микропроцессоры история создания использование в современной технике
История развития микропроцессоров
Развитие микропроцессоров
ЭВМ получили широкое распространение, начиная с 50-х годов. Прежде это были очень большие и дорогие устройства, используемые лишь в государственных учреждениях и крупных фирмах. Размеры и форма цифровых ЭВМ неузнаваемо изменились в результате разработки новых устройств, называемых микропроцессорами.
15 ноября 1971 г. можно считать началом новой эры в электронике. В этот день компания приступила к поставкам первого в мире микропроцессора Intel 4004.
Это был настоящий прорыв, ибо МП Intel-4004 размером менее 3 см был производительнее гигантской машины ENIAC. Правда работал он гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил первый МП в десятки тысяч раз дешевле.
Вместе с тем кристалл располагал весьма ограниченными средствами ввода/вывода, а в системе команд отсутствовали операции логической обработки данных (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ), в связи с чем их приходилось реализовывать с помощью специальных подпрограмм. Модуль i4004 не имел возможности останова (команды HALT) и обработки прерываний.
Цикл команды процессора состоял из 8 тактов задающего генератора. Была мультиплексированная ША (шина адреса)/ШД (шина данных), адрес 12-разрядный передавался по 4-разряда.
1 апреля 1972 г. фирма Intel начала поставки первого в отрасли 8-разрядного прибора i8008. Кристалл изготавливался по р-канальной МОП-технологии с проектными нормами 10 мкм и содержал 3500 транзисторов. Процессор работал на частоте 500 кГц при длительности машинного цикла 20 мкс (10 периодов задающего генератора).
В отличие от своих предшественников МП имел архитектуру ЭВМ принстонского типа, а в качестве памяти допускал применение комбинации ПЗУ и ОЗУ.
Система команд насчитывала 65 инструкций. МП мог адресовать память объемом 16 Кбайт. Его производительность по сравнению с четырехразрядными МП возросла в 2,3 раза. В среднем для сопряжения процессора с памятью и устройствами ввода/вывода требовалось около 20 схем средней степени интеграции.
Возможности р-канальной технологии для создания сложных высокопроизводительных МП были почти исчерпаны, поэтому «направление главного удара» перенесли на n-канальную МОП технологию.
1 апреля 1974 МП Intel 8080 был представлен вниманию всех заинтересованных лиц. Благодаря использованию технологии п-МОП с проектными нормами 6 мкм, на кристалле удалось разместить 6 тыс. транзисторов. Тактовая частота процессора была доведена до 2 Мгц, а длительность цикла команд составила уже 2 мкс. Объем памяти, адресуемой процессором, был увеличен до 64 Кбайт.
За счет использования 40-выводного корпуса удалось разделить ША и ШД, общее число микросхем, требовавшихся для построения системы в минимальной конфигурации, сократилось до 6.
В РФ были введены указатель стека, активно используемый при обработке прерываний, а также два программнонедоступных регистра для внутренних пересылок. Блок РОНов был реализован на микросхемах статической памяти. Исключение аккумулятора из РФ и введение его в состав АЛУ упростило схему управления внутренней шиной.
ПДП открыл зеленую улицу для применения в микроЭВМ таких сложных устройств, как накопители на магнитных дисках и лентах дисплеи на ЭЛТ, которые и превратили микроЭВМ в полноценную вычислительную систему.
Традицией компании, начиная с первого кристалла, стал выпуск не отдельного чипа ЦП, а семейства БИС, рассчитанных на совместное использование.
Современные микропроцессоры построены на 32-х битной архитектуре x86 или IA-32 (Intel Architecture 32 bit), но совсем скоро произойдет переход на более совершенную, производительную 64-х битную архитектуру IA-64 (Intel Architecture 64 bit). Фактически переход уже начался, этому свидетельствует массовый выпуск и выход в продажу в 2003 году нового микропроцессора Athlon 64 корпорации AMD (Advanced Micro Devices), этот микропроцессор примечателен тем, что может работать как с 32-х битными приложениями, так и с 64-х битными. Производительность 64-х битных микропроцессоров намного выше.
