Реферат: Реферат по информатике Кафедра информатики сунц урГУ

Скробов А. Л.


Микропроцессоры 1970-х – 1990-х годов: архитектура и эволюция


Реферат по информатике


Кафедра информатики СУНЦ УрГУ

г. Екатеринбург

2002 г.
Введение
Основная цель данного реферата – описать эволюцию микропроцессоров и их развитие от центров контроллеров простых устройств, таких, как светофоры или станки с ЧПУ (числовым программным управлением), до центров персональных компьютеров. В то же время общее описание направления эволюции не даёт полного представления о ней, так, например, когда мы слышим, что динозавры произошли от кишечнополостных, это не даёт нам никаких сведений об их эволюции, пока мы не узнаём, какими были динозавры и кишечнополостные. Поэтому целью данного реферата являлось не только раскрытие направлений и причин эволюции микропроцессоров, но и описание архитектуры и свойств каждого звена в цепочке эволюции. Однако некоторые несущественные для раскрытия эволюции микропроцессоров аспекты их архитектуры, такие, как системы команд и детали подключения, рассматриваются менее подробно. Они приведены лишь для общего представления о подобных вещах.

К сожалению, в настоящее время литература по архитектуре микропроцессоров пользуется малым спросом и потому практически не издаётся на русском языке. Как следствие, при подготовке данного реферата была использована в основном литература 1980-х – начала 1990-х годов. Это не позволило провести линию эволюции микропроцессоров до нашего времени и вынудило прекратить подробное её рассмотрение на микропроцессоре Intel Pentium. Таким образом, в реферате детально изображены микропроцессоры первого двадцатилетия своего существования. Дальнейшая эволюция микропроцессоров показана лишь схематически.

Хотя в реферате есть раздел, посвящённый советским разработкам в области микроэлектроники, основные достижения в этой области были сделаны американскими инженерами, прежде всего, фирмой Intel. Поэтому неудивительно, что даже в книгах советских авторов часто даются англоязычные термины при наличии соответствующих русскоязычных: считается, что международные термины более понятны и шире распространены. И хотя в тексте данного реферата употребляются преимущественно русскоязычные термины, но для каждого из них в сноске указан международный вариант (кроме случаев, когда русскоязычный вариант является калькой международного). Это позволяет добиться единства обозначений практически со всей советской специальной литературой по данному вопросу.

И последнее замечание по поводу формата реферата. В нём перед названиями и особенно номерами микропроцессоров и других микросхем всегда употреблено слово «процессор», «контроллер», «микросхема» или другое подобное слово. Удаление этих слов превратило бы реферат в некое подобие записи радиоперехвата: «Сто пятнадцатый вызывает семьдесят пятого. Семьдесят пятый, как меня слышно?» – «Семьдесят пятый слушает, приём…» Однако многие из авторов специальной литературы не придерживаются такой позиции, и в их книгах можно встретить фразы типа «8087 может повысить быстродействие 8088 в 5 раз». В данном реферате подобных фраз нет.


В реферате четыре раздела – Центральные процессоры, Другие микропроцессоры, Вспомогательные микросхемы, Советские разработки. Первый из них посвящён эволюции и характеристикам центральных процессоров, как наиболее практически важного типа микропроцессоров. Второй раздел описывает другие микропроцессоры – сопроцессоры, независимые процессоры и т.п. Цель третьего раздела – создание общего представления о небезграничности возможностей микропроцессоров и о приложениях, выполняемых вместо них другими устройствами, такими как контроллеры прерываний. И наконец, в четвёртом разделе представлены наши отечественные достижения, прежде всего, в области копирования зарубежных образцов микроэлектронной техники. Первый подраздел реферата – Микропроцессоры – не входит ни в один из перечисленных разделов. Он рассказывает об истории микроэлектроники в целом.

В тексте реферата используются такие понятия, как двоичные и шестнадцатеричные числа, двоичные дроби, упакованный двоично-десятичный код. Поскольку эти понятия относятся не к микроэлектронике, а к математике, то они не вводятся в данном реферате. По этим и другим понятиям «компьютерной математики» имеется множество литературы, к которой следует обратиться интересующимся.


Сейчас, когда микропроцессоры окружают нас повсюду, развитие и становление микроэлектроники как отрасли народного хозяйства и завоевание микропроцессорами популярности особенно интересны. Поэтому тема данного реферата не должна остаться без внимания.


