Самый первый микропроцессор. Как это работает: микропроцессор. История создания процессора

Процессоры на персональные компьютеры получились свое распространение в семидесятых годах прошлого столетия. Они выпускались большим количеством производителей. Практически каждой компании в то время, как собственно говоря и сейчас, хотелось использовать для их производства только самые новые технологии. Однако не у всех компаний получилось получить свое развитие настолько же сильно, как у Intel и AMD. Одни производители полностью пропали с рынка, другие же перешли в другую сферу деятельности. Однако следует рассказать обо всем поэтапно.

Как началось создание процессора

Впервые мир услышал о процессорах в пятидесятых годах прошлого столетия. Они функционировали на механическом реле. Впоследствии стали появляться модели, которые работали при помощи электронных ламп и транзисторов. В те времена компьютерные устройства, на которые они устанавливались, были похожи на сложное и очень крупногабаритное оборудование. Их стоимость была очень высокой.

Все компоненты процессоров отвечали за процесс вычисления. Нужно было разобраться с тем, каким образом, их можно было соединить в единую микросхему. Данная задумка воплотилась в жизнь практически сразу после появления схем полупроводникового типа. В те времена разработчики процессоров даже предположить не могли, что данные схемы окажутся полезными в их деле. Именно по этой причине еще несколько лет они разрабатывали процессоры на нескольких микросхемах.

В конце шестидесятых годов компания Busicom начала разработку своего нового настольного калькулятора. Ей потребовалось 12 микросхем и она заказала их у компании Intel. В то время у разработчиков данной компании появились идеи соединения нескольких микросхем в одно целое. Данная идея пришлась по душе руководителю фирмы. Ее преимущество заключалось в том, что при этом была возможность значительно сэкономить. Ведь не нужно было производить сразу несколько микросхем. Кроме того благодаря расположению элементов процессора на одной микросхеме можно было создать устройство, которое подходило бы для использования на самых разных видах оборудования, применяемых для совершения вычислительных процессов.

В итоге проведенной специалистами корпорации работы появился первый в мире микропроцессор под названием Intel 4004. У него была способность совершать сразу шесть десятков тысяч операций всего за одну секунду. Он даже обрабатывал двоичные числа. Однако данный вид процессора не было возможности использовать для компьютеров, потому что для него еще не было создано таких устройств.

Самый первый персональный компьютер

Первым компьютер был создан студентом из Америки Джонатаном Титусом. В журнале «Электроника» он получил название Марк 2. В нем кроме всего прочего было дано описание данного устройства. Данное изобретение не помогло студенту заработать большие деньги. Изначально Титус планировал зарабатывать при помощи своего изобретения. Он планировал распространять за определенную стоимость печатные платы для создания собственных компьютеров. Потребителям приходилось остальные детали приобретать в магазинах. Конечно же у него не получилось заработать много, но он внес большой вклад в развитие компьютерной техники.

История развития процессоров Intel

Первым процессором компании Intel был 4004. Позже данный разработчик представил пользователям модель 8008. Она отличалась от предыдущей модели тем, что частота работы данного процессора составляла от 600 до 800 килогерц. В нем было более трех тысяч транзисторов. Его активно использовали на всевозможных вычислительных машинах.

В то же самое время в мире стали появляться первые персональные компьютерные устройства и компания Intel приняла решение осуществлять производство процессоров, подходящих для них. Спустя короткий срок времени компания разработала процессор 8080, который в десятки раз был более производительным, чем его предшественник.

Стоимость данной модели процессора была очень высокой по тем меркам. Однако производители полагали, что стоимость является совершенно оправданной для процессора, который обладает высоким уровнем производительности и способен отлично вписаться в любое компьютерное устройство. Он пользовался огромным спросом. Именно благодаря этому доходы компании только росли.

Спустя несколько лет на свет появился компьютер Altair – 8800. Его производителем стала компания MITS. Данная модель персонального компьютерного устройства осуществляла свою деятельность на процессоре от компании Intel модели 8800. Именно благодаря нему многочисленные компании стали осуществлять производство собственных микропроцессоров.

В то же самое время в СССР

В СССР стремительно развивалось производство различных видов вычислительных механизмов. Самый пик развития ЭВМ пришелся на семидесятые годы прошлого столетия. Они могли по своему уровню производительности вполне сравниться со своими зарубежными аналогами.

В 1970 году появился указ от отечественного руководства о том, что были разработаны стандарты совместимости программ и аппаратуры ЭВМ. В это время образовалась новая концепция вычислительной техники. В ее основу легли разработки IBM. Отечественные специалисты использовали технологию IBM 360.

Отечественные технологии, которые были разработаны в советские времена, потеряли свою актуальность. Вместо них стали использовать технологии импортного происхождения. Постепенно отечественная электронная отрасль стала значительно отставать от той, которая существовала на Западе. Все компьютерные устройства, которые были разработаны после восьмидесятых годов прошлого столетия осуществляли свою деятельность при помощи процессоров Zilog или Intel. Россия стала отставать по своим технологиям от Америки почти на десятилетний период.