Микропроцессоры i80386
В октябре 1985 года Intel анонсировал первый 32-разрядный микропроцессор i80386. Первым компьютером, использующий этот микропроцессор, был Compaq Desk Pro 386. Полностью 32-разрядная архитектура в новом микропроцессоре была дополнена расширенным устройством управления памятью, которое помимо блока сегментации было дополнено блоком управления страницами. Этого устройство позволяет легко переставлять сегменты из одного места памяти в другое. На тактовой частоте 16 МГц быстродействие составляло 6 Mips. 32-адресные линии позволяли физически адресовать 4Gb памяти, кроме того, был введен новый режим управления виртуальной памятью V86. В этом режиме могли одновременно могли выполняться несколько задач для i8086.
Микропроцессоры i80486
Появление нового микропроцессора i80486SX можно считать одним из важнейших событий 1991г. Предварительные испытания показали, что i486SX с частотой 20 МГц работал примерно на 40% быстрее i486DX с частотой 33 МГц. Микропроцессор i486SX содержит на кристалле КЭШ память, а математический сопроцессор заблокирован. Если микропроцессор i486DX был ориентирован на применение в сетевых серверах и на рабочих станциях, то i486SX послужил отправной точкой для создания мощных настольных компьютеров. В семействе i486 предусмотрены несколько новых возможностей для построения мультипроцессорных систем: команды поддержки, механизм семафоров памяти. Аппаратно реализовано выявление недостоверности строки Кэш-памяти, обеспечивающее согласованность между несколькими модулями Кэш-памяти.
Процессоры Pentium
В марте 1995 г. Intel объявила о поставке 66,60МГц версии МП, известного ранее как 586. Эти системы полностью совместимы с МП i86, 286, 386, 486. Новая Микросхема содержит около 3,1 млн. транзисторов и имеет 32-х разрядную адресную и 64-х шину данных, что позволяет обмен данными с системной платой со скоростью 528 Мб/с. В отличие от 486, при производстве которого использовалась КМОП технология, при производстве Pentium Intel применила 0.8 микронную Bi-CSOS технологию. Р166 имеет производительность около 112 MIPS. Суперскалярная архитектура содержит 2 пяти ступенчатых блока исполнения, работающих независимо, и обрабатывающих 2 инструкции за 1 такт синхронизации. Pentium имеет 2 разделённых кеша по 8Кб для команд и данных. Одним из наиболее интересных новшеств является небольшая кэш-память, называемая буфером меток переходов, который позволяет динамически предсказывать переходы в исполняемых программах. По скорости оперирования с плавающей точкой Pentium оставил далеко позади всех своих собратьев по классу. Это достигается благодаря реализации оптимизированных алгоритмов, а также спец. аппаратных блоков сложения, умножения и деления с 8-и ступенчатой конвейеризацией, что позволяет выполнять операции с плавающей точкой за 1 такт. В настоящее время выпускаются версии Pentium с внутренним умножением частоты в 1.5/2 раза (75/50, 90/60, 100/66, 120/60, 133/66). Для снижения рассеиваемой мощности с 13 до 4 Вт напряжение питания снижено до 3,3В. Три режима потребления рассчитаны на максимальный ток в 1A, 50мА, 100мкА. Кол-во выводов возросло до 296. Для производства кристалла стала использоваться 0.6 микронная Bi-CMOS технология. Кол-во транзисторов возросло до 3.3 млн.
Производительность процессоров
До недавнего времени основной мерой производительности МП являлась их тактовая частота, однако по мере усложнения архитектуры (RISC-ядро, встроенный кеш, технология внутреннего умножения частоты) данный параметр работы МП хотя и остался одним из важнейших, но уже не был определяющим. В 1992 году Intel предложила индекс для оценки производительности своих МП iCOMP. Индекс представляет собой число, которое выражает производительность МП семейства i86. Производительность 486SX-25 принимается за 100. При вычислении индекса учитываются операции со следующими «взвешенными» компонентами: 16-разрядные целые 57%, 16-р вещественные 13%, 32-р целые 25%, 32-р вещественные 5%.