Микропроцессоры
Начало 70-х годов ознаменовалось рождением нового и, как оказалось, весьма перспективного и беспрецедентного по своим последствиям направления в развитии вычислительной техники – в 1971 г. был выпущен первый в мире микропроцессор. С тех пор за короткое время появилось несколько поколений микропроцессоров, а для прогнозирования перспектив их будущих применений не хватает даже самой богатой фантазии. Совершенствование микропроцессоров идёт параллельно с развитием микроэлектронной технологии, которая позволяет размещать на кристалле всё больше и больше логических схем.

Микропроцессоры, а в более общем плане – большие и сверхбольшие интегральные схемы, революционизировали вычислительную технику в том отношении, что она становится всё более дешёвой, массовой и надёжной, а её применение оказывается экономически эффективным практически во всех областях народного хозяйства. По существу, микропроцессорная техника является фундаментом грандиозной программы компьютеризации общества.

История развития однокристальных микропроцессоров в 1970-х – 1990-х годах показывает их эволюцию от первого 4-битного микропроцессора Intel 4004 через 8- и 16-битные устройства к более новым 32-битным процессорам, функциональные возможности которых превосходят возможности процессоров крупных компьютеров прошлого. И хотя первые микропроцессоры подходили только для калькуляторов и простых контроллеров, современные микропроцессоры используются в качестве ЦП сложных компьютеров широкого назначения.

По степени интеграции микропроцессорных приборов традиционно различают:

малую1 – менее 10 логических вентилей;

среднюю2 – от 10 до 100 вентилей;

большую3 – от 100 до нескольких тысяч вентилей;

сверхбольшую4 – десятки тысяч вентилей;

Все современные микросхемы имеют сверхбольшую степень интеграции (на самом деле, они содержат десятки миллионов логических вентилей).


Микропроцессоры фирмы Intel в значительной степени определяют направление развития компьютерной техники. Каждые несколько лет фирма Intel демонстрирует новые прорывы в своей технологии, существенно меняя наши представления о возможностях компьютеризации. Базовое семейство микропроцессоров Intel началось с первого в мире 4-битного микропроцессора 4004 (1971), ориентированного на применение в микрокалькуляторах. Затем фирма Intel выпустила 8-битные микропроцессоры 8008 (1972), 8080 (1974) и 8085 (1976), достаточно мощные для построения небольшого компьютера. Они могли выполнять двоичные и двоично-десятичные5 16-битные арифметические операции и адресовать память до 64 Кбайт с помощью 16-битной шины данных. Наконец, был выпущен 16-битный микропроцессор 8086 (1978) с его 8-битным вариантом 8088 (1979) и расширенными вариантами 80186 и 80286 (1982), обладающими более высоким быстродействием и дополнительными возможностями. Процессоры 8086, 8088 и 80186 могли оперировать с 32-битными двоичными и 16-битными двоично-десятичными числами и адресовать память до 1 Мбайт блоками по 64 Кбайт. Новое поколение микропроцессоров ознаменовалось появлением 32-битных процессоров 80386 (1985) и 486SX (1989), которые могли адресовать до 4 Гбайт памяти и выполнять несколько задач одновременно. За 18 лет производительность микропроцессоров фирмы Intel выросло от 60 тыс. до 41 млн операций в секунду. Процессор 486DX имел дополнительно встроенные кэш-память первого уровня и устройство обработки чисел с плавающей точкой, а следующие процессоры фирмы Intel – 64-разрядную шину данных, возможность обработки нескольких инструкций одновременно и набор дополнительных регистров и инструкций. Таковы процессоры Pentium, Pentium MMX, Pentium Pro и Pentium II. Последние два из них также содержат в одном корпусе с процессором встроенную кэш-память второго уровня.

Но фирма Intel не является монополистом в области разработки микропроцессоров. Группа инженеров, отделившихся от фирмы Intel и образовавших фирму Zilog, выпустило 8-битный микропроцессор Z80 (1976), аналогичный Intel 8080, но содержащий дополнительные регистры и команды. Большинство программ процессора 8080 могут выполняться и на процессоре Z80. Аналогичные 8-битные микропроцессоры были выпущены и другими фирмами: процессор 6800 – фирмой Motorola, процессор 6502 – фирмой MOS Technology. Ещё позже фирма Motorola выпустила микропроцессор 68000 (1980), который имеет 16-битную шину данных, но может обрабатывать 32-битные данные и адресовать память до 4 Гбайт. Он выполнял около 800 тыс. операций в секунду. Его преемниками стали микропроцессоры 68010, 68020 и 68030, длительное время составлявшие основную конкуренцию микропроцессорам фирмы Intel.

