pc.uz
Поиск
Расширенный поиск
РегистрацияЗабыли пароль? Запомнить
Товары Каталог компаний Публикации Объявления События Полезные сервисы Наши вакансии
Пятница, 21 июля 2017г.
USD: 4042.47   EUR: 4613.28
Версия для печати
2008-03-17 13:30:12

История мирового процессоростроения от 4004 до Nehalem. Часть I: Как все начиналось…

Прошли те времена, когда актуальный и ретроспективный обзор существующих процессоров на рынке был плевым делом. Сегодня, задавшись целью рассмотреть все результаты деятельности чипмейкеров, приходится взваливать на свои плечи практически непосильный труд. Я долго откладывал данную статью, хотя с периодичностью несколько раз в месяц приходят письма о востребованности подобного материала. Что ж, попробую описать не только все (!!!) современные процессоры, но и построить их полное «генеалогическое древо».

Часть I. Как все начиналось…

...Ты помнишь, как все начиналось -
Все было впервые и вновь...

По большому счету историю процессоров надо начинать с тех «лохматых времен», когда электротехника еще была наукой эмпирической. Да-да, можно сказать, что современными процессорами мы обязаны и препарированным лягушкам Гальвани, и воздушным змеям Франклина, и когорте славных и немного безбашенных теоретиков и практиков от Ампера до Яблочкова. Благодаря им электротехника стала точной наукой, породив из себя радиотехнику, та в свою очередь дала начало электронике, откуда и вышла, наконец, микроэлектроника. В генеалогическом древе всех современных процессоров должно найтись место и примитивным формам жизни, как, например, лейденская банка или детекторный диод, тупиковым ветвям типа электронных ламп, этим неандертальцам электронного мира. И, разумеется, первому полупроводниковому транзистору и первой интегральной микросхеме.

Идея объединить несколько дискретных элементов в единую схему пришла в 1958 году в голову сразу двум великим инженерам. Одного из них звали Роберт Нойс и он работал директором фирмы Fairchild Semiconductors. Независимо от него Джек Килби из Texas Instruments также придумал нечто, названное интегральной схемой (или микросхемой, или чипом, как чаще их называют сегодня).

А в 1961 году компанией Fairchild Semiconductor Corporation было начато массовое производство микросхем.

Первые микропроцессоры Intel

i4004


До 1971 года микросхемы выполняли узкоспециальные, раз и навсегда «зашитые» в них функции, пока молодая компания Intel, взявшись за исполнение заказа японской компании Busicom, не столкнулась с серьезными трудностями. Заказчику требовалось 12 различных микросхем для одной из моделей программируемого калькулятора, а ресурсы Intel не позволяли освоить подобный масштабный заказ. Идея, пришедшая в голову одному из сотрудников Intel, Тедду Хоффу, блестяще решила эту проблему и положила начало всей микропроцессорной индустрии. Мысль, что и говорить, была просто шикарная – создать универсальную схему, которая могла бы выполнять арифметические и логические функции сразу нескольких микросхем.

Вначале был F-14 CADC…


Если верить некоторым источникам, творцами первого микропроцессора были вовсе не инженеры фирмы Intel, а два американских инженера Рэй Холт и Стив Геллер. Еще в 1968 году они якобы создали 20-разрядный чип SLF (Special Logic Function), который содержал арифметическое вычислительное устройство (ALU), декодер инструкций и поддерживал управляемую логику.

Работы над чипом были строго засекречены, что не удивляет, поскольку он разрабатывался для нужд военной промышленности. Точнее, чип SLF был основой бортового компьютера CADC (Central Air Data Computer) и предназначался для использования в принципиально новом для того времени истребителе F-14 с изменяемой геометрией крыла.

Для нужд бравых американских летчиков требовался не абы какой чип, а поддерживающий слова длиной как минимум 20 разрядов, сопрягавшийся с аналоговой и цифровой аппаратурой, умеющий решать задачи в масштабе реального времени и вдобавок оптимизированный для одновременного выполнения нескольких интенсивных вычислительных процессов (так, в F-14 из-за больших объемов вычислений использовалось одновременно три (!) синхронно работающих микропроцессора SLF). Чип якобы также обладал специально разработанным для него математическим сопроцессором.