Эволюция процессоров

В середине семидесятых годов прошлого столетия компания Motorola представила суд пользователе свой первый процессор, который получил название MC6800. Он обладал высоким уровнем производительности. У него была возможность работать с шестнадцати битными числами. Его стоимость составляла столько же, что у процессора Intel 8080. Его потребители не очень то стремились покупать. Именно по этой причине он так и не стал использоваться для персональных компьютеров. Компании пришлось расстаться с четырьмя тысячами сотрудников из-за финансовых трудностей.

В 1975 году бывшими сотрудниками Motorola была создана новая компания под названием MOS Technology. Они разработали процессор MOS Technology 6501. Он по своим характеристикам напоминал разработку Motorola, которая обвинила компанию в плагиате. Позже сотрудники MOS постарались кардинально переделать свое детище и выпустили чип 6502. Его стоимость была гораздо приемлемей, и он начал пользоваться огромным спросом. Его даже использовали для компьютерной техники Apple. Он имел принципиальное отличие от своего предшественника. У него уровень частоты работы был гораздо выше.

По пути уволенных сотрудников Motorola пошли и те, которые потеряли свое место в компании Intel. Они тоже создали компанию и запустили в производство свой процессор Zilog Z80. Он обладал не сильными отличиями от продукта Intel 8080. Он обладал единственной линией питания, и у него была приемлемая стоимость. Он мог функционировать с такими же программами. К тому же производительность данного устройства можно было сделать выше, и при этом не нужно было влияние оперативной памяти. Таким образом, Zilog начал пользоваться огромным спросом среди потребителей.

В России данная модель процессора применялась преимущественно в военной технике, в различных контроллерах и на многих других устройствах. Его даже использовали на разнообразных игровых приставках. В девяностых и восьмидесятых годах он пользовался огромной популярностью среди потребителей российского рынка.

Процессоры в фильме «Терминатор»

Фильм «Терминатор» полон моментов, когда робот сканирует все происходящее перед ним. Перед его глазами образуются странные для зрителей коды. Через несколько лет становится очевидным тот факт, что появлению таких кодов создатели фильма обязаны компании MOS с ее процессором версии 6502. Это заставляет повеселиться разработчиков, которым кажется забавным ситуация, при которой в фильме про далекое будущее используется процессор семидесятых годов.

Эволюция процессоров Intel, Zilog, Motorola

В конце семидесятых годов компания Intel представила свою очередную новинку. Она получила название Intel 8086. Благодаря этому чипу все ближайшие преследователи компании на рынке остались далеко позади. Он обладал высоким уровнем мощности, но это дало ему возможности стать популярным. В нем использовалась 16 разрядная шина, которая обладал высоким уровнем стоимости. Для этого процессора необходимо было использовать специальные микросхемы и переделывать материнскую плату.

Затем компания выпустила свой более успешный продукт Intel 8088. В нем имелось более тридцати тысяч транзисторов.

Компания Motorola в то же время выпустила свой продукт MC68000. Он был одним из самых мощных на то время. Для его использования необходимо было иметь специальные микросхемы. Однако он все равно пользовался большим спросом среди потребителей. Он предлагал пользователям огромные возможности для его использования.

В это же время компания Zilog тоже представила пользователям свою новую разработку. Она создала процессор Z8000. Данная новинка до сих пор вызывает большое количество споров. По своим техническим параметрам она была приемлемой и ее стоимость была низкой. Однако не многие пользователи хотели использовать ее на своих компьютерных устройствах.

Процессоры нового поколения от компании Intel

В начале 1993 года компания Intel представила свой процессор P5. Сегодня он известен под названием Pentium. Компании удалось усовершенствовать технологии, которые она раньше использовала для создания своих продуктов. Теперь их новинка обладала способностью справляться сразу с двумя задачами одновременно. Пропускная разрядность шины стала больше практически в два раза. Однако пользоваться данным процессором пользователи в полной мере не имели возможности, потому что для него необходимо было иметь специальную материнскую плату. Однако после выхода следующей модели процессора Pentium, ситуация стала совершенно другой.

Именно благодаря высоким технологиям чипы от производителя Intel стали пользоваться огромной популярностью у потребителей. Они занимали длительное время первые места в мире.

Недорогие разработки Intel

Для того чтобы в полной мере соперничать с компанией AMD в области доступных по цене процессоров разработчики Intel приняли решение не уменьшать стоимость своих товаров, а стали создавать не очень мощные процессоры, которые в скором времени стали называться Celeron. В 1998 году появилась первая такая маломощная модель процессора Celeron, работающая на ядре процессора Pentium второго поколения. Она не отличалась высоки уровнем производительности. Однако она вполне могла работать с технологическими новинками.

В 1971 году был создан первый микропроцессор , а вместе с ним наконец-то родилось четвертое поколение компьютеров .

Главными характеристиками центрального процессорного устройства (ЦПУ) являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление и архитектура.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной программы, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов процессоров.

Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров.

Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, позволил использовать до 4 Гб оперативной памяти.



Intel486 (также известный как i486, Intel 80486 или просто 486-ой) x86-совместимый микропроцессор четвёртого поколения, построенный на гибридном ядре и выпущенный фирмой Intel 10 апреля 1989 года .

Этот микропроцессор является усовершенствованной версией микропроцессора 80386. Впервые он был продемонстрирован на выставке осенью 1989 года.

Это был первый микропроцессор со встроенным математическим сопроцессором (FPU). Применялся преимущественно в настольных ПК, в серверах и портативных ПК (ноутбуки и лаптопы).



В персональных компьютерах стали использоваться процессоры архитектуры x86 .

Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров.

Микропроцессор Intel Pentium представлен 22 марта 1993 года.
Новая архитектура процессора позволила повысить в 5 раз производительность по сравнению с 33 МГц 486DX.

Количество транзисторов 3.1 миллионов.
Разьем 237/238 ножек.

Далее появились(от Intel)64-битные процессоры:
Itanium, Itanium 2, Pentium 4F, Pentium D, Xeon, Intel Core 2, Pentium Dual Core, Celeron Dual Core, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7, Intel Xeon E3, ...

Многоядерные процессоры содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах).

Первым многоядерным микропроцессором стал POWER4 от IBM, появившийся в 2001 году и имевший два ядра. 14 ноября 2005 года Sun выпустила восьмиядерный UltraSPARC T1.

Компания AMD пошла по собственному пути, изготовив в 2007 году четырёхъядерный процессор единым кристаллом .

Стали массово доступны процессоры с 2, 3, 4 и 6 ядрами, а также 2, 3 и 4-модульные процессоры AMD поколения Bulldozer.

Для серверов также доступны 8-ядерные процессоры Xeon и Nehalem (Intel) и 12-ядерные Opteron (AMD).

Для теплоотвода от микропроцессоров применяются пассивные радиаторы и активные кулеры.

Intel Core i7 - семейство процессоров x86-64 Intel.
Однокристальное устройство: все ядра, контроллер памяти и кэш находятся на одном кристалле.
Поддержка Turbo Boost, с которым процессор автоматически увеличивает производительность тогда, когда это необходимо.


Защитная крышка процессоров состоит из никелированной меди, подложка кремниевая, а контакты выполнены из позолоченной меди.
Минимальная и максимальная температуры хранения Core i7 равны соответственно −55 °C и 125 °C.
Максимальное тепловыделение процессоров Core i7 равно 130 Вт.

Intel Core i7 3820 оснащен четырьмя физическими и восемью виртуальными процессорными ядрами, номинальная тактовая частота которых составляет 3,6 ГГц, а динамическая – 3,8 ГГц, а также десятью мегабайтами кэш-памяти. Дата выхода на рынок - 2012г.

Современные компьютеры малогабаритны, удобны, обладают высокой скоростью обработки информации, большим объемом оперативной и физической памяти.



Современные процессоры можно найти не только в компьютерах, но и в автомобилях, мобильных телефонах, бытовых приборах и даже в детских игрушках.

Федерико Фаджин присоединился к компании Intel, чтобы превратить видение Теда Хоффа в кремниевую реальность. Менее чем через год он и его команда создали микропроцессор 4004, который был представлен в ноябре 1971 г. Первой серьезной проблемой для Фаджина стала разработка методологии использования новой технологии кремниевых затворов. Это позволило по-другому создавать сложные схемы. Поскольку ничего подобного до этого никто не делал, пришлось все начинать с нуля. И Федерико Фаджину это удалось - он самостоятельно разработал чип всего за 9 месяцев 1970 г. Это фантастически короткий срок по сравнению с процессорами «Интел» следующих поколений. Например, для создания 32-разрядного чипа уже потребовалось 100 человеко-лет.

Конструктивное исполнение

Дизайн на основе кремниевых затворов, созданный Федерико Фаджином, сделал первый микропроцессор реальностью в 1971 г. Он был необычным, так как интеграция такой сложности никогда раньше не достигалась. Фаджин смог разработать процессор Intel 4004 только благодаря своим инновациям в МОП-технологии производства Начальная загрузка и скрытый контакт стали идеями, которые легли в основу впервые примененной им методологии проектирования, позволили спасти архитектуру Хоффа и реализовать ее в 1970 г. Без этого она была бы неосуществима, потому что результат был бы слишком медленным и дорогостоящим, чтобы иметь практическое применение. Таким образом, изобретение не заключалось в разработке модели простого ЦПУ, недостатка в которых в то время не было, но в создании и внедрении технологии, которая впервые позволила разместить на одном кристалле все функциональные блоки процессора.

Тед Хофф надеялся, что предложенная им архитектура и набор команд могут быть размещены на одном кристалле. Однако он не мог оценить осуществимость проекта или воплотить его, поскольку не являлся МОП-разработчиком. Именно Федерико Фаджин изобрел дизайн и компоновку 2300 транзисторов произвольной логики на кристалле размером всего 3х4 мм, недорогом, с 5-кратной скоростью работы и вдвое большей плотностью размещения элементов, чем у существовавшей в то время технологии МОП.