Другой группой конкурентов фирмы Intel являются фирмы, выпускающие микропроцессоры, совместимые с процессорами фирмы Intel. Таковы фирмы AMD, Cyrix, NexGen, Centaur Technology. Большинство из этих фирм сначала выпускало копии микропроцессоров 80386 по лицензии фирмы Intel, а затем лицензия была отозвана, и таким фирмам пришлось самостоятельно разрабатывать свои следующие микропроцессоры.

Динамика мирового объёма продаж 16-битных микропроцессоров в середине 1980-х годов (по данным журнала «Электроника») имела следующий вид: 1984 г. – $440 млн, 1985 – $550 млн и 1986 – $690 млн. Наиболее популярны тогда были процессоры Intel 8086, Zilog Z8000 и Motorola M68000. Прогнозировали, что к 1990 г. объём их продаж достигнет $2 – 3 млрд.


^ Центральные процессоры
Функция одного из важнейших видов микропроцессоров – центрального процессора1 (ЦПУ, центрального процессорного устройства) – состоит в дешифрации команд и управлении всеми действиями в системе; он же выполняет все арифметические и логические операции. Хотя и имеется множество разновидностей архитектуры ЦП, мы рассмотрим общие принципы работы и основные узлы микропроцессоров.

Для работы ЦП нужны некоторые вспомогательные схемы2, которые могут быть встроены в микросхему ЦП или размещаться в собственных корпусах. Так, генератор синхронизации формирует одну или несколько последовательностей равномерно расположенных импульсов, которые необходимы для синхронизации действий в микропроцессоре и логике управления шиной. Выходные импульсы генератора имеют одну и ту же частоту, но смещены во времени, т. е. имеют различные фазы. В микропроцессорных системах применяются одно- – четырехфазные сигналы синхронизации, причем многофазные сигналы требовались только в первых микропроцессорах. В большинстве современных микропроцессоров схема синхронизации, за исключением осциллятора (кварца), размещается на кристалле самого микропроцессора.

Память предназначена для хранения данных и команд, которые выполняет ЦП. Обычно она состоит из набора модулей, каждый из которых содержит тысячи ячеек. Каждая ячейка хранит часть или все данное или команду и с ней ассоциируется идентификатор, называемый адресом памяти (или просто адресом). Центральный процессор последовательно вводит (или выбирает) команды из памяти и выполняет определяемые ими задачи.

Подсистема ввода-вывода состоит из разнообразных устройств, предназначенных для взаимодействия с «внешним миром» и хранения больших объемов информации. Примерами устройств ввода 1980-х годов служат карточные считыватели, фотосчитывающие ленточные устройства, аналого-цифровые преобразователи, а устройств вывода – строчные принтеры, графопостроители, карточные и ленточные перфораторы и цифро-аналоговые преобразователи. Некоторые устройства, например терминалы (совокупность монитора и клавиатуры), обладают возможностями и ввода, и вывода. В настоящее время появилось много новых видов устройств ввода и вывода. Компоненты компьютера, осуществляющие постоянное хранение программ и данных, называются внешней (массовой) памятью. Наиболее распространены в начале 1980-х годов были ленточные и дисковые накопители, но затем завоевали популярность устройства на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД-память) и приборах с зарядовой связью (ПЗС-память). К середине 1990-х годов, однако, из магнитных устройств внешней памяти остались в использовании только накопители на гибких магнитных дисках (НГМД, или дискеты)3 и накопители на жёстких магнитных дисках (НЖМД, или винчестерские диски)4; также появился принципиально новый вид внешней памяти, а именно память на компакт-дисках.5 В настоящее время именно три последних вида внешней памяти пользуются наибольшей популярностью.

Для выполнения программы центральным процессором её необходимо передать из внешней памяти в основную.

ЦП соединяется с памятью и устройствами ввода-вывода совокупностью проводников, образующих системную шину. По этим проводникам, оформленным в виде кабеля или соединений на печатной плате, передается любая информация. Обычно проводники шины объединяются в три группы:

линии данных для передачи информации;

линии адреса, показывающие, откуда или куда передается информация;

линии управления, регулирующие действия на шине.

