История процессоров. История микропроцессора Первый микропроцессор был выпущен в

21.11.2023

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 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.

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 применятся в первых персональных компьютерах IBM и, по сути заложил один из кирпичиков в

К омпания Intel была создана 18 июля 1968 года двумя инженерами – Гордоном Муром и Робертом Нойсом, которые работали на компанию Fairchild. Несколько позднее у компании появился еще один сооснователь – Эндрю Гроув. На тот момент инженеры уже имели перед собой определенную цель – сделать полупроводниковую память практичной и доступной. Задумка была весьма амбициозной, поскольку на то время память полупроводникового типа стоила более чем в сто раз дороже памяти, созданной при помощи магнитных технологий. На тот момент себестоимость полупроводниковой памяти была более одного доллара за бит.

Процессор Intel 4004

К 1970 году компания Intel была уже довольно известна как успешный поставщик микросхем памяти, первой создав самый емкий на тот момент модуль памяти 1 килобайт. Модуль, известный как динамическое запоминающее устройство, использующее произвольную выборку (DRAM), стал самым продаваемым полупроводниковым чипом по итогам года. В тот момент компания уже насчитывала более ста сотрудников.

На продукцию Intel обратила внимание компания Busicom. Вскоре японская компания заказала у Intel разработку чипов для целого семейства программируемых калькуляторов. В то время все микросхемы управления создавались по индивидуальным проектам под требуемые задачи, что не позволяло подобным микросхемам получать широкого распространения.

Изначально проект Busicom подразумевал создание не менее двенадцати различных микросхем уникальной архитектуры. Тэд Хофф, инженер Intel, отказался от данной идеи и предложил создать однокристальное универсальное устройство, загружающее инструкции из полупроводниковой памяти. При помощи всего четырех микросхем (процессор 4004, контроллер ввода-вывода, ОЗУ, ПЗУ) программа могла менять их функции и выполнять определенные задания. Новая микросхема была универсальной, что позволяло устанавливать ее в другие устройства, а не только в калькуляторах. Все разрабатываемые ранее микросхемы имели поддержку уникального «вшитого» набора инструкций, а новое изобретение предоставляло возможность выполнять различные инструкции, загружаемые из памяти.

В апреле 1970 года Intel нанимает инженера Фредерико Фаггина для разработки управляющей микросхемы 4004 в соответствии с наработками Хоффа. Фаггин, как и основатели Intel, ранее работал в компании Fairchild Semiconductor, где принимал непосредственное участие в разработке технологии кремниевого затвора, которая сыграла значимую роль при создании микропроцессоров. Работа над серией микросхем 4004 была завершена в марте 1971 года, а массовое производство было налажено уже в июне этого же года.

Процессор 4004 изначально предназначался для использования в программируемых калькуляторах, однако в дальнейшем нашел и другие применения. Например, чип использовался при анализе крови, для управления светофорами и даже в ракете «Pioneer 10», созданной и запущенной специалистами NASA.

Следующая версия процессора, 8080, была представлена в апреле 1974 года. Данный чип содержал порядка 6 тысяч транзисторов и был способен адресовать уже 64 килобайт памяти. Именно он был использован для установки первого персонального компьютера Altair 8800. Данный компьютер использовал операционную систему CP/M, а также интерпретатор языка BASIC, разработанный компанией Microsoft.

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

Микропроцессор Intel 4004

История

Почему 4004?

Дело всё в том, что каждой категории продукции была присвоена своя цифра. Первыми изделиями Intel стали микросхемы памяти (PMOS -чипы), которым была присвоена нумерация 1xxx. В серии 2xxx разрабатывались микросхемы NMOS . Биполярные микросхемы были отнесены к серии 3xxx. 4-разрядные микропроцессоры получили обозначение 4xxx. Микросхемы CMOS получили обозначение 5xxx, память на магнитных доменах - 7xxx, 8-ми и более разрядные микропроцессоры и микроконтроллеры принадлежали к серии 8xxx. Серии 6xxx и 9xxx не использовались.

Вторая цифра обозначала тип продукции: 0 - процессоры, 1- микросхемы RAM, 2 - контроллеры, 3 - микросхемы ROM, 4 - сдвиговые регистры, 5 - микросхемы EPLD , 6 - микросхемы PROM, 7 - микросхемы EPROM , 8 - чипы наблюдения и схемы синхронизации в генераторах импульсов, 9 - чипы для телекоммуникаций.

Третья и четвёртая цифра соответствовали порядковому номеру изделия, А так как для работы первого процессора требовалось ещё три специализированные микросхемы (микросхемы ROM, RAM и расширитель ввода/вывода), которые выпущены раньше чем 4004, то микропроцессор получил имя 4004.

Микропроцессор 4004 выпускался в 16-контактном корпусе типа DIP , размеры кристалла была менее 1 кв. см. Процессор мог выполнять 60 000 инструкций в секунду. (Для сравнения, один из первых полностью электронных компьютеров - американский ЭНИАК - выполнял только 5000 инструкций в секунду, занимал площади в 278,7 кв. м. и весил 30 тонн.) Фирма Intel предугадала решающее значение микропроцессоров в миниатюризации компьютеров, и поэтому выкупила за $60 тыс. у фирмы Busicom авторские права на микропроцессор 4004 и его усовершенствованные версии.

Впрочем, в 1971 году процессор не стал хитом продаж. Стратегия фирма Интел была направлена на то, что сбыт 4004 расширяет рынок намного более популярных микросхем памяти 1101/1103. Заслуженной популярностью стал пользоваться только микропроцессор , электронный «правнук» 4004.

Специализированные микросхемы серии 4xxx

Чип 4004 поставлялся с 3-мя специализированными микросхемами: микросхемы ROM, RAM и расширитель ввода-вывода. И хотя у этих микросхем была своя система обозначений (серии 1xxx, 2xxx и 3xxx), они получили второе наименование в категории 4xxx, которое стало обозначаться рядом с их обычной нумерацией.

Коллекционирование

Intel 4004, естественно, является одной из наиболее популярных микросхем в плане коллекционирования. Наиболее высоко ценятся бело-золотые микросхемы Intel 4004 с видимыми серыми следами на белой части (оригинальный тип корпуса). Так в 2004 году, такая микросхема, на