Введение

1 Развитие микропроцессоров

2 Микропроцессоры i80386

3 Микропроцессоры i80486

4 Процессоры Pentium

5 Производительность процессоров

6 Сопроцессоры

Список используемой литературы

Введение

Важнейший элемент любого PC - микропроцессор. Он в большей степени определяет возможности вычислительной системы. Первый микропроцессор i4004 был изготовлен в 1971г и с тех пор фирма Intel прочно удерживает лидирующее положение на сегменте рынка. Наиболее успешен проект разработки i8080. Именно на ней был основан компьютер "Альтаир", для которого Б. Гейтс написал свой первый интерпретатор Basic. Классическая архитектура i8080 оказала огромное влияние на дальнейшее развитие однокристальных микропроцессоров. Настоящим промышленным стандартом для PC стал микропроцессор i8088, который был анонсирован Intel в июне 1979г. В 1981г "голубой гигант" (фирма IBM) выбрала этот процессор для своего PC. Первоначально микропроцессор i8088 работал на частоте 4.77 МГц и имел быстродействие около 0.33 Mops, однако потом были разработаны его клоны, рассчитанные на более высокую тактовую частоту 8 МГц. Микропроцессор i8086 появился ровно на год раньше, в июле 1978г, стал популярен благодаря компьютеру CompaqDecPro. Опираясь на архитектуру i8086 и учитывая запросы рынка, в феврале 1982г Intel выпустила i80286. Он появился одновременно с новым компьютером IBM PC AT. Наряду с увеличением производительности имел защищенный режим (использовал более изощренную технику управления памятью). Защищенный режим позволил таким программам, как Windows 3.0 и OS/2 работать с ОЗУ выше 1Мб. Благодаря 16-ти разрядным данным на новой системной шине можно обмениваться с ПУ 2-х байтными сообщениями. Новый микропроцессор позволял в защищенном режиме обращаться к 16Мб ОЗУ. В процессоре i80286 впервые на уровне микросхем были реализованы мультизадачность и управление виртуальной памятью. При тактовой частоте 8 МГц достигалась производительность 1.2 Mips.

1 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.

Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное на одной или нескольких интегральных схемах с высокой степенью интеграции электронных элементов.

В 1970 году Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ - первый микропроцессор Intel-4004, который уже в 1971 году был выпущен в продажу.

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.

Кристалл представлял собой 4-разрядный процессор с классической архитектурой ЭВМ гарвардского типа и изготавливался по передовой p-канальной МОП технологии с проектными нормами 10 мкм. Электрическая схема прибора насчитывала 2300 транзисторов. МП работал на тактовой частоте 750 кГц при длительности цикла команд 10,8 мкс. Чип i4004 имел адресный стек (счетчик команд и три регистра стека типа LIFO), блок РОНов (регистры сверхоперативной памяти или регистровый файл - РФ), 4-разрядное параллельное АЛУ, аккумулятор, регистр команд с дешифратором команд и схемой управления, а также схему связи с внешними устройствами. Все эти функциональные узлы объединялись между собой 4-разрядной ШД. Память команд достигала 4 Кбайт (для сравнения: объем ЗУ миниЭВМ в начале 70-х годов редко превышал 16 Кбайт), а РФ ЦП насчитывал 16 4-разрядных регистров, которые можно было использовать и как 8 8-разрядных. Такая организация РОНов сохранена и в последующих МП фирмы Intel. Три регистра стека обеспечивали три уровня вложения подпрограмм. МП i4004 монтировался в пластмассовый или металлокерамический корпус типа DIP (Dual In-line Package) всего с 16 выводами. В систему его команд входило всего 46 инструкций.

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.

По сравнению с i4004 число РОН уменьшилось с 16 до 8, причем два регистра использовались для хранения адреса при косвенной адресации памяти (ограничение технологии - блок РОН аналогично кристаллам 4004 и 4040 в МП 8008 был реализован в виде динамической памяти). Почти вдвое сократилась длительность машинного цикла (с 8 до 5 состояний). Для синхронизации работы с медленными устройствами был введен сигнал готовности READY.