Неожиданная история микропроцессоров
Intel 4-битный 4004
Транзисторы, электронные усилители и переключатели, находящиеся сейчас в центре всего, от карманного радиоприёмника до суперкомпьютера, были изобретены в 1947 году. Ранние прототипы звались биполярными транзисторами, и они всё ещё в ходу. К 1960-м инженеры придумали, как комбинировать несколько биполярных транзисторов на одной интегральной микросхеме. Но из-за их сложной структуры, на схеме могло быть только небольшое их количество. Поэтому, хотя мини-компьютер, созданный на основе биполярных интегральных микросхем, был гораздо меньше ранних компьютеров, ему требовалось несколько плат с сотнями чипов на них.
В 1960-м был показан новый тип транзисторов: транзистор со структурой металл-окисел-полупроводник, МОП-транзистор. Сначала технология не выглядела многообещающей. Они были медленнее, менее надёжными и более дорогими, чем биполярные. Но к 1964-му интегральные микросхемы на МОП-транзисторах уже могли похвастаться большей плотностью и меньшей стоимостью производства, чем биполярные. Сложность интегральных микросхем росла согласно закону Мура, но технология МОП вырвалась вперёд.
К концу 1960-х на одной МОП-микросхеме могло быть уже около 100 логических элементов, в каждом из которых было несколько транзисторов, и всё это выглядело многообещающе для создания компьютеров. Эти многокомпонентные чипы назвали ИВУ, интеграцией высокого уровня [large-scale integration, LSI].
Инженеры сообразили, что увеличивающаяся плотность МОП-транзисторов позволит поместить процессор компьютера на одном чипе. Но из-за того, что МОП-транзисторы были медленнее биполярных, компьютер на МОП-чипах имел смысл только там, где требовалось небольшое быстродействие или лёгкий и компактный аппарат – терминалы данных, калькуляторы, авиакосмическое электронное оборудование. Так что именно с таких областей применения началась революция микропроцессоров.
Большинство сегодняшних инженеров считают, что началась революция в 1971 году, с 4-битной микросхемы от Intel, 4004, за которой немедленно последовал 8-битный чип 8008. Но история рождения микропроцессора гораздо богаче и удивительнее. В частности, некоторые вновь обнаруженные документы показывают, как забытый сегодня чип, Texas Instruments TMX 1795, обогнал Intel 8008 и стал первым 8-битным микропроцессором, но затем канул в небытие.
Путь первым микропроцессорам проложило применение МОП-микросхем в компьютерной области. Первым компьютером на основе МОП-ИВУ был D200, созданный в 1967 году компанией Autonetics, подразделением North American Aviation, расположенной в городе Анахейм, Калифорния.
Трое гордых отцов: в зале славы изобретателей позируют Федерико Фаггин, Марциан Хофф младший и Стэнли Мейзор, демонстрируя микропроцессор Intel 4004.
Компактный 24-битный универсальный компьютер был разработан для авиации и навигации. Его процессор был построен из 24 МОП-чипов и пользовался четырёхфазной логикой, использовавшей четыре разных тактовых сигнала. Каждый сигнал со своей схемой включений и выключений, или фазой, управлял изменениями состояния транзисторов, что приводило к упрощению схемы. Будучи весом лишь в несколько килограмм, компьютер использовался для навигации баллистической ракеты класса Посейдон, запускаемой с подводных лодок, и для управления топливом на бомбардировщике B-1. Его даже думали поставить на космический шаттл.
Вскоре за D200 последовал другой авиационный компьютер с тремя процессорами и в сумме с 28 чипами: Central Air Data Computer за авторством Garrett AiResearch (сейчас являющейся частью Honeywell). Компьютер использовался для управления полётом истребителя F-14, использовал набор микросхем MP944 MOS-LSI, разработанные в компании с 1968 по 1970 года. 20-битный компьютер обрабатывал информацию с датчиков и выдавал данные для комплекта аппаратуры и управления самолётом.