Методология Фаджина стала прорывом и использовалась во всех ранних микропроцессорах компании. Итальянский инженер привел проект к успешному завершению и сыграл роль в продвижении нового процессора Intel, продемонстрировав руководству компании, что чип может использоваться не только в калькуляторах.

Технические характеристики

Спецификации процессора Intel 4004 следующие:

• Площадь кристалла: 12 мм 2 .
• Максимальная тактовая частота: 740 кГц.
• Время цикла: 10,8 мкс (8 тактов / цикл команды).
• Время выполнения команды - 1 или 2 цикла команды (10,8 или 21,6 мкс), 46300-92600 команд в секунду.
• Сложение двух 8-значных чисел (по 32 бита каждое) занимает 850 мкс, т. е. 79 циклов команд, около 10 циклов на десятичную цифру.
• Раздельное хранение программ и данных. В отличие от дизайнов на основе использующих отдельные шины, в 4004 есть одна мультиплексированная 4-битная шина для передачи 12-разрядных адресов, 8-битных команд и 4-битных слов данных.
• Прямая адресация 51220 бит (640 байт) ОЗУ, организованного в виде 1280 4-разрядных «символов», из которых 1024 представляют данные и 256 - состояние.
• Прямая адресация 32768 бит ПЗУ (4096 байт).
• Набор из 46 команд (из которых 41 шириной 8 бит и 5 - 16 бит).
• 16 регистров по 4 бита.
• Внутренний стек подпрограмм глубиной в 3 уровня.

Заказ Busicom

Компьютер с хранимой программой, использовавшийся в качестве калькулятора в 1950-х и 1960-х годах, был одним из лучших достижений послевоенной эпохи и был знаком всем инженерам, работающим в полупроводниковой промышленности.

В 1969 г. японский производитель калькуляторов Busicom обратился к компании Intel, чтобы воплотить в кремнии их логический дизайн для серии калькуляторов. Их подход повторял реализацию первого в мире настольного программируемого калькулятора Olivetti"s Programma 101, представленного на Всемирной ярмарке в Нью-Йорке в 1965 г. и поступившего в продажу в том же году. Programma 101 имел ЦПУ (центральное процессорное устройство) и с последовательным чтением и записью, которые были выполнены из дискретных компонентов. Компания Busicom предложила аналогичную архитектуру, предусматривавшую реализацию процессора на трех МОП-микросхемах, ПЗУ и регистра еще на двух, с двумя другими чипами ввода-вывода.

Архитектура MCS-4

Руководитель отдела прикладных исследований Тед Хофф признал, что сложность дизайна Busicom заключалась в использовании последовательной памяти, и поскольку Intel разрабатывала свое первое динамическое ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), он видел, что конструкцию можно существенно упростить, используя традиционную и более универсальную компьютерную архитектуру, основанную на ОЗУ. С помощью Стэна Мазора и благодаря взаимодействию с инженерами Busicom, среди которых был Масатоши Сима, Хофф сформулировал архитектуру MCS-4, сократив дизайн с 7 до 4 чипов. Хофф полагал, что ЦПУ можно было бы реализовать в одном 4-битном микропроцессоре, но ни он, ни Мазор не были МОП-разработчиками, и у Intel не было специалистов, способных создавать сложные ИС с произвольной логической структурой. Поэтому предложение Хоффа простаивало около 6 месяцев, пока в апреле 1970 года не был принят на работу Федерико Фаджин, который и возглавил этот проект.

Инновационная технология

Федерико Фаджин перешел в Intel из Fairchild Semiconductor, где в 1968 г. он разработал МОП-технологию с кремниевыми затворами и создал на ее основе первую в мире коммерческую интегральную схему 3708. Технология была принята компанией Intel и впоследствии всей мировой полупроводниковой промышленностью, и в течение 40 лет являлась базовой структурой, использовавшейся почти во всех микросхемах. соучредитель компании «Интел», признал, что основным компонентом ее раннего успеха стал именно этот шаг. МОП-технология с кремниевыми затворами обеспечила конкурентоспособные характеристики Intel 4004: чип был примерно в 5 раз быстрее, имел в 100 раз меньшую утечку перехода и вмещал в 2 раза больше логических транзисторов произвольного типа по сравнению с чипом того же размера, изготовленного с алюминиевыми затворами, и рассеивал равную мощность. Это позволило создавать первые коммерчески успешные динамические ОЗУ, датчики изображения с ПЗС-матрицей (приборы с зарядовой связью), энергонезависимые запоминающие устройства и микропроцессоры. Впервые в истории процессор содержал все компоненты компьютера общего назначения.

Создание нового дизайна и макета

Тэд Хофф не был конструктором МОП-схем. Его роль заключалась в создании архитектуры и в дальнейшей поддержке продуктов. После определения набора команд проект был передан команде МОП-разработчиков, возглавляемой Федерико Фаджином. Работы велись очень быстро, и примерно за 9 месяцев были созданы 3 основных чипа. Последним из них в январе 1971 года появился микропроцессор Intel 4004.