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.

Новое в архитектуре МП - использование многоуровневой системы прерываний по вектору. Такое техническое решение позволило довести общее число источников прерываний до 256 (до появления БИС контроллеров прерываний схема формирования векторов прерываний требовала применения до 10 дополнительных чипов средней интеграции). В i8080 появился механизм прямого доступа в память (ПДП) (как ранее в универсальных ЭВМ IBM System 360 и др.).

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.

2 Микропроцессоры i80386

В октябре 1985 года Intel анонсировал первый 32-разрядный микропроцессор i80386. Первым компьютером, использующий этот микропроцессор, был CompaqDeskPro 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.

Микропроцессор i80386, изготовленный на 1 кристалле с сопроцессором, назывался i80386DX. Более дешевая модель 32-разрядного микропроцессора появилась только в июле 1988г (i80386SX). Новый микропроцессор использовал 16-разрядную шину данных и 24-разрядную шину адреса. Это было особенно удобно для стандартного IBM PC AT. Программное обеспечение, написанное для i80386DX, работало на i80386DX. Внутренние регистры были полностью идентичны. Индекс SX произошел от слова "шестнадцать"(16-разрядная шина данных). Для i486 SX стал означать отсутствие сопроцессора. На осенней выставке в 1989г Intel анонсировала i80486DX, который содержал 1.2 млн. транзисторов на одном кристалле и был полностью совместим с остальными 86-ми процессорами. Новые микросхемы впервые объединили на 1 кристалле ЦП, сопроцессор и Кэш-память. Использование конвейерной архитектуры, присущей RISC-процессорам, позволяющим достичь 4-х кратного производительности обычных 32-разрядных систем. 8Кб встроенной Кэш-памяти ускоряли выполнение за счет промежуточного хранения часто используемых команд и данных. На тактовой частоте 25 МГц микропроцессор имел производительность 16.5 Mips. Созданная в январе 1991г. версия микропроцессора с тактовой частотой 50 МГц позволял увеличить производительность еще на 50%. Встроенный сопроцессор существенно ускорял математические вычисления, однако впоследствии стало ясно, что подобный микропроцессор необходим только 30% пользователей.

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

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

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

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

Микропроцессор Intel 4004

История

Почему 4004?

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

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

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

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

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

Специализированные микросхемы серии 4xxx

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

Коллекционирование

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

Первые микропроцессоры на четыре разряда (бита) состояли из одного кристалла.

Первые микропроцессоры были выполнены на р - МОП-схе-мах. Современные микропроцессоры выполняются на и - МОП-схемах, имеющих низкую стоимость и среднее быстродействие, на предельно-маломощных КМОП-схемах и на ТТЛ-схемах с высоким быстродействием.

Первые микропроцессоры (МП) появились в начале 70 - х годов в результате совместных усилий системотехников, решающих проблемы архитектурной организации средств вычислительной техники, и схемотехников, занимающихся вопросами конструирования и технологии производства радиоэлектронных средств.

Первый микропроцессор - 4-разрядный Intel 404 - поступил на неподготовленный к этому событию рынок в 1971 г. МП 4004 разработанный с ориентацией на требования изготовителей калькуляторов, предстал перед миром как знамение новой эры интегральной электроники.

В первых микропроцессорах применялся способ управления памятью, известный как чисто машинный.

Стоит напомнить, что первые микропроцессоры, импортированные в Японию в 1971 г., стоили около тысячи долларов.

За более чем 30 лет, прошедших с момента появления первых микропроцессоров, были выработаны определенные правила обмена, которым следуют и разработчики новых микропроцессорных систем. Правила эти не слишком сложны, но твердо знать и неукоснительно соблюдать их для успешной работы необходимо.

Операционные системы создаются для какого-либо типа микропроцессоров на основе той системы команд, которая закладывается в микропроцессор при разработке. Первый микропроцессор был создан в фирме Intel, лидировавшей в производстве микросхем.