Архитектура компьютера для F-14 была необычной. У него было три функциональных модуля, работающих параллельно: один для умножения, один для деления, и один для особых логических функций (например, удержание значения между верхним и нижним ограничениями). Каждый модуль состоял из нескольких разных МОП-чипов, таких, как постоянное запоминающее устройство, содержавшее данные, определяющие работу модуля; чип управления данными; различные арифметические чипы; и память с произвольным доступом для временного хранения.
Компьютер F-14 был засекречен, поэтому мало кто знал про чипсет MP944. Но Autonetics широко освещала свой D200, вдохновивший на создание ещё более компактного МОП-компьютера: System IV. Он был детищем Ли Бойсела, покинувшего в 1968 году Fairchild Semiconductor, чтобы основать Four-Phase Systems, компанию, которую он назвал в честь четырёхфазной логики.
Процессор 24-битной System IV был сделан всего из девяти МОП-чипов: три модуля арифметики-логики (ALU), чей дизайн назвали AL1 (выполнявшие арифметические операции типа сложения и умножения, а также логические операции, AND, OR И NOT), три ПЗУ-чипа и три чипа с генерацией случайной логики.
TMX 1795, 3 078 транзисторов
4004, 2 300 транзисторов
8008, 3 098 транзисторов
Почти в то же время в игру вступил стартап из Массачусетса Viatron Computer Systems. Всего через год после запуска в ноябре 1967, компания анонсировала System 21, 16-битный мини-компьютер с различными аксессуарами, построенный на основе самодельных МОП-чипов.
Именно они придумали слово «микропроцессор». Впервые компания использовала его в анонсе в октябре 1968 года, когда объявила о проекте, названном 2101. Но это был не чип – в терминологии Viatron этим словом обозначали часть небольшого терминала, с клавиатурой и плёночным накопителем, соединённый с отдельным мини-компьютером. Этот «микропроцессор» контролировал терминал и состоял из 18 специальных МОП-чипов на трёх платах.
И во время этого парада, в конце 1960-х японский изготовитель калькуляторов Business Computer Corp. (более известный, как Busicom), заказал компании Intel изготовление чипов для многочипового калькулятора. Конечный продукт состоял из одночипового процессора, ныне известного Intel 4004, с сопровождающими чипами памяти и ввода/вывода. 4-битный 4004 (манипулировавший данными размерностью 4 бита) часто считают первым микропроцессором.
Калькулятор с 4004-м впервые вышел в начале 1971 года. У него было много конкурентов. Полупроводниковая компания Mostek выдала первый «калькулятор на чипе», МК6010. У Pico Electronics и General Instrument был свой калькулятор G250. Через шесть месяцев заработал TMS 1802 от Texas Instruments, и это был первый чип в крайне успешной серии 0100. Эти схемы хорошо работали в качестве калькулятора, но мало что умели ещё, а вот 4004 выполнял инструкции, хранящиеся в ПЗУ. Он мог быть компьютером общего назначения.
Это было время быстрых перемен для электронных калькуляторов, и после появления финансовых трудностей Busicom продала свои исключительные права на 4004. В ноябре 1971 года Intel начал производство его и вспомогательных чипов в качестве конечного продукта для компьютерных вычислений общего плана. Через несколько месяцев 4004 затмили более мощные микропроцессоры, так что его коммерческий успех был небольшим. Он работал в нескольких пинбол-автоматах, текстовом процессоре и автомате для подсчёта голосов.
Терминал Datapoint 2200
Так что первый 4-битный микропроцессор был порождён калькулятором. А у 8-битных микропроцессоров, быстро пришедших ему на смену, было совершенно другое происхождение. Их история началась в 1969 с разработкой «программируемого терминала» Datapoint 2200 в компании Computer Terminal Corp. (CTC) из Сан-Антонио, Техас.
Datapoint 2200 был компьютером общего назначения, а не просто терминалом. Изначально 8-битный микропроцессор был построен на 100 биполярных чипах. Разработчики искали способы уменьшить потребление энергии и выработку тепла. В начале 1970 CTC договорилась с Intel о постройке одного МОП-чипа на замену процессорной платы, хотя неясно, кто из них решил использовать процессор на одном чипе.
