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

• Часть I. Как все начиналось...
• Часть II. Восьмибитовые войны
• Часть III. 16 бит, которые изменили мир

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…

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.

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.

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.