По словам Стэна Мазора, заслуга Фаджина состояла в том то, что он осуществил инженерный дизайн, а Хоффа - в создании оригинальной концепции и архитектуры. Сам Мазор являлся своего рода посредником, который помогал, как мог, и делал то, что мог.

Федерико Фаджин разработал методологию проектирования МОП-структур с кремниевым затвором, используемых в произвольных логических схемах. Эта было необходимо, поскольку новая технология требовала другого дизайна, и особенно макета.

По словам Фаджина, он решил, что вместо того, чтобы отдельно проектировать логику, а затем схему, следует делать их вместе на одном листе. При этом необходимо учитывать расположение, насколько это возможно, чтобы проводники и транзисторы располагались как можно ближе к окончательной компоновке. Очевидно, для этого нужно было предварительно провести общее планирование чипа, чтобы знать размещение различных блоков. Именно тогда он и ​​уточнил методологию создания такого типа схем.

Проектирование нового процессора Intel и руководство проектом MCS-4 с начала разработки до производства мог осилить только тот, кто был способен внедрять инновации в технологию процесса, макетирование микросхем, схемотехнику, логический дизайн и компьютерную архитектуру. Фаджин приобрел такие навыки и знания через свое образование и опыт работы до того, как он присоединился к Intel. После окончания технического вуза в Виченце (Италия) он участвовал в разработке и создании небольшого транзисторного экспериментального компьютера с памятью на магнитных сердечниках в компании Olivetti в Борголомбардо (Италия) в возрасте 19 лет. Затем он с отличием окончил Университет Падуи и занялся разработкой технологии МОП, создав 2 коммерческие микросхемы, когда работал в SGS-Fairchild (теперь ST Micro). В 1968 г. он был направлен в Fairchild Semiconductor R&D в Пало-Альто (Калифорния), где создал технологию МОП с кремниевым затвором и др.

Реальные инновации

Концептуализация первого процессора, ставшая основным вкладом Хоффа в проект 4004, происходила и в других компаниях. К такому же выводу пришли несколько групп независимо друг от друга. Поэтому главным в изобретении микропроцессора было создание экономически обоснованного продукта. Только один человек в мире знал, как сделать следующий шаг и перевести архитектуру в рабочий дизайн. Это был Федерико Фаджин. Без него первый микропроцессор никогда бы не был построен. Еще в Fairchild он изобрел технологию, которая легла в основу будущих устройств. После начала работы в компании «Интел», он исправил ошибки отсутствующего Хоффа, а затем сделал первый чип Intel 4004, после чего возглавил разработку 8008 и являлся главным архитектором 8080.

В то время инженеры знали, как создавать небольшие компьютеры, делать логический дизайн ЦПУ и создавать программы. Идея о микропроцессоре, т. е. о размещении на одном кристалле универсального компьютера, тоже витала в воздухе. Некоторые архитектуры уже были реализованы на нескольких МОП-микросхемах. Тем не менее, никто не знал, как установить 2300 транзисторов произвольной логики - минимально необходимое количество для простого процессора - в микросхему достаточно маленького размера, чтобы производство было дешевым, скорость работы была высокой, а рассеиваемая мощность достаточной для размещения в существующих корпусах.

Таким образом, реальная инновация в микропроцессоре заключалась в его компоновке на одном кремниевом чипе, поскольку все остальное было сделано раньше. И это удалось Фаджину без какой-либо значимой помощи со стороны Теда Хоффа и Стэна Мазора.

Единственный, кто ему помогал, - это инженер Busicom Масатоши Сима. Он пришел в Intel, чтобы проверить прогресс выполнения заказа через пару дней после того, как Фаджин был нанят на работу. Он понял, что за предыдущие 6 месяцев не было достигнуто никакого прогресса. Учитывая задержку в проекте и отсутствие какого-либо инженера Intel, способного помочь, Симе было разрешено остаться на 6 месяцев, чтобы ускорить работу. Однако он мало знал об и, хотя он был очень полезным, все творческие решения принимал Фаджин. Начальник последнего, Лесли Вадаш, был так озабочен дизайном 1103 (первым 1024-битным динамическим ОЗУ, считавшегося будущим Intel), что не мог обеспечить технический контроль над проектом MCS-4. После успеха с 4004 Фаджин руководил внедрением 8008, а также задумал и определил архитектуры самых успешных из всех первых процессоров - 4040 и 8080.

Сомнения разработчиков

По словам Стэна Мазора, он и Тед Хофф полагали, что Intel 4004 был слишком агрессивным. Они не были уверены, что его можно сделать, поэтому начали с другого чипа, названного 4005. Это был совместный проект с MIL, который был партнером Intel в Канаде. Они определили намного более простую архитектуру, чем 4004. Канадская компания должна была разработать чип, а Intel - предоставить память. Оказалось, что она не смогла сделать 4005.