Может ли какое-либо техническое достижение компьютерной эры соперничать по своей значимости с микропроцессором. Первые микропроцессоры, короткая история которых началась всего десятилетие назад, основывались главным образом на достижениях микроэлектроники - технологии, возникшей гораздо позднее появления самих ЭВМ и в значительной степени независимо от них. С самого начала конструкторы и изготовители микропроцессоров вызывали бурное одобрение, как только им удавалось продемонстрировать, что каждая их новая разработка еще на какой-то шажок становится ближе по структуре к современной средней или большой вычислительной машине. Наблюдатели без труда приходили к выводу, что если плотность монтажа, быстродействие и возможности автоматического проектирования будут продолжать возрастать в соответствии с ожиданиями, то микропроцессоры вскоре по мощности и логике сравняются с крупными мини - ЭВМ, а возможно, и с большими вычислительными машинами.

В 1970 г. был сделан еще один важный шаг на пути к персональному компьютеру - Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большого компьютера. Так появился первый микропроцессор Intel-4004 (см. рис. справа), который был выпущен в продажу в 1971 г. Это был настоящий прорыв, ибо микропроцессор Intel-4004 размером менее 3 см был производительнее гигантской машины ENIAC. Правда, возможности Intel-4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора больших компьютеров того времени, - он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших компьютеров обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил он в десятки тысяч раз дешевле.

Создание такой операционной системы, как PC-DOS, не является ни делом случая, ни результатом чисто технократического планирования. Экономическая конкуренция давно привела к появлению операционных систем для больших ЭВМ еще до появления первых микропроцессоров.

Он представляет собой одну-единственную микросхему, управляющую всем, что происходит в ПК. Микросхема эта работает на определенной тактовой частоте, измеряемой некоторым количеством мегагерц. По сегодняшним меркам первые микропроцессоры (8088 или 80286) были до ужаса медлительны и не смогли бы управлять современными программами.

Переконструировать большую интегральную схему всякий раз, когда компания пожелает обновить ассортимент выпускаемой продукции, что случается очень часто, действительно колоссальная работа. Микропроцессор появился на свет благодаря идее, выдвинутой специалистами из Бизиком: необходимо CKOEI-струировать такую интегральную схему, которую легко можно приспособить к любому новому изделию, осваиваемому их фирмой. Увы, тогда Япония была еще слишком слаба в сфере опытно-конструкторских разработок; поэтому Соединенным Штатам удалось подхватить мячик и убежать, создав первый микропроцессор.

Однако фирма Intel продолжала придерживаться прототипа, средства на разработку которого уже были израсходованы. Таким образом, хорошо известный МП Intel 8008 стал первым микропроцессором на мировом рынке.

Кто и когда изобрел первый микропроцессор в мире

О том, кто изобрел микропроцессор, знает каждый сотрудник компании Intel. В 1969 году в этой, тогда еще не известную, фирму пришли работать японские разработчики, которые раньше занимались проектированием калькуляторов. Инженеры использовали двенадцать интегральных схем, чтобы создать обычный настольный вычислитель. Главную роль в данном проекте играл Масатоши Шима. В то время Тед Хофсор управлял одним из отделов Intel. Он, как будущий создатель микропроцессора, понял вместо калькулятора с возможностью программирования лучше сделать компьютер, который будет программировать работу калькулятора.

Создание первого процессора в мире началось с разработки его архитектуры. В 1969 году один из сотрудников Интел предложил назвать первую серию микропроцессоров как семейство 4000. Каждая модель семейства имело шестнадцать выходных микросхем. Это помогает понять, какой был первый микропроцессор. Модель 4001 имело память на 2 Кб. В модели 4003 был десятибитовый расширитель со связью для клавиатуры и различными индикаторам. А версия 4004 уже было четырехбитовым процессорным устройством. Многие считают, что и был самый первый микропроцессор. В модели 4004 работало две тысячи триста транзисторов. Устройство работало на частоте 108 кГц.