Как также сообщается, по окончании работ над CADC Рэй Холт устроился в компанию AMI, которая в 1972 году сочла, что у микропроцессоров нет будущего, и закрыла это направление.

А рассекречены данные по F-14 CADC были только в 1998 году.

Доверять подобной информации? Я не решаюсь…

Так 15 ноября 1971 года на свет появился первый в мире микропроцессор - четырехразрядное детище фирмы Intel i4004.

Чип представлял собой 4-разрядный процессор с классической Гарвардской архитектурой. Микропроцессор i4004 насчитывал 2300 транзисторов, изготавливался по технологии 10 мкм, работал на тактовой частоте 108кГц и был упакован в пластмассовый или металлокерамический DIP-корпус с 16 выводами. Напряжение питания составляло 15В.

Микропроцессор имел трехуровневый адресный стек, блок из 16-ти 4-битных регистров общего назначения (РОН), 4-разрядное параллельное АЛУ, аккумулятор, регистр команд с дешифратором команд и схемой управления, а также схему связи с внешними устройствами. Все функциональные узлы объединялись между собой 4-разрядной шиной данных. Память команд составляла 4 Кбайт. При этом чип мог адресовать до 640 байт памяти.

Набор инструкций i4004 по нашим меркам негуст - всего 46 инструкций (41 — 8-разрядные, 5 — 16-разрядные)



Как видим, i4004 обладал всеми функциями центрального процессора и мог быть с успехом применен для создания действующих компьютеров. Тем не менее, он не нашел себе применения в компьютерной индустрии – его вычислительной мощности с избытком хватало для превосходства над компьютерами 50-х годов, но на дворе было начало семидесятых – мощности ЭВМ были совсем иными. Применялся же микропроцессор в основном в калькуляторах, для управления бытовой электроникой и промышленным оборудованием.



Кстати, микропроцессор i4004 поставлялся и работал в комплекте со вспомогательными микросхемами (i4001 (ROM), i4002 (RAM), i4003 (расширитель ввода-вывода), i4008 (фиксатор адреса) и i4009 (преобразователь доступа ввода-вывода)). Семейство i400x было фактически первым чипсетом и получило специальное название MCS-4.

Хотя сама идея показала себя весьма многообещающей, чипсет MCS-4 так и не стал хитом продаж.

i4040


В начале 1972 года корпорация Intel выпустила более продвинутую модель – i4040. Конструктивно i4040 стал вдвое шире и обзавелся 24-ми ножками. По сравнению с предшественником, некоторые его параметры были улучшены. Набор инструкций был расширен до 60 команд, ПЗУ увеличилось вдвое, стек стал восьмиуровневым, а количество регистров возросло до 24. Но главным нововведением в процессоре стала поддержка прерываний, без которых не обходится практически ни один компьютер современности. Набор вспомогательных микросхем, получивший наименование MSC-40, также был расширен до 9 чипов.

Как и i4004, i4040 использовался не в компьютерной технике, а в управлении оборудованием, игрушках и т.д.

i8008


1 апреля 1972 г. Intel выпускает 8-битную версию процессора i4004, назвав его, не мудрствуя лукаво, i8008. Точно так же и набор микросхем получил название MSC-8.

В отличие от своих четырехбитных предшественников, новый микропроцессор имел архитектуру ЭВМ принстонского типа. Он допускал применение в качестве памяти комбинации ПЗУ и ОЗУ. Переход на одношинную архитектуру не привел к какому-либо снижению производительности. i8008 работал приблизительно в два с половиной раза быстрее, чем i4004, в первую очередь за счет увеличения вдвое разрядности чипа, поднятия рабочей частоты до 500 кГц и уменьшения почти в два раза длительности машинного цикла.