Гэри Бун в TI вёл разработку TMX1795
К июню 1970-го Intel разработала рабочую спецификацию чипа для архитектуры Datapoint 2200, а затем заморозила проект на 6 месяцев. Этот дизайн вскоре воплотится в Intel 8008. Так что же, значит, будь то 4004, вдохновлённый калькулятором, или 8008, вдохновлённый терминалом, создание микропроцессора общего назначения необходимо отнести на счёт Intel, так? Не совсем.
Дело в том, что в 1970, когда Intel начала разработку 8008, это был стартап из 100 человек. Узнав о разработке, гигантская компания Texas Instruments, состоявшая из 45 000 человек, предложила свои услуги СТС для разработки процессора для терминала Datapoint 2200. СТС выдали TI спецификации и дали добро. Когда те вернулись с дизайном для трёх чипов, в СТС вежливо спросили, не могут ли они сделать дизайн на одном чипе, как это получилось у Intel. TI занялась одночиповым дизайном процессора в апреле 1970. Завершились работы в следующем году, чип назвали TMX 1795 (Х от «экспериментальный»), и имя позже превратилось в TMC 1795, когда он перестал быть прототипом.
В июне 1971 TI запустила рекламу TMC 1795, рассказывающую, как этот «центральный процессор на одном чипе» будет использоваться в Datapoint 2200, «мощном компьютере с возможностями, которыми не обладал предыдущий вариант». Но этого не произошло – проверив TMC 1795, CTC отвергли его, решив всё-таки делать процессор на плате и с биполярными чипами. А чип от Intel ещё не будет готов до конца того года.
Многие историки технологии верят, что TMC 1795 тогда же и погиб. Но новые найденные документы, принадлежащие ведущему разработчику чипа Гэри Буну, показывают, что после отказа СТС TI пробовала продать чип (слегка доработанный, и потому названный TMC 1795A) различным компаниям. Ford Motor Co. в 1971 году заинтересовались возможностью использования чипа в качестве контроллера мотора, из-за чего Бун писал «Думаю, мы нашли массовый рынок сбыта для нашего процессора на чипе». Увы, эти попытки были безуспешными, и TI прекратила рекламу TMC 1795, сконцентрировавшись на более прибыльных калькуляторах. Тем не менее, если вы хотите правильно присвоить честь создания первого 8-битного микропроцессора, её нужно отдать TI, хотя возможности свои она и упустила.
Письмо Буна по поводу Ford
К тому времени, как у Intel заработал 8008, к концу 1971, СТС уже потеряла интерес с одночиповым процессорам и избавилась от эксклюзивных прав на дизайн. Но Intel пошла дальше и пустила 8008 на коммерческие рельсы, сделав анонс в апреле 1972 года, и, в результате, произвела сотни тысяч этих чипов. Через два года из 8008 родился микропроцессор 8080, сильно повлиявший на создание 8086, который, в свою очередь, сделал возможным сегодняшнюю линейку чипов х86. И если ваш ПК оборудован процессором х86, то вы используете компьютер на основе дизайна, корнями уходящего в программируемый терминал Datapoint 2200 от 1969 года.
Никак нельзя сказать, что эволюция микропроцессоров шла по прямой линии. Многие вещи зависели от случайностей и результатов различных деловых решений, которые легко могли стать другими. Вспомните, как 8-битная архитектура процессора, разработанная СТС для Datapoint 2200, была реализована по-разному четырежды. Дважды СТС реализовала её через платы, набитые биполярными чипами, сначала через последовательную передачу данных, а затем через более быструю параллельную. Потом TI и Intel удовлетворили запросы СТС на единые чипы с почти одинаковым набором инструкций, но упаковка, контрольные сигналы, синхронизация инструкций и внутренние схемы у них были абсолютно разными.
Технология Intel была более развитой, чем у TI, в частности, использовались самосовмещённые затворы из поликристаллического кремния, ускорявшие транзисторы и увеличивавшие выход. Этот подход позволил расставить транзисторы плотнее. В результате 4004 и 8008 даже вместе были меньше, чем TMC 1795. Инженеры из Intel считали, что чип от TI был слишком большим, и потому непрактичным, но на самом деле это было не так: очень успешный чип для калькуляторов TMS 0100, появившийся чуть позже, был даже больше, чем TMC 1795.
