до 9 чипов.

Как и i4004, i4040 использовался не в компьютерной технике, а в управлении оборудованием, игрушках и т.д.

i8008

1 апреля 1972 г. Intel выпускает 8-битную версию процессора i4004, назвав его, не мудрствуя лукаво, i8008. Точно так же и набор микросхем получил название MSC-8.

В отличие от своих четырехбитных предшественников, новый микропроцессор имел архитектуру ЭВМ принстонского типа. Он допускал применение в качестве памяти комбинации ПЗУ и ОЗУ. Переход на одношинную архитектуру не привел к какому-либо снижению производительности. i8008 работал приблизительно в два с половиной раза быстрее, чем i4004, в первую очередь за счет увеличения вдвое разрядности чипа, поднятия рабочей частоты до 500 кГц и уменьшения почти в два раза длительности машинного цикла.

Некоторые ключевые характеристики также были улучшены: количество инструкций было расширено до 65, адресуемая память увеличилась до 16 кБ, не разделяясь более на память команд и данных, появилась возможность адресовать 8 портов ввода и 24 порта вывода. Чудо инженерной мысли содержало 3500 транзисторов и было упаковано в 18-контактный керамический DIP-корпус.

Такой процессор уже мог составить серьезную конкуренцию обычной в то время элементной базе во многих секторах рынка, включая контрольно-измерительное оборудование и системы управления технологическими процессами. Однако i8008, как и i4004/i4040 вынужден был общаться с внешними устройствами через узкий интерфейс, что влекло за собой шифрацию сигналов, а значит, и большое количество вспомогательных чипов. В среднем требовалось до двух десятков микросхем для сопряжения процессора с памятью и устройствами ввода/вывода.

Вскоре увидел свет модернизированный вариант данного процессора, i8008-1. Частота модифицированного чипа была увеличена до 800 кГц, что способствовало его активному использованию в различных областях торговли, промышленности, медицины. Также чип нашел применение и в военной электронике.

Однако, несмотря на непрекращающуюся агитацию фирмы Intel, в первые годы продвижения микропроцессоров на рынок они никак не приживались в компьютерах – ЭВМ тех лет по-прежнему были большими.

И вот, наконец, в 1974 г. на базе микропроцессора i8008 появились сразу два персональных компьютера – Mark-8 и Scelbi-8N. Mark-8 считается первым в мире промышленно производимым персональным компьютером – по сегодняшним меркам, весьма тяжёлым в сборке, использовании и обслуживании.

Конкуренты Intel

Intel недолго была одинока – начиная с 1972 года еще несколько фирм-производителей выпустили свои процессоры. Необходимо отметить, что в те времена еще не существовало наработанных решений, стандартов и традиций – каждая компания разрабатывала свою продукцию «как Бог на душу положит», закладывая в нее самые разные функции. Одни из них оказались непонятыми и соответственно невостребованными, другие же определили пути развития индустрии на долгие годы.

1972 год – появился микропроцессор TMS1000 от компании Texas Instruments . Это был первый микропроцессор «все в одном», не требующий дополнительных микросхем. В самом чипе были реализованы ОЗУ (32 байта), ПЗУ (1 кбайт), часы и поддержка ввода/вывода. Это дает нам все основания считать TMS1000 первым микроконтроллером (см. врезку). Также в нем впервые была реализована возможность изменения набора инструкций, тем самым TMS1000 породил целый класс чипов с микропрограммным управлением.

Микроконтроллеры

Микроконтроллер (МК) – представляет из себя компьютер на одном кристалле. Применяется для управления различными электронными устройствами. В отличие от микропроцессора (МП), микроконтроллер содержит встроенные дополнительные устройства. К ним относятся различные устройства памяти (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ и т.п.), порты ввода/вывода, интерфейсы связи (параллельные, последовательные, АЦП и ЦАП, устройства управления дисплеями и т.п.), таймеры, системные часы. Разумеется, эти устройства быстрее и надежнее внешних аналогов.

Микроконтроллеры применяются практически повсеместно: в промышленном и торговом оборудовании (станки, кассовые аппараты, детекторы валют, электронные весы), бытовой технике (холодильники, стиральные машины, кухонные комбайны, телевизоры, видеомагнитофоны и т.п.), на транспорте, короче говоря, везде, где от прибора требуется хоть какой-то уровень интеллекта.

Правда, во всем остальном архитектура чипа оставляла желать лучшего – он представлял собой 4-битный процессор, имевший 9 разновеликих регистров: 4-pазpядный регистр Y и 2-х или 3-х разрядный регистр X (объединявшиеся для создания 6 или 7-pазpядного индексного регистра), 4-разрядный аккумулятор, однобитный регистр состояния, 6-pазpядный счетчик, 4-pазpядный регистр страницы, 1-pазpядный регистр банка, 6-pазpядный регистр возврата из подпрограммы и 4-pазpядный буфер страницы.