Некоторые ключевые характеристики также были улучшены: количество инструкций было расширено до 65, адресуемая память увеличилась до 16 кБ, не разделяясь более на память команд и данных, появилась возможность адресовать 8 портов ввода и 24 порта вывода. Чудо инженерной мысли содержало 3500 транзисторов и было упаковано в 18-контактный керамический DIP-корпус.

Такой процессор уже мог составить серьезную конкуренцию обычной в то время элементной базе во многих секторах рынка, включая контрольно-измерительное оборудование и системы управления технологическими процессами. Однако i8008, как и i4004/i4040 вынужден был общаться с внешними устройствами через узкий интерфейс, что влекло за собой шифрацию сигналов, а значит, и большое количество вспомогательных чипов. В среднем требовалось до двух десятков микросхем для сопряжения процессора с памятью и устройствами ввода/вывода.

Вскоре увидел свет модернизированный вариант данного процессора, i8008-1. Частота модифицированного чипа была увеличена до 800 кГц, что способствовало его активному использованию в различных областях торговли, промышленности, медицины. Также чип нашел применение и в военной электронике.

Однако, несмотря на непрекращающуюся агитацию фирмы Intel, в первые годы продвижения микропроцессоров на рынок они никак не приживались в компьютерах – ЭВМ тех лет по-прежнему были большими.



И вот, наконец, в 1974 г. на базе микропроцессора i8008 появились сразу два персональных компьютера – Mark-8 и Scelbi-8N. Mark-8 считается первым в мире промышленно производимым персональным компьютером – по сегодняшним меркам, весьма тяжёлым в сборке, использовании и обслуживании.

Конкуренты Intel

Intel недолго была одинока – начиная с 1972 года еще несколько фирм-производителей выпустили свои процессоры. Необходимо отметить, что в те времена еще не существовало наработанных решений, стандартов и традиций – каждая компания разрабатывала свою продукцию «как Бог на душу положит», закладывая в нее самые разные функции. Одни из них оказались непонятыми и соответственно невостребованными, другие же определили пути развития индустрии на долгие годы.

1972 год – появился микропроцессор TMS1000 от компании Texas Instruments. Это был первый микропроцессор «все в одном», не требующий дополнительных микросхем. В самом чипе были реализованы ОЗУ (32 байта), ПЗУ (1 кбайт), часы и поддержка ввода/вывода. Это дает нам все основания считать TMS1000 первым микроконтроллером (см. врезку). Также в нем впервые была реализована возможность изменения набора инструкций, тем самым TMS1000 породил целый класс чипов с микропрограммным управлением.

Микроконтроллеры


Микроконтроллер (МК) – представляет из себя компьютер на одном кристалле. Применяется для управления различными электронными устройствами. В отличие от микропроцессора (МП), микроконтроллер содержит встроенные дополнительные устройства. К ним относятся различные устройства памяти (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ и т.п.), порты ввода/вывода, интерфейсы связи (параллельные, последовательные, АЦП и ЦАП, устройства управления дисплеями и т.п.), таймеры, системные часы. Разумеется, эти устройства быстрее и надежнее внешних аналогов.

Микроконтроллеры применяются практически повсеместно: в промышленном и торговом оборудовании (станки, кассовые аппараты, детекторы валют, электронные весы), бытовой технике (холодильники, стиральные машины, кухонные комбайны, телевизоры, видеомагнитофоны и т.п.), на транспорте, короче говоря, везде, где от прибора требуется хоть какой-то уровень интеллекта.

Правда, во всем остальном архитектура чипа оставляла желать лучшего – он представлял собой 4-битный процессор, имевший 9 разновеликих регистров: 4-pазpядный регистр Y и 2-х или 3-х разрядный регистр X (объединявшиеся для создания 6 или 7-pазpядного индексного регистра), 4-разрядный аккумулятор, однобитный регистр состояния, 6-pазpядный счетчик, 4-pазpядный регистр страницы, 1-pазpядный регистр банка, 6-pазpядный регистр возврата из подпрограммы и 4-pазpядный буфер страницы.

Его набор команд состоял из 12 жестко заданных 8-разрядных инструкций и 31 программируемой инструкции. Процессор не поддерживал прерывания.