Сигналы на шине должны быть скоординированы с сигналами, генерируемыми подключенными к шине разнообразными компонентами. Схемы для подключения шины к устройству называются интерфейсом, а логика управления шиной образует интерфейс ЦП. Проектирование интерфейсов и логики управления шиной упрощают разнообразные интерфейсные микросхемы. В зависимости от сложности системы логика управления шиной частично или полностью размещается на кристалле ЦП.

Интерфейсы памяти в основном образуют схемы для дешифрирования адреса целевой ячейки и буферирования данных на (с) шину(ы), а также схемы выполнения операций считывания и записи. Интерфейсы ввода-вывода варьируются от очень простых до очень сложных. Все они должны буферировать данные на (с) системную(ой) шину(ы), принимать приказы от ЦП и передавать в ЦП информацию о состоянии подключенного устройства. Кроме того, интерфейсы внешней памяти должны взаимодействовать непосредственно с памятью, а для этого требуется управление системной шиной. Взаимодействие между интерфейсом ввода-вывода и шиной данных осуществляется через регистры, называемые портами ввода-вывода.

Конечно, все ячейки памяти и регистры ввода-вывода состоят из бит, но так как отдельные биты содержат очень мало информации, они группируются в байты – наименьшие единицы информации, независимо обрабатываемые микропроцессором, и слова – наибольшие такие единицы. Размер байта и слова определяется архитектурой микропроцессора. Поскольку символы обычно имеют длину 7 или 8 бит и поскольку компьютеры более легко работают со степенями 2, байты почти всегда состоят из 8 бит. Слова же состоят из 2, 3 или 4 байт в зависимости от компьютера и структуры его системной шины. Так как 16-битные однокристальные микропроцессоры имеют в своих системных шинах 16 линий данных, в них термин «слово» обозначает 2 байта (16 бит). На самом деле, в фирменных руководствах по 32-битным микропроцессорам, таким как Intel 80386, также говорится о словах как о двойных байтах. Это обеспечивает программную совместимость более поздних микропроцессоров с более ранними 16-битными.

С каждым байтом памяти ассоциируется идентифицирующий его адрес и при обращении к байту его адрес передается в соответствующий интерфейс по линиям адреса. Множество всех возможных адресов в данной ситуации называется адресным пространством. В некоторых компьютерах имеется два адресных пространства, а в других для обращения ко всем ячейкам памяти и регистрам ввода-вывода используется единое адресное пространство. При наличии отдельных адресных пространств памяти и ввода-вывода для указания нужного адресного пространства вместе с линиями адреса необходимо использовать некоторые линии управления. Так как память обычно разделена на модули, несколько старших бит адреса памяти применяют для выбора модуля, а остальные (младшие) биты идентифицируют байт (или слово) в модуле. Аналогично интерфейс идентифицируется старшими битами адреса ввода-вывода, а регистр в интерфейсе выбирается двумя или тремя младшими битами.

Допустимое число бит адреса определяет размер адресного пространства. Если адрес содержит n бит, получается 2n возможных адресов от 0 до 2n - 1. Число линий адреса в системной шине диктует размер пространства памяти (или, возможно, объединенного пространства памяти и ввода-вывода). При наличии n линий адреса максимальная емкость памяти (или памяти и ввода-вывода) составляет 2n байт. Двадцать линий адреса микропроцессора 8086 обеспечивают емкость до 220 = (210)2 ≈ (103)2 = 1 млн байт.

Когда слово состоит из двух байт, возникает вопрос, адрес какого байта использовать для идентификации слова. Кроме того, иногда требуется указывать конкретный бит в байте или в слове. Принято считать адресом слова адрес его младшего байта. Биты нумеруются с нуля, назначаемого младшему биту. В байте старший бит имеет номер 7, а в слове – номер 15. В памяти младший байт слова располагается по меньшему адресу.

В некоторых компьютерах требуется, чтобы слова начинались по адресам, кратным числу байт в слове, и фиксируется ошибка выравнивания, если это правило не соблюдается. В других же, в том числе и в микропроцессоре 8086, слова могут начинаться по любому адресу; однако обращения к «невыравненным» словам требуют нескольких обращений к памяти.

Традиционно ЦП должен «уметь» выполнять действия со следующими объектами:

присваивания и арифметические выражения;

безусловные переходы;

условные переходы, логические выражения и отношения;

циклы;

массивы и другие структуры данных;

подпрограммы;

ввод-вывод.