Хофф и Мазор в 1994 г. не были уверены в возможности реализации 4004. Вот почему через несколько месяцев после того, как Фаджин присоединился к Intel, они создали более простую архитектуру 4005 и отдали в канадскую компанию MIL для разработки. Но инженерам MIL микропроцессор сделать не удалось. Стало понятно, что даже создание простого чипа было далеко от рутинной работы. Кроме того, Хофф и Мазор сомневались, что 4004 может пригодиться для приложений, отличных от калькуляторов, кассовых аппаратов и т.п. Они думали, что только 1201, а позже и 8008 будут иметь достаточно универсальную архитектуру, чтобы использоваться в различных приложениях. После завершения проекта 4004 Фаджин продемонстрировал, что микропроцессор может применяться в различных системах управления и призвал руководство вывести Intel 4004 на рынок.

Неудачи с 8008

Другим примером, доказывающим то, насколько необходимой была методология Фаджина, является Intel 8008, архитектура которого первоначально разрабатывалась корпорацией Computer Terminal Corporation (CTC). Работа над чипом, первоначально названным 1201, началась до того, как Фаджин присоединился к Intel, но проект, назначенный разработчику процессоров с произвольной логикой, который перешел из General Instrument, далеко не продвинулся, потому что в то время отсутствовала какая-либо методология и библиотеки схем. Работы над 8008 были приостановлены и возобновились только в год выпуска Intel 4004.

Микропроцессор TI

Еще одним примером является первый одночиповый ЦПУ, который стал вторым источником для 8008, заказанных CTC у компании Texas Instruments. Объявленный в прессе в середине 1971 года, всего через несколько месяцев после успешного создания 4004, этот процессор так никогда и не заработал и никогда не продавался. Он был создан с использованием МОП-технологии с металлическим затвором компанией, которая имела многолетний опыт разработки ИС со сложной произвольной логикой. По сравнению с процессором «Интел-8008», размер чипа ТІ был вдвое больше, обеспечивая выполнение тех же функций. Скорость работы и рассеиваемая мощность никогда не обнародовались.

Пример для подражания

После того, как проект 4004 был завершен, другие инженеры, как внутри, так и вне компании Intel, смогли изучить методы, используемые Фаджином, исследовав дизайн под микроскопом. Этот же стиль использовался во всех других ранних микропроцессорах Intel и Zilog.

В заключение

4004 стал самым первым в истории процессором, сделанным по технологии кремниевого затвора. Это была самая передовая интегральная микросхема того времени. Ее создание требовало не только экстраординарных творческих способностей и навыков от дизайнера, но и глубокого знания новой технологии, которое мог иметь только ее разработчик. Кроме того, для успешного завершения проекта, который требовалось завершить за 10 месяцев из-за предыдущих невыполненных обязательств перед клиентом, были необходимы большое мужество, мотивация, навыки управления и устойчивая напряженная работа.

Вы используете компьютер или мобильное устройство, чтобы читать данный топик в настоящее время. Компьютер или мобильное устройство для выполнения этих действий использует микропроцессор. Микропроцессор является сердцем любого устройства, сервера или ноутбука. Существует много марок микропроцессоров от самых разных производителей, но все они делают примерно то же самое и примерно таким же образом.
Микропроцессор - также известный как процессор или центральный блок обработки - это вычислительный двигатель, который изготовлен на одном кристалле. Первым микропроцессором был Intel 4004, он появился в 1971 году и был не столь мощным. Он мог складывать и вычитать, и это только 4 бита за один раз. Удивительным процессор был потому, что был выполнен на одном чипе. Вы спросите почему? А я отвечу: инженеры в то время производили процессоры либо из нескольких чипов или из дискретных компонентов (транзисторы использовались в отдельных корпусах).

Если вы когда-либо задавались вопросом, что микропроцессор делает в компьютере, как внешне выглядит или каковы его различия по сравнению с другими типами микропроцессоров, то ступайте под кат - там всё самое интересное, и подробности.

Прогресс в производстве микропроцессоров: Intel

Первым микропроцессором, ставшим впоследствии сердцем простого домашнего компьютера, был Intel 8080 - полный 8-разрядный компьютер на одном чипе, появившийся в 1974 году. Первый микропроцессор стал причиной реального всплеска на рынке. Позже в 1979 году была выпущена новая модель - Intel 8088. Если вы знакомы с рынком ПК и его историей, то знаете, что рынок ПК переехал от Intel 8088 к Intel 80286, а тот к Intel 80386 и Intel 80486, а после к Pentium, Pentium II, Pentium III и Pentium 4. Все эти микропроцессоры сделаны Intel, и все они являются улучшениями базовой конструкции Intel 8088. Pentium 4 может выполнить любой код, но делает он это в 5000 раз быстрее.