Тем не менее, этот микропроцессор, точнее микроконтроллер, имел немалый успех. Он широко применялся в игровых консолях, бытовых приборах, микрокалькуляторах и других электронных устройствах – за все время было продано более 10 миллионов штук TMS1000.

3 квартал 1972 года – появился 4-битный микропроцессор PPS-4 от компании Rockwell. Он, правда, несколько запоздал – Intel уже щеголяла 8-битным i8008, продукт же Rockwell мог составить конкуренцию разве что i4004. Процессор, тем не менее, за счет грамотно разработанной архитектуры получился довольно-таки резвым, что сразу же привлекло к нему внимание разработчиков систем. В нем были реализованы некоторые интересные идеи, в частности, возможность использования под стек оперативной памяти.

Система команд данного процессора имела уклон в сторону вычислительных задач, что не удивительно – чип изначально разрабатывался для применения в калькуляторах. По этой же причине у него отсутствовала поддержка прерываний.

4 квартал 1972 года – 8-битный микропроцессор 7200 от компании AMI. Первый так называемый секционный процессор. Он был реализован не как монокристальный процессор, а состоял из трех частей: блока регистров с арифметико-логическим устройством (RALU), блока управления (CU) и микропрограммного ПЗУ (MROM). Как и PPS-4, он был микропроцессором с микропрограммным управлением.

1 квартал 1973 года – появился микропроцессор IMP-4 от компании National Semiconductor. IMP-4 по многим заложенным в него возможностям опередил свое время на несколько лет. Как и Ami 7200, IMP-4 состоял из трех частей – блока регистров с арифметико-логическим устройством (RALU) на 4-битном чипе IMP-00A, блока сопряжения с памятью и периферией (FILU) и модуля управления с ПЗУ (CROM), который позволял разработчику зашивать в ПЗУ свой собственный набор команд. Выпускалось несколько стандартных вариантов набора команд - изначально IMP-4A/521 (4-битный стандартный набор), позднее появились IMP-8A/520 (8-битный стандартный набор), IMP-16A/521 (16-битный стандартный набор) и IMP-16A/522 (16-битный расширенный набор).

Как и Ami 7200, IMP-4 был одним из первых секционных (bit-slice) микропроцессоров с микропрограммным управлением.

Его набор регистров включал в себя целых четыре аккумулятора, также IMP-4 обладал достаточно мощными встроенными средствами обработки прерываний.

Разумеется, секционная и микропрограммная архитектура давали мощные средства в руки разработчиков. Но были у них и серьезные минусы. Уровень технологий того времени не позволил разработчикам объединить все составные части в монокристальный процессор, что отрицательно сказалось на стоимости решений, а также на простоте построения систем на их основе. К тому же использование микропрограммного управления не было оправдано при построении простых 4-разрядных систем, где в основном и применялись данные комплекты.

PPS-4, Ami 7200 и IMP-4 стали предшественниками i3000 и AMD Am2900, но сами, к сожалению, не оказали серьезного влияния на рынок.

1 квартал 1973 года – появился первый японский микропроцессор uPD751 (uCOM-4) от компании NEC. 4-битный процессор работал на частоте 1 MHz и мог адресовать 4 kb памяти. Он не использовал прерывания и имел набор из 55 инструкций. Использовался в POS-терминалах.

1 квартал 1974 года – 8-битный микропроцессор 5065 от компании Mostek.

2 квартал 1974 года – 12-битный микропроцессор TLCS-12A (T3190) от компании Toshiba.

3 квартал 1974 года – 16-битный микропроцессор CP1600 от компании General Instrument. Работал на частоте 0.89 MHz. Применялся в игровых консолях, управлении бытовой техникой, микрокомпьютерах, в более поздних компьютерах (типа ZX-Spectrum) использовался в музыкальном синтезаторе.