Поэтому в архитектуре типичного ЦП, обладающего такими возможностями, имеются устройство управления для дешифрации и исполнения команд, набор рабочих регистров, предназначенных для адресации и производства вычислительных операций, арифметико-логическое устройство (АЛУ)1 для выполнения арифметических и логических операций и секция управления вводом-выводом.

Как и программы на языках высокого уровня, программа на машинном языке выполняется последовательно (до тех пор, пока не встретится команда перехода). Регистр команды2 содержит текущую команду на время ее дешифрации и выполнения, а программный счётчик3 предназначен для хранения адреса следующей команды. Когда текущая команда завершена, адрес из счётчика выдается на шину адреса, и память помещает следующую команду на шину данных, чтобы ЦП ввёл эту команду в свой регистр (выполняется выборка4 команды из памяти). Пока дешифрируется эта команда, определяется её длина в байтах и производится инкремент программного счётчика на эту длину; после этого он адресует следующую команду. Когда выполнение данной команды заканчивается, содержимое счётчика помещается на шину адреса и цикл повторяется.

Команды безусловного перехода позволяют изменить естественный порядок следования команд путем замещения содержимого программного счётчика (т.е. адреса следующей по порядку команды) адресом, определяемым самой командой перехода. Команды условных переходов замещают или не замещают содержимое счётчика в зависимости от результатов предыдущих команд, т.е. текущего состояния процессора, определяемого предыдущими командами. Текущее состояние процессора находится в регистре, называемом словом состояния процессора.5 В этом регистре имеются биты, показывающие такие условия, как получение в предыдущих операциях положительного, отрицательного или нулевого результата. Если после команды «вычитания» находится команда «перехода по нулю», переход осуществляется в том случае, когда слово состояния процессора показывает получение при вычитании нулевого результата. Если же это слово фиксирует ненулевой результат вычитания, переход не производится. Когда реализован переход, начинается выполнение новой последовательности команд с адреса, к которому осуществлен переход.

Циклы обычно реализуются с помощью команд условных переходов, хотя в некоторых микропроцессорах имеются команды, которые объединяют счет и (или) проверку с условным переходом. В большинстве циклов языков высокого уровня, например в циклах FOR языка Бейсик, осуществляется инкремент или декремент счетчика после каждого выполнения тела цикла, и цикл повторяется до тех пор, пока счетчик не достигает предела. При каждом изменении счетчика результат сравнивается с пределом, соответственно устанавливается слово состояния процессора и в зависимости от его содержимого переход производится или нет.

Действия, связанные с вызовом подпрограммы, требуют специальной разновидности перехода. Как и в других переходах, вызов подпрограммы также заменяет содержимое программного счётчика на адрес перехода, но при этом запоминается текущее его содержимое, образующее адрес возврата. Команда возврата должна восстановить в программном счётчике адрес возврата, чтобы после завершения подпрограммы продолжалось последовательное выполнение основной программы. При вызове подпрограммы, кроме запоминания адреса возврата, обычно требуется временно сохранить и другую информацию, такую как содержимое рабочих регистров. Это объясняется тем, что подпрограмма может разрушить первоначальное содержимое этих регистров, которое потребуется при возврате в основную программу. Обычно такая информация запоминается в специальной области памяти, называемой стеком. Адрес ячейки стека, к которой производилось последнее обращение (или, как в некоторых компьютерах, к которой будет происходить следующее обращение), находится в регистре указателя стека.6

Рабочие регистры предназначены для временного хранения информации, которая помогает при адресации и в вычислительном процессе. Их можно разделить на две группы: адресную и арифметическую, хотя некоторые регистры можно отнести к обеим.

Адресная группа применяется для гибкой адресации данных. Обрабатываемое командой данное может быть частью команды, его адрес может быть частью команды, оно может находиться в регистре, его адрес может быть в регистре или адрес данного может быть суммой части команды и содержимого одного или нескольких регистров. Иногда при использовании регистра команда просто идентифицирует регистр, содержащий адрес, но чаще адрес определяется более сложно. Например, при обращении к элементам массива адрес элемента состоит из двух частей – базового адреса (т.е. адреса первого элемента массива) и индекса элемента (т.е. его смещения в памяти относительно первого элемента). Так как часто приходится обрабатывать весь массив, удобна возможность легкого инкремента смещения. Поэтому адрес элемента массива часто вычисляется суммированием содержимого двух регистров, один из которых содержит базовый адрес и называется базовым, а второй содержит смещение и называется индексным. Двумерный массив несколько усложняет ситуацию, требуя сложения базы, смещения в столбце и смещения. При этом обычно суммируются часть команды (смещение), базовый регистр и индексный регистр.