Его набор команд состоял из 12 жестко заданных 8-разрядных инструкций и 31 программируемой инструкции. Процессор не поддерживал прерывания.

Тем не менее, этот микропроцессор, точнее микроконтроллер, имел немалый успех. Он широко применялся в игровых консолях, бытовых приборах, микрокалькуляторах и других электронных устройствах – за все время было продано более 10 миллионов штук TMS1000.

3 квартал 1972 года – появился 4-битный микропроцессор PPS-4 от компании Rockwell . Он, правда, несколько запоздал – Intel уже щеголяла 8-битным i8008, продукт же Rockwell мог составить конкуренцию разве что i4004. Процессор, тем не менее, за счет грамотно разработанной архитектуры получился довольно-таки резвым, что сразу же привлекло к нему внимание разработчиков систем. В нем были реализованы некоторые интересные идеи, в частности, возможность использования под стек оперативной памяти.

Система команд данного процессора имела уклон в сторону вычислительных задач, что не удивительно – чип изначально разрабатывался для применения в калькуляторах. По этой же причине у него отсутствовала поддержка прерываний.

4 квартал 1972 года – 8-битный микропроцессор 7200 от компании AMI . Первый так называемый секционный процессор. Он был реализован не как монокристальный процессор, а состоял из трех частей: блока регистров с арифметико-логическим устройством (RALU), блока управления (CU) и микропрограммного ПЗУ (MROM). Как и PPS-4, он был микропроцессором с микропрограммным управлением.

1 квартал 1973 года – появился микропроцессор IMP-4 от компании National Semiconductor . IMP-4 по многим заложенным в него возможностям опередил свое время на несколько лет. Как и Ami 7200, IMP-4 состоял из трех частей – блока регистров с арифметико-логическим устройством (RALU) на 4-битном чипе IMP-00A, блока сопряжения с памятью и периферией (FILU) и модуля управления с ПЗУ (CROM), который позволял разработчику зашивать в ПЗУ свой собственный набор команд. Выпускалось несколько стандартных вариантов набора команд - изначально IMP-4A/521 (4-битный стандартный набор), позднее появились IMP-8A/520 (8-битный стандартный набор), IMP-16A/521 (16-битный стандартный набор) и IMP-16A/522 (16-битный расширенный набор).

Как и Ami 7200, IMP-4 был одним из первых секционных (bit-slice) микропроцессоров с микропрограммным управлением.

Его набор регистров включал в себя целых четыре аккумулятора, также IMP-4 обладал достаточно мощными встроенными средствами обработки прерываний.

Разумеется, секционная и микропрограммная архитектура давали мощные средства в руки разработчиков. Но были у них и серьезные минусы. Уровень технологий того времени не позволил разработчикам объединить все составные части в монокристальный процессор, что отрицательно сказалось на стоимости решений, а также на простоте построения систем на их основе. К тому же использование микропрограммного управления не было оправдано при построении простых 4-разрядных систем, где в основном и применялись данные комплекты.

PPS-4, Ami 7200 и IMP-4 стали предшественниками i3000 и AMD Am2900, но сами, к сожалению, не оказали серьезного влияния на рынок.

1 квартал 1973 года – появился первый японский микропроцессор uPD751 (uCOM-4) от компании NEC . 4-битный процессор работал на частоте 1 MHz и мог адресовать 4 kb памяти. Он не использовал прерывания и имел набор из 55 инструкций. Использовался в POS-терминалах.

1 квартал 1974 года – 8-битный микропроцессор 5065 от компании Mostek .

2 квартал 1974 года – 12-битный микропроцессор TLCS-12A (T3190) от компании Toshiba .

3 квартал 1974 года – 16-битный микропроцессор CP1600 от компании General Instrument . Работал на частоте 0.89 MHz. Применялся в игровых консолях, управлении бытовой техникой, микрокомпьютерах, в более поздних компьютерах (типа ZX-Spectrum) использовался в музыкальном синтезаторе.

1974 год – 8-битный микропроцессор PPS-8 от компании Rockwell . Более продвинутая версия PPS-4

Заключение

Как видим, к 1974 году немало фирм, оценивших перспективность данного сектора рынка, начало подтягиваться и пробовать свои силы в производстве микропроцессоров. Все упомянутые в первой части статьи процессоры относятся к первому поколению. Во второй части статьи я расскажу о появлении второго поколения микропроцессоров и нешуточных «силиконовых» войнах, вспыхнувших в середине 70-х.