В 2004 году Intel представила микропроцессоры с несколькими ядрами и миллионным количеством транзисторов, но даже эти микропроцессоры следовали общим правилам, что и ранее изготовленные чипы. Дополнительная информация в таблице:

• Дата : является годом, когда процессор был впервые представлен. Многие процессоры были выпущены вновь, но уже с более высокими тактовыми частотами, и это продолжалось в течение многих лет после оригинальной даты выпуска
• Транзисторы : это количество транзисторов на кристалле. Вы можете видеть, что число транзисторов на одном кристалле неуклонно растёт на протяжении многих лет
• Микрон : ширина в микронах наименьшей проволоки на чипе. Для сравнения могу привести человеческий волос, имеющий толщину около 100 мкм. Поскольку размеры были всё меньше и меньше, число транзисторов возрастало
• Тактовая частота : максимальная скорость, которую чип может развить. О тактовой частоте я расскажу чуточку позже
• Ширина (шина) данных : является шириной АЛУ (арифметико-логическое устройство). 8-битное АЛУ может добавить, вычесть, умножить и т. д. Во многих случаях шина данных имеет ту же ширину, как АЛУ, но не всегда. Intel 8088 был 16-битным и имел 8-битную шину, в то время как современные модели Pentium 64-битные.
• MIPS : данная колонка в таблице выступает за отображение количества операций в секунду. Является единицей измерения для микропроцессоров. Современные процессоры могут сделать столько всяких штук, что сегодняшние рейтинги, представленные в таблице, потеряют всякий смысл. Зато вы можете ощутить относительную мощность микропроцессоров тех времён

Что такое чип?

Чип также называется интегральной схемой. Обычно это небольшой, тонкий кусочек кремния, на которой транзисторы, входящие в состав микропроцессора были выгравированы. Чип может быть размером в один дюйм, но при этом содержать в себе десятки миллионов транзисторов. Более простые процессоры могут состоять из нескольких тысяч транзисторов, выгравированных на чипе всего в несколько квадратных миллиметров.

Как это работает

Intel Pentium 4

Чтобы понять, как работает микропроцессор, было бы полезно заглянуть внутрь и узнать о его внутренностях. В процессе вы также можете узнать о языке ассемблера - родном языке микропроцессора, и многое из того, что инженеры могут сделать, чтобы увеличить скорость процессора.

Микропроцессор выполняет коллекцию машинных инструкций, которые сообщают процессору, что делать. Основываясь на инструкциях, микропроцессор делает три основные вещи:

• Используя своё АЛУ (арифметико-логическое устройство), микропроцессор может выполнять математические операции. Например, сложение, вычитание, умножение и деление. Современные микропроцессоры способны выполнять чрезвычайно сложные операции
• Микропроцессор может перемещать данные из одного места памяти в другое
• Микропроцессор может принимать решения и перейти к новому набору инструкций, основанному на этих решениях

Говоря прямо, микропроцессор делает сложные штуки, но выше я описал три основных вида деятельности. Следующая диаграмма показывает очень простой микропроцессор, способный делать эти три вещи. Этот микропроцессор имеет:

• Шина адреса (8, 16 или 32 бита), которая посылает обращение к памяти
• Шина данных (8, 16 или 32 бита), которая передаёт данные в память или принимает данные от памяти
• RD (read, чтение) и WR (write, запись) сообщают памяти, хотят ли они произвести установку или же получить адресованное местоположение
• Линия часов, которая позволяет просмотреть последовательность тактовых импульсов процессора
• Линия сброса, которая сбрасывает счётчик команд к нулю и перезапускает выполнение

Память микропроцессора

Оперативная память выступает за память только для чтения. Микросхема постоянной памяти запрограммирована с постоянными предустановленными заданными байтами. Шинный адрес сообщает чипу оперативной памяти, который байт, добраться и поместиться на шине данных. Когда линия чтения изменяет своё состояние, микросхема постоянной памяти представляет выбранный байт на шину данных.

Оперативная память выступает за оперативную память, лол. ОЗУ содержит байт информации, и микропроцессор может читать или писать на эти байты в зависимости от того, сигнализирует ли линия чтения или записи. Одна из проблем, которую можно встретить в сегодняшних чипах - они забывают всё, как только уходит энергия. Поэтому компьютер должен обладать оперативной памятью.

RAM chip или чип постоянного запоминающего устройства (ПЗУ)

Кстати, почти все компьютеры содержат некоторое количество оперативной памяти. На персональном компьютере постоянное запоминающее устройство называется BIOS (Basic Input/Output System). При запуске микропроцессор начинает выполнять инструкции, которые он находит в BIOS. Инструкции BIOS, к слову, тоже выполняют свои роли: выполняют проверку аппаратных средств, а затем вся информация поступает на жёсткий диск, чтобы создать загрузочный сектор. Загрузочный сектор - это одна небольшая программа, и BIOS хранит её в памяти после прочтения её с диска. Затем микропроцессор начинает выполнять инструкции загрузочного сектора из оперативной памяти. Программа загрузочного сектора покажет микропроцессору, что нужно ещё взять с собой с жесткого диска в оперативную память, а затем выполняет всё это и так далее. Это - то, как микропроцессор загружает и выполняет всю операционную систему.