Арифметические регистры предназначены для временного хранения операндов и результатов арифметических операций. Так как основным фактором, ограничивающим быстродействие, являются передачи по системной шине, обращение к регистру осуществляется намного быстрее, чем обращение к памяти. Поэтому при необходимости выполнения нескольких операций над набором данных лучше ввести данные в арифметические регистры, произвести требуемые вычисления и поместить результаты в память, чем обрабатывать данные непосредственно из памяти. Обычно чем больше арифметических регистров находится в составе ЦП, тем выше его быстродействие.

Арифметико-логическое устройство реализует арифметические, логические, сдвиговые и другие операции. Секция управления вводом-выводом содержит схемы ЦП, которые управляют операциями ввода-вывода. Какие схемы находятся в ЦП, а какие образуют внешнюю логику управления шиной, зависит от системы.

Микропроцессорную систему называют мультизадачной,1 если она способна выполнять несколько задач одновременно или переключаться между ними через малые интервалы времени. Программирование мультизадачных систем называют мультипрограммированием. Мультизадачная система может быть многопользовательской, когда терминал каждого пользователя обслуживается отдельной задачей, или однопользовательской, когда пользователь может запустить несколько программ, назначать им приоритеты и переключать их по своему желанию. Можно также позволить каждому пользователю многопользовательской системы реализовать мультизадачность на его терминале, если это не приведёт к перегрузке системы.


^ Центральные процессоры: первые ЦП, Intel 4004, Intel 8008
В 1959 г. Роберт Нойс, 31-летний директор и научный руководитель фирмы Fairchild Semiconductors, разработал первую в мире интегральную схему – совокупность нескольких планарных транзисторов. До этого каждый компонент электронной схемы изготавливался отдельно, а затем они спаивались вручную. С 1962 г. интегральные схемы, прозванные «чипами»,1 были пущены в массовое производство. Степень интеграции схем непрерывно увеличивалась – от 10 транзисторов в 1964 г. до 100 транзисторов в 1970 г. на кристалле кремния одного и того же размера (около 7 см2). Стоимость же ИС оставалась примерно постоянной.

В 1968 г. Р. Нойс и двое его коллег из фирмы Fairchild Semiconductors – Гордон Мур и Энди Гроув – основали фирму Intel.2 Первый её завод был построен в районе Пало-Альто, штат Калифорния. Через два года фирма Intel разработала первую в мире ИС для компьютерной памяти, способную хранить 1 Кбит информации. Эта схема размером менее 0,4 см2 заменяла 1024 сердечника старой ферритовой памяти общей площадью порядка 500 см2.

В это же время (1970 г.) Эдвард Хофф, 34-летний инженер фирмы Intel, получил от японской фирмы Busicom заказ на набор из 12 интегральных микросхем для нового семейства микрокалькуляторов. Такие ИС всегда характеризовались узко специализированными функциями и предназначались для выполнения строго определённой работы, и поэтому для каждого нового применения приходилось заново разрабатывать весь набор микросхем. Это показалось Э. Хоффу экономически невыгодным, и при содействии сотрудников фирмы Intel Стэнли Мэйзора и Федерико Фаггина он сократил количество ИС в наборе с 12 до 4, включив центральный процессор, который выполнял арифметические и логические функции сразу нескольких ИС. Процессор состоял из 2250 транзисторов, размещённых на кристалле размером менее 1 см2. Кроме того, его функции не были жёстко зафиксированы. По конструкции он был сходен с центральным процессором большого компьютера, и его можно было запрограммировать на выполнение практически любых функций.

Выпущенный 15 ноября 1971 г., этот микропроцессор получил наименование 4004. Хотя он и не совсем точно соответствовал описанию, в котором фирма охарактеризовала его как «компьютер в одном кристалле», он не был далёк от этого: он выполнял все функции центрального процессора универсального компьютера. В сочетании ещё с тремя микросхемами – памяти, блока управления и интерфейса ввода-вывода – процессор представлял собой микрокомпьютер – машину, не уступавшую по мощности большим компьютерам середины 1950-х годов. Микропроцессор выпускался в 16-контактном корпусе и выполнял 60 тыс. операций в секунду при тактовой частоте 108 КГц. Адресуемая память составляла 640 байт.