Сейчас, даже более мене продвинутые мобильные телефоны не обходятся без микропроцессора, что уже говорить о планшетных, переносных и настольных персональных компьютерах. Что же такое микропроцессор и как развивалась история его создания? Если говорить на понятном языке, то микропроцессор – это более сложная и многофункциональная интегральная схема.

История микросхемы (интегральной схемы) начинается с 1958 года , когда сотрудник американской фирмы Texas Instruments Джек Килби изобрел некое полупроводниковое устройство, содержащее в одном корпусе несколько транзисторов, соединенных между собой проводниками. Первая микросхема – прародительница микропроцессора – содержала всего лишь 6 транзисторов и представляла собой тонкую пластину из германия с нанесёнными на неё дорожками, выполненными из золота, Расположено всё это было на стеклянной подложке. Для сравнения, сегодня счет идет на единицы и даже десятки миллионов полупроводниковых элементов.

Уже через год в 1971 Intel выпускает первый 4-разрядный микропроцессор под кодовым именем 4004. По сравнению с первой микросхемой в 6 транзисторов, он содержал аж 2,3 тыс. полупроводниковых элементов и выполнял 60 тыс. операций в секунду. На то время – это был огромнейший прорыв в области микроэлектроники. 4-разрядный означало то, что 4004 мог обрабатывать сразу 4-х битные данные. Еще через два года в 1973 фирма выпускает 8-ми разрядный процессор 8008, который работал уже с 8-ми битными данными. Начиная с 1976 года , компания начинает разрабатывать уже 16-разрадную версию микропроцессора 8086. Именно он начал применяться в первых персональных компьютерах IBM и, по сути заложил один из кирпичиков в историю ЭВМ.

Типы микропроцессоров

По характеру исполняемого кода и организации устройства управления выделяется несколько типов архитектур:

Процессор со сложным набором инструкций. Эту архитектуру характеризует большое количество сложных инструкций, и как следствие сложное устройство управления. В ранних вариантах CISC-процессоров и процессоров для встроенных приложений характерны большие времена исполнения инструкций (от нескольких тактов до сотни), определяемые микрокодом устройства управления. Для высокопроизводительных суперскалярных процессоров свойственны глубокий анализ программы, внеочередное исполнение операций.

Процессор с упрощённым набором инструкций. В этой архитектуре значительно более простое устройство управления. Большинство инструкций RISC-процессора сожержат одинаковое малое число операций (1, иногда 2-3), а сами командные слова в подавляющем числе случаев имеют одинаковую ширину (PowerPC, ARM), хотя бывают исключения (Coldfire). У суперскалярных процессоров - простейшая группировка инструкций без изменения порядка исполнения.

Процессор с явным параллелизмом. Отличается от прочих прежде всего тем, что последовательность и параллельность исполнения операций и их распределение по функциональным устройствам явно определены программой. Такие процессоры могут обладать большим количеством функциональных устройств без особого усложнения устройства управления и потерь эффективности. Обычно такие процессоры используют широкое командное слово, состоящее из нескольких слогов, определяющих поведение каждого функционального устройства в течение такта.

Процессор с минимальным набором инструкций. Эта архитектура определяется прежде всего свехмалым количеством инструкций (несколько десятков), и почти все они нуль-операндные. Такой подход даёт возможность очень плотно упаковать код, выделив под одну инструкцию от 5 до 8 бит. Промежуточные данные в таком процессоре обычно хранятся на внутреннем стеке, и операции производятся над значениям на вершине стека. Эта архитектура тесно связана с идеологией программирования на языке Forth и обычно используется для исполнения программ, написанных на этом языке.

Процессор с изменяемым набором инструкций. Архитектура, позволяющая перепрограммировать себя, изменяя набор инструкций, подстраивая его под решаемую задачу.

Транспорт-управляемый процессор. Архитектура изначально ответвилась от EPIC, но принципиально отличающаяся от остальных тем, что инструкции такого процессора кодируют функциональные операции, а так называемые транспорты - пересылки данных между функциональными устройствами и памятью в произвольном порядке.

По способу хранения программ выделяется две архитектуры:

Архитектура фон Неймана . В процессорах этой архитектуры используется одна шина и одно устройство ввода-вывода для обращения к программе и данным.

Гарвардская архитектура. В процессорах этой архитектуры для выборки программ и обмена данным существуют отдельные шины и устройства ввода-вывода. Во встроенных микропроцессорах, микроконтроллерах и ПЦОС это также определяет существование двух независимых запоминающих устройств для хранения программ и данных. В центральных процессорах это определяет существование отдельного кэша инструкций и данных. За кэшем шины могут быть объединены в одну посредством мультиплексирования.