Микропроцессорные инструкции

Вот набор инструкций языка ассемблера:

• LOADA mem - загрузить в регистр с адресом памяти
• LOADB mem - загрузить в регистр B от адреса памяти
• CONB mem - загрузить постоянное значение в регистр B
• SAVEB mem - сохранить регистр B в адрес памяти
• SAVEC mem - сохранить регистр C в адрес памяти
• ADD - добавить A и B и сохранить результат в C
• SUB - вычесть A и B и сохранить результат в C
• MUL - умножить A и B и сохранить результат в C
• DIV - разделить A и B и сохранить результат в C
• COM - сравнить A и B и сохранить результат в тесте
• JUMP addr - перейти по адресу
• JEQ addr - перейти, если равно, для решения
• JNEQ addr - перейти, если не равно, для решения
• JG addr - перейти, если больше, для решения
• JGE addr - перейти, если больше или равно, для решения
• JL addr - перейти, если меньше, для решения
• JLE addr - перейти, если меньше или равно, для решения
• STOP - остановить выполнение

// Assume a is at address 128// Assume F is at address 1290 CONB 1 // a=1;1 SAVEB 1282 CONB 1 // f=1;3 SAVEB 1294 LOADA 128 // if a > 5 the jump to 175 CONB 56 COM7 JG 178 LOADA 129 // f=f*a;9 LOADB 12810 MUL11 SAVEC 12912 LOADA 128 // a=a+1;13 CONB 114 ADD15 SAVEC 12816 JUMP 4 // loop back to if17 STOP

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)
Таким образом, теперь вопрос: «Как все эти инструкции интегрируются с постоянным запоминающим устройством?». Я поясню, конечно: каждая из этих команд на языке ассемблера должна быть представлена в виде двоичного числа. Для простоты предположим, что каждая команда на языке ассемблера присваивает себе уникальный номер. Например, это будет выглядеть так:

• LOADA - 1
• LOADB - 2
• CONB - 3
• SAVEB - 4
• SAVEC mem - 5
• ADD - 6
• SUB - 7
• MUL - 8
• DIV - 9
• COM - 10
• JUMP addr - 11
• JEQ addr - 12
• JNEQ addr - 13
• JG addr - 14
• JGE addr - 15
• JL addr - 16
• JLE addr - 17
• STOP - 18

// Assume a is at address 128// Assume F is at address 129Addr opcode/value0 3 // CONB 11 12 4 // SAVEB 1283 1284 3 // CONB 15 16 4 // SAVEB 1297 1298 1 // LOADA 1289 12810 3 // CONB 511 512 10 // COM13 14 // JG 1714 3115 1 // LOADA 12916 12917 2 // LOADB 12818 12819 8 // MUL20 5 // SAVEC 12921 12922 1 // LOADA 12823 12824 3 // CONB 125 126 6 // ADD27 5 // SAVEC 12828 12829 11 // JUMP 430 831 18 // STOP

Вы видите, что 7 линий C-кода стали 18 линиями ассемблера, и это всё стало 32 байтами в постоянном запоминающем устройстве.

Декодирование
Инструкция декодирования должна превратить каждый из кодов операций в набор сигналов, которые будут управлять различными компонентами внутри микропроцессора. Давайте возьмём инструкции ADD в качестве примера и посмотрим, что она должна будет сделать. Итак:

• 1. В первом такте необходимо загрузить саму инструкцию, поэтому декодеру нужно: активировать тремя состояниями буфер для счётчика команд, активировать линию чтения (RD), активировать данные в трёх штатах буфера в регистре команд
• 2. Во втором такте инструкция ADD декодируется. Тут нужно сделать совсем немного: установить операцию арифметико-логического устройства (АЛУ) в регистр C
• 3. Во время третьего такта программный счётчик увеличивается (в теории это может перекрываться во втором такте)

Подойдём к концу

Количество транзисторов имеет огромное влияние на производительность процессора. Как можно заметить выше, типичный микропроцессор Intel 8088 мог выполнять 15 циклов. Чем больше транзисторов, тем выше производительность - всё просто. Большое количество транзисторов также допускает такую технологию, как конвейерная обработка.

Конвейерная архитектура складывается из выполнения команд. Это может занять пять циклов для выполнения одной команды, но не может быть пять инструкций на разных стадиях исполнения одновременно. Таким образом, похоже, что одна команда завершает каждый тактовый цикл.

Все эти тенденции позволяют расти количеству транзисторов, что приводит к многомиллионным транзисторным тяжеловесам, которые доступны сегодня. Подобные процессоры могут выполнять около миллиарда операций в секунду - только представьте себе. Кстати, сейчас многие производители стали интересоваться выпуском 64-битных мобильных процессоров и очевидно наступает очередная волна, только на сей раз королём моды является 64-разрядная архитектура. Может и я доберусь в ближайшее время до этой темы и поведаю вам, как же на самом деле это работает. На этом, пожалуй, всё на сегодня. Надеюсь, вам было интересно и вы узнали много нового.

Микропроцессор Intel 4004

История

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