1974 год – 8-битный микропроцессор PPS-8 от компании Rockwell. Более продвинутая версия PPS-4

Заключение

Как видим, к 1974 году немало фирм, оценивших перспективность данного сектора рынка, начало подтягиваться и пробовать свои силы в производстве микропроцессоров. Все упомянутые в первой части статьи процессоры относятся к первому поколению. Во второй части статьи я расскажу о появлении второго поколения микропроцессоров и нешуточных «силиконовых» войнах, вспыхнувших в середине 70-х.

Прочитано: 30306 раз(а)  |  Комментариев: 16  |  Средняя оценка (макс. 7): 7 (Голосов: 4)
Вы не авторизованы для голосования
отсутствуют

Комментарии к статье (16).
2012-04-27 21:27:05, Гость_:
Гость_donald duck
Гость_фокс
Это интересно системщикам и реверсивщикам, хотя данная статья - нисколько, но обыватель проглотит, да еще как, будет молиться на интел. Хотя зачем обывателю это все знать? Обыватель должен выполнять приказы, а не лезть в дебри. Как дважды два, интел = хорошо, микрософт = хорошо, микрософт + интел = единственное, что есть в мире. Нету ( интела + микрософт ) = плохо => срочно купить ( интел + микрософт ).

А что, AMD в данные годы создавало что-нибудь оригинальное? Или кто создавал, TI? IBM?
А что, по-Вашему только Intel создает что-то оригинальное? А Вы вообще какие-либо другие архитектуры кроме x86 знаете? Вам такие названия как SPARC, PowerPC, ARM ни о чем не говорят?
2010-05-02 18:57:34, Гость_ярик:
с большим уважением посмотрел я на свой е8400 , после прочтения этой статьи - спасибо
2010-01-28 00:07:16, Гость_Jenix:
Вы пишите
“Микропроцессор i4004 насчитывал 2300 транзисторов, изготавли-вался по технологии 10 мкм, работал на тактовой частоте 108кГц и был упакован в”
Это не правда – вот здесь
http://download.intel.com/museum/archives/pdf/4004_datasheet.pdf
есть доставерные сведения о машинном цикле 4004.
Ошибка же в 108 кГц. Связана с тем что маркетологи неправильно поняли 10,8 микросекунд как килогерц – ну не умеют они.
Можно сказать что это первый в истории IT пиар-ход.
Потому что реальная частота равно 92,6 кГц.
Можно сказать что это первая ошибка в процессорах Intel ;-)
И это есть в документах самой Intel и миллионы раз повторено дру-гими без всякой проверки.
А сейчас и в википедии поправлено.
 
Далее
“Как и i4004, i4040 использовался не в компьютерной технике, а в управлении оборудованием, игрушках и т.д.”
Уже через 4 месяца (в марте 1972) после выпуска 4004 полетел на борту Пионера-10 к Юпитеру и Сатурну, а щас он уже “где-то не здесь” т.е. за орбитой Плутона
2009-12-11 15:33:19, Гость_:
Отличная статья. Спасибо.
2009-06-16 12:29:59, Гость_donald duck:
Гость_фокс
Это интересно системщикам и реверсивщикам, хотя данная статья - нисколько, но обыватель проглотит, да еще как, будет молиться на интел. Хотя зачем обывателю это все знать? Обыватель должен выполнять приказы, а не лезть в дебри. Как дважды два, интел = хорошо, микрософт = хорошо, микрософт + интел = единственное, что есть в мире. Нету ( интела + микрософт ) = плохо => срочно купить ( интел + микрософт ).

А что, AMD в данные годы создавало что-нибудь оригинальное? Или кто создавал, TI? IBM?
2009-06-15 19:28:51, Гость_фокс:
Это интересно системщикам и реверсивщикам, хотя данная статья - нисколько, но обыватель проглотит, да еще как, будет молиться на интел. Хотя зачем обывателю это все знать? Обыватель должен выполнять приказы, а не лезть в дебри. Как дважды два, интел = хорошо, микрософт = хорошо, микрософт + интел = единственное, что есть в мире. Нету ( интела + микрософт ) = плохо => срочно купить ( интел + микрософт ).
2008-11-27 08:59:13, Гость_ZTEP_17:
Очень понравилась информация, спасибо =)
Давно интересуют первые процессоры, их развитие, как сильно все отличалось от современности. Давно хочу понять, каким образом в 1 кб на первых приставках могли запихнуть игру )
Интересно каким образом уже в середине-конце 60тых были синтезаторы (наверное на ИС или транзисторах?..)
Жаль что среди друзей мало, кто интересуется подобной тематикой
Иногда кажется, что я родился не в то время =)
2008-03-24 02:40:52, VITUS [админ, автор статьи]:
2 Гость_lgjlk:
ОК. Уточненная фраза теперь выглядит так:
 