Фирма Intel осознала решающее значение микропроцессоров в миниатюризации компьютеров, и поэтому она выкупила у фирмы Busicom права на продажу микропроцессора 4004 и его усовершенствованных версий за $60 тыс. Позже, как мы знаем, фирма Busicom обанкротилась, а фирма Intel и по сей день остаётся одним из мировых лидеров в области производства микроэлектронной техники.

1 апреля 1972 г. фирма Intel выпустила 8-битную версию процессора 4004 и назвала её 8008. Новый микропроцессор имел 18 контактов, расположенных в двух рядах, и работал на тактовой частоте 200 КГц. Он содержал 3500 транзисторов, выполненных, как и в процессоре 4004, по 10-микронной технологии. Производительность процессора 8008 вдвое превышала производительность его 4-битного предшественника. Фирма Intel предполагала его для использования в калькуляторах и закаточных машинах, но в 1974 г. появилось два персональных компьютера – Mark-8 и Scelbi-8N – на базе этого микропроцессора. Mark-8 считается первым в мире промышленно производимым персональным компьютером – по сегодняшним меркам, весьма тяжёлым в сборке, использовании и обслуживании.

Микропроцессор 8008 имеет аккумулятор, который служит операндом во всех арифметических операциях, 6 регистров общего назначения для хранения промежуточных данных, 8 регистров адреса и отдельно от них – указатель стека, недоступный программно. Все регистры процессора 8008 имели длину 8 бит, но для адресации памяти можно было объединять адресные регистры в регистровые пары, позволяя процессору адресовать 16 Кбайт памяти (два старших бита полученного адреса использовались для выбора адресного пространства памяти или ввода-вывода).

Вскоре после выпуска процессора 8008 в широкую продажу поступили десятки микропроцессоров других фирм. Этому способствовало распространение МОП(металл-оксид-полупроводник)3-технологии, которая позволила увеличить количество компонентов в ИС и значительно снизить их стоимость и энергопотребление. Последнее также означает, что новые ИС выделяли мало тепла; в прошлых конструкциях именно значительное тепловыделение сдерживало дальнейшее увеличение плотности интеграции.

В 1974 г. фирма Texas Instruments разработала устройство TMS-1000, объединявшее ЦП, ПЗУ, ОЗУ, тактовый генератор и схемы ввода-вывода на кристалле размером 0,25 см2 с 28 контактами в двух рядах. Это был первый в мире монокристальный микрокомпьютер, предназначенный для управления карманным калькулятором. Подобные монокристальные микрокомпьютеры применяются в телефонах, музыкальных центрах и других бытовых приборах.


^ Центральные процессоры: Intel 8080 и Intel 8085
Изобретение микропроцессоров поистине преобразило историю вычислительной техники; шутят, что кремниевый кристалл превратил «слоноподобный» компьютер в «кролика» по размерам, цене и скорости размножения и распространения. Точно так же изменились и компании, производящие и продающие компьютеры: ранее это могли делать только «гиганты» наподобие IBM, теперь многие молодые предприниматели-энтузиасты могли заработать на производстве и продаже персональных компьютеров миллионы долларов. Например, в первое пятилетие своего существования компания Apple Computer выросла из частного предприятия, почти не имевшего капитала и состоявшего из двух студентов, бросивших колледж и собирающих компьютер в одном из калифорнийских гаражей, в корпорацию, владеющую капиталом, превосходящим миллиард долларов. В 1981 г., когда персональные компьютеры стали привычной принадлежностью школьных классов, деловых контор и даже квартир, количество проданных экземпляров перевалило за миллион.

Но эра персональных компьютеров считается начавшейся в декабре 1974 г., когда журнал Popular Electronics опубликовал на своей обложке фотографию машины Altair-8800 фирмы MITS1 с подписью «первый в мире мини-компьютерный комплект, который может соперничать с промышленными образцами». Комплект стоил $397 ($398 в собранном виде) – существенно дешевле, чем существовавшие тогда миникомпьютеры. Эта машина была построена на основе микропроцессора Intel 8080, выпущенного 1 апреля 1974 – через 2 года после своего предшественника, процессора 8008. Микропроцессор 8080 имел тактовую частоту 1,77 МГц, повышавшую его производительность до 640 тыс. операций в секунду – в 10 раз выше, чем у процессора 8008. Число транзисторов на кристалле микропроцессора было повышено до 4500, причём для поддержки процессора требовалось всего 6 микросхем (для процессора 8008 – 20). Новый микропроцессор был способен адресовать 64 Кбайт памяти.