Учитывая всё это, кому мы должны отдать пальму первенства в создании микропроцессора? Можно сказать, что микропроцессор – это не изобретение, а нечто, появления чего все ждали. Это был всего лишь вопрос ожидания подходящей технологии и запросов рынка. Мне такой подход нравится больше других.
Другой взгляд может состоять в том, что микропроцессор – это рекламный термин, необходимый для продвижения своих продуктов компаниями Intel, TI и другими. Бун, даром что он разрабатывал TMC 1795, позже отдал должное Intel за целеустремлённость в превращении микропроцессора в ценный продукт. В письме без даты, относящемся к спору о том, кого нужно считать создателем первого микропроцессора, он писал: «Главным в разработке микропроцессора была политика компании Intel в 1972–75 годах… Их инновации в дизайне, софте и рекламе породили эту индустрию, или, по меньшей мере, ускорили её появление».
AL-1
Честь создания первого микропроцессора также зависит от понимания этого термина. Некоторые считают микропроцессором центральный процессор на одном чипе. Другие говорят, что достаточно наличия на чипе арифметической логики. Иные думают, что достаточно разместить эти функции на отдельных чипах, и все вместе они уже могут составить микропроцессор.
Я считаю, что ключевые особенности микропроцессора – это центральный процессор на одном чипе (включая АЛУ, управляющие функции, регистры) и возможность его программирования. Но микропроцессор – это не весь компьютер. Обычно нужны ещё чипы памяти, ввода-вывода и для других вспомогательных функций.
Используя такое определение, большинство людей считают, что первым микропроцессором был Intel 4004, поскольку все компоненты ЦП у него были на одном чипе. Бун и Федерико Фаггин из команды Intel 4004 соглашаются, что 4004 выиграл у самых ранних TMX 1795 пару месяцев. А последний затем представил первый 8-битный микропроцессор, а потом Intel 8008 стал первым коммерчески успешным 8-битным микропроцессором.
Но если принять менее строгое определение микропроцессора, первыми могут стать и другие системы. Если считать микропроцессором АЛУ на чипе, то первым будет Бойсел, создавший первый чип в Fairchild в 1968 году, незадолго до его ухода и основания Four-Phase Systems. AL1 из Four-Phase Systems также может быть кандидатом, поскольку он комбинировал регистры и АЛУ на одном чипе, при внешних управляющих контурах. Если принять, что микропроцессор может состоять из нескольких ИВУ-чипов, тогда первым будет Autonetics D200.
С точки зрения патентов история выглядит несколько по-другому. TI быстро поняли прибыльность патентной системы. Они получили множество патентов на TMX 1795 и TMS 0100 и часто пользовались ими в судебных разбирательствах и для выдачи лицензий.
На этом основании TI можно считать изобретателем как микропроцессора, так и микроконтроллера, одночиповой компоновки ЦП, памяти и различных вспомогательных функций. Или нет. Потому что Гильберт Хайат получил патент на процессор на одном чипе в 1990 году, на основе 16-битной последовательной вычислительной машины, построенной им в 1969 году из плат с биполярными чипами. Это привело к заявлениям о первенстве Хайата в изобретении микропроцессора, но TI победила его патент в 1996 году после сложной судебной битвы.
Ещё одним претендентом на место изобретателя может быть Бойсел. В 1995, во время судебной тяжбы, которую Гордон Белл позже обозвал «TI против всех», Бойсел боролся с патентами TI при помощи одного чипа AL1 ALU из 1969 года, демонстрируя суду работающий компьютер. Этот ход торпедировал дело TI, хотя лично я не нахожу его демонстрацию слишком убедительной, поскольку в ней было использовано несколько технических трюков.
Неважно, какое изобретение вы считаете первым микропроцессором, можно согласиться с тем, что недостатка в конкурентах на этот титул не было. Жаль, что большинство людей хотят найти единственного победителя, а другие претенденты сейчас практически забыты. Но для тех, кто интересуется ранними днями микропроцессоров, их богатая история будет жить и дальше.