"Если верить некоторым источникам, творцами первого микропроцессора были вовсе не инженеры фирмы Intel...
 
Теперь, полагаю верно?
2008-03-21 15:25:23, Гость_lgjlk:
> Если верить некоторым источникам, творцами
> первого процессора были вовсе не инженеры фирмы Intel
 
чему тут не верить ? первые процессоры были и задолго до интеля. интелю принадлежит лишь честь первыми собрать несколько узлов, ранее выпускавшихся в виде отдельных микросхем - АЛУ, ПЗУ микрокода, регистровое ОЗУ, шина ввода-вывода - в _одну_ микросхему. потому и называлось их детище _микро_процессором, то есть микросхемой, выполнявшей функции процессора. до этого процессор чаше выпускался в виде платы, на которой было несколько микросхем.
 
небольшое уточнение, а то получается у вас как "интернет изобрела майкрософт"Well
2008-03-21 09:52:08, Гость_Казахстан:
Хорошая статья, молодеж должна знать как все начиналось. Читал с интересом, главное не длинно и все толком и доходчиво.Автору спасибо.
2008-03-17 13:27:42, Vitus [админ, автор статьи]:
Статья переработана! i8080 вынесен во вторую часть, добавлен блок "конкуренты Intel".
2008-02-28 00:07:27, Гость_al_beruniy:
Всё таки большое спасибо за информацию
2008-02-22 15:39:22, Vitus [админ, автор статьи]:
2 Remo: Спасибо на добром слове и за конструктивную критикуWellПостараюсь довести до конца не только этот труд, но и кое-что из предыдущих :)
2008-02-17 01:09:33, Гость_Remo:
Читателю: говорите только за себя - лично я прочел с удовольствием. Специально погуглил - есть информация, нет систематизации. Если у pc.uz и у автора в частности хватит пороха закончить этот труд - честь им и хвала.
 
Автору: Виталий, мне нравятся Ваши материалы, позвольте все же указать Вам на некоторые моменты. Что до самих материалов - тут все на высшем уровне. И данные и стиль и тщательность проработки. Но Вы беретесь не первый раз за глобальный труд, как это было с мониторами, памятью, энциклопедией компьютерного здоровья, теперь вот с процессорами. Интересно, но не закончено. Постарайтесь все таки довести до конца хотя бы один цикл. Вот, извините, если обидел.
2008-02-15 20:08:59, Гость_читатель:
Угу. Кому это интересно - и так в Инете найдут. Большинство же это не интерисует в принципе. Причем абсолютное большинство.
Бесполезная трата сил это называется, уж извините.
2008-02-14 00:02:08, Гость_Простак:
Ну, давайте, давайте - поглядим, вспомним историю, хотя, если честно, кому это теперь все еще интересно?
Когдя я рассказываю студентом, как в свое время во время лабораторных занятий в гроб-ЭВМ(?) Наири-2 программу с помощью палочек-операндов (или как они там назывались?) набирал, то чувствую, что слушатели меня воспринимают ровесником динозавров...
В этой теме комментарии отключены.
Регистрация в каталоге Обратная связь Размещение на сайте Приглашаем авторов! О проекте Наши партнеры
Все товары, подлежащие обязательной сертификации, сертифицированы, лицензируемые услуги - лицензированы. © ООО «GISinfo»; 2013. Все права защищены.
YP
Рейтинг@Mail.ru
Uzinfocom Datacenter
Add engine