Главный редактор журнала Popular Electronics Артур Солсберг давно вынашивал идею поместить на обложку своего журнала нечто более впечатляющее, чем персональный компьютер Mark-8, помещённый в сентябре 1974 г. на обложке основного конкурента его издания – журнала Radio Electronics. Добрые отношения с фирмой MITS журнал поддерживал с 1971 г., когда её микрокалькулятор, разрекламированный Popular Electronics, был продан на сумму $1,2 млн. Поэтому А. Солсберг поручил Лесли Соломону, ведущему технический раздел журнала, описать в январском выпуске 1975 г. персональный компьютер фирмы MITS. Название «Altair» для новой машины выбрал также Л. Соломон в честь звезды, к которой направлялся в телешоу Star Trek космический корабль Enterprise; MITS до этого предлагала назвать компьютер PE-8 в честь журнала Popular Electronics.

При цене микропроцессора 8080 в $360 цена комплекта $397 выглядела смехотворной – по выражению Эдварда Робертса, директора фирмы MITS, купить его было «всё равно, что украсть». За месяц были проданы десятки тысяч наборов Altair-8800; к апрелю 1975 г. у Э. Робертса скопилось 4000 неудовлетворённых заявок; впервые в истории вычислительной техники появились рекламации персональных компьютеров. Для фирмы, находившейся в конце 1974 г. на грани банкротства, это был «абсолютный, мгновенный, безумный успех». В июле 1975 г. в США появился первый в мире магазин по продаже компьютеров, разросшийся впоследствии в целую сеть компьютерных магазинов по всей стране. Бюллетень Computer Notes, издаваемый вице-президентом фирмы MITS Дэвидом Баннелом, достиг тиража 12 тыс. экземпляров. Такой энтузиазм покупателей ПК Altair-8800 был весьма удивительным, если учесть, что для сборки комплекта требовались немалые познания владельца в электронике, а собранный компьютер обладал памятью 256 байт и не имел никаких устройств ввода-вывода, кроме рычажков и лампочек на передней панели. К счастью для покупателей компьютера, спецификация 16-битной шины Altair-100 была открытой, а сама машина допускала установку дополнительных устройств. Некоторое время в отделе программного обеспечения фирмы MITS работали Вильям Гейтс и Пол Аллен, основавшие впоследствии собственную фирму Microsoft; они разработали интерпретатор языка Бейсик для компьютера Altair-8800. В 1977 г. фирма MITS была продана фирме Pertec Computer за $6,5 млн.

В марте 1976 г. фирмой Intel была выпущена усовершенствованная версия процессора 8080, названная 8085. Как и его предшественник, процессор 8085 имел 8-битные шины адреса и данных и мог адресовать 64 Кбайт памяти. Впервые микропроцессор питался от одного источника напряжением 5 В, вместо двух напряжениями 5 и 12 В. Несмотря на повышенную до 5 МГц (в модели 8085A – 6,25 МГц, а в модели 8085A-2 – 10 МГц) тактовую частоту, производительность процессора составила всего 370 тыс. операций в секунду. Также впервые в микропроцессорах фирмы Intel была использована 3-микронная технология (вместо 6-микронной в процессоре 8080), позволившая увеличить степень интеграции до 6500 транзисторов на кристалле той же величины, что и 8080.

Кроме улучшенного ЦПУ, на кристалле микропроцессора 8085 располагались также генератор синхронизации и контроллер приоритетных прерываний, позволяющий обслуживать прерывания с четырёх дополнительных входов запросов прерываний.

Оба микропроцессора – 8080 и 8085 – выпускались в 40-контактных двухрядных корпусах. Первому из них требовалась микросхема поддержки 8228, средства которой встроены в процессор 8085; в остальном процессоры работают аналогично. У процессора 8085 линии адреса и данных мультиплексируются, т.е. 8 линий данных разделяют те же контакты процессора, что и 8 младших линий 16-разрядной шины адреса. Для его работы со старыми микросхемами памяти, совместимыми с процессором 8080, у которого линии адреса и данных не мультиплексируются, требуется отдельная микросхема – демультиплексор, например, Intel 8212.

Микропроцессоры 8080