Сегодня можно встретить разные мнения касательно того, когда был создан первый процессора Однако большинство считает, что 15 ноября 1971 года это дата и год создания первого микропроцессора в мире. Первоначально эту разработку выкупила японская фирма Busicom за шестьдесят тысяч долларов, но Интел позже вернула деньги, чтобы оставаться единственными правообладателями изобретения.

Первый процессор использовали в системах управления дорожными движением, в частности в светофорах. Кроме того, устройство применялось в анализаторах крови. Чуть позже 4004 нашел место в космическом зонде Пионер-10, который запустили в 1972 году.

Первый отечественный микропроцессор был создан в начале семидесятых годах в Специальном Вычислительном Центре под руководством Д.И. Юдицкого.

Таким образом, в 70-е года микропроцессоры стали постепенно проникать в самые разные области деятельности человека. Все процессоры позже разделились на непосредственно микропроцессоры и микроконтроллеры. Первые используются в персональных компьютерах, а микроконтроллеры нашли применение в управлении разными системами. В них более слабое вычислительное ядро, но имеется множество дополнительных узлов. Микроконтроллеры иногда называют микро-ЭВМ, поскольку все узлы и модули у них расположены прямо на кристалле.

Фирма Intel выпустила свой первый микропроцессор - модель 4004

Компания Intel выпустила первый в мире микропроцессор, который был доступен всем коммерческим структурам и простым людям. За год до этого военными был разработан микропроцессор F14 CADC(en), который носил гриф «совершенно секретно» до 1998 года.

Японская компания Busicom Corp (ранее называлась Nippon Calculating Machine, Ltd) занималась производством калькуляторов, но микросхемы, требуемые для работы вычислительной машинки, разрабатывала фирма Intel. Поэтому компания Busicom Corp для своего нового калькулятора заказала 12 микросхем. Стоит отметить, что микросхема обладала минимальным количеством функций и способна была выполнять определенный перечень работы. Когда появлялось новое действие, приходилось разрабатывать дополнительную микросхему. Сотрудники компании Intel считали, что это экономически и практически не выгодно. Стоит все имеющиеся микросхемы заменить одним центральным процессором, который будет выполнять все необходимые задачи.

Идею поддержали обе компании. С 1969 года Тэд Хофф, разработчик проекта и представитель компании Intel, и Стэнли Мейзор сотрудник компании Busicom Corp, который ранее занимался общим дизайном микросхем, занялись проектированием процессора. Разработки начались с сокращения количества микросхем до 4. Они включили в себя – центральный процессор, 4-х разрядный центральный процессор, постоянное запоминающее устройство для хранения постоянной информации и оперативное запоминающее устройство для хранения информации пользователя.

Когда в компанию Intel пришел работать итальянский физик Федерико Фаджин, разработки микропроцессора перешли на новый этап. Его потом назовут главным разработчиком микропроцессоров семьи MCS-4. До этого времени Фаджин разрабатывал похожие схемы. В 1961 году в компании Olivetti Федерико занимался логическим проектированием компьютеров. В 1968 году для фирмы Fairchil разработал коммерческую микросхему с технологией silicon gate: Fairchild 3708. Этот опыт помог ему свести в одно целое микропроцессор CPU. Фаджин сделал огромный вклад в развитие и разработку микросхемы. Совместная работа итальянского физика с Масатоси Симой, инженером по программному обеспечению фирмы Busicom Corp, привела к разработке первого микропроцессора 4004, который был представлен всему миру 15 ноября 1971 году. Стоимость микропроцессора составляла 200 долларов.

Почему микропроцессору присвоили имя 4004? Первая цифра обозначает номер изделия. Каждое изделие фирмы Intel имело свой номер. Под первым номером выпускались микросхемы памяти (PMOS-чипы). Под вторым номером выпускались микросхемы NMOS. Под третьим номером проектировались биполярные микросхемы. Соответственно, четвертый номер получили микропроцессоры. Под пятым номером стали выпускать микросхемы CMOS. Под номером семь – магнитные домены. Под восьмым номером – разрядные микропроцессоры и микроконтроллеры. Шестой и девятый номер отсутствовал.

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.