6. Эволюция микропроцессоров

Своему появлению микропроцессор обязан фирме Intel. Фирма Intel (от Integrated Electronics – интегральная электроника) основана 18 июля 1968 г. Гордоном Муром (Gordon Moore) и Бобом Нойсом (Bob Noyce). Первой идеей нового предприятия было создание полупроводниковых ЗУ, призванных заменить ЗУ на магнитных сердечниках. Поскольку к концу 60-х годов память этого типа практически исчерпала весь свой потенциал развития, проблема была весьма актуальной, а ее решение сулила немалые прибыли. И хотя в данной области Intel добилась заметных успехов, тем не менее мировую славу ей принесли совсем другие изделия.

Переломным моментом в истории фирмы Intel стал 1969 г., когда ныне уже не существующая японская фирма Busicom предложила Intel разработать серию специализированных микросхем для калькуляторов нового образца. В те времена логические микросхемы, предназначенные для построения процессоров ЭВМ, разрабатывались исключительно на заказ, под конкретную продукцию конкретного производителя, что чрезвычайно ограничивало сферу применения любой такой микросхемы. Инженеры, работающие в фирме Busicom, создали проект (руководитель проекта Масатоси Шима), в котором предполагалось использовать 12 подобных уникальных микросхем с числом транзисторов в каждой от 3 до 5 тысяч. Перед этим фирма Intel освоила технологию производства микросхем, содержащих 2000 транзисторов. Работая над проектом для Busicom, инженеры фирмы Intel (ведущий специалист Тед Хофф) отвергли столь неуклюжую конструкцию, предложив революционную концепцию проектирования логических микросхем: расположить на одном-единственном кристалле логическое устройство общего назначения, считывающее прикладные команды из полупроводникового ЗУ. Если заказчикам требуется изделие с конкретными свойствами, они могут его запрограммировать, а фирма Intel запишет эту программу в ПЗУ. В этом случае фирме уже не придется разрабатывать для каждого заказчика новый набор логических схем. Разработанное устройство, явившееся ядром набора из четырех микросхем и получившее название центрального процессора, не только отвечало всем требованиям, предъявляемым к калькулятору Busicom, но и без каких-либо особых модификаций могло найти применение в других аналогичных приборах. Осознав громадный потенциал своей новой разработки, Intel предложила вернуть компании Busicom ее первоначальные инвестиции в размере 60 тысяч долларов в обмен на все права на данную продукцию. Японская фирма, столкнувшаяся к тому времени с финансовыми затруднениями, предложение приняла.

В конце 1970 г. состоялась официальная презентация вычислительного микроустройства 4004 (термин «микропроцессор» появился позднее). 15 ноября 1970 г. фирма Intel приступила к поставкам первого в мире микропроцессора – Intel 4004. Кристалл представлял собой 4-разрядный процессор с классической архитектурой ЭВМ гарвардского типа и изготавливался по передовой в те года p-канальной МОП-технологии с проектными нормами 10 мкм. МП 4004 содержал 2300 транзисторов, размещенных на кристалле площадью 3,2Ч4,3 мм, имел весьма ограниченные возможности адресации памяти (1280 полубайтов данных и 4 Кбайт команд) и невысокое быстродействие (30000 операций в секунду). Микропроцессор работал на тактовой частоте 750 кГц при длительности цикла команды 10,8 мкс. МП 4004 слишком маломощен, чтобы выполнять функции процессора, однако вполне может служить основой калькулятора. Одна БИС МП 4004 заменила сотни схем, составляющих в то время элементную базу промышленных ЭВМ. Система из 46 команд кажется скромной по сегодняшним меркам, однако она вполне адекватна для решения задач управления с принятием решения, которые не помещаются в программируемые логические матрицы. Поэтому МП 4004 получил применение в простых системах управления и играх.

Разрабатывая первый в мире микропроцессор, специалисты Intel с самого начала позаботились о простоте и удобстве построения систем на базе i4004. компанией был разработан и выпущен не один кристалл центрального процессора, а целое семейство БИС, в которое вошли ПЗУ 4001, ОЗУ 4002, регистр сдвига 4003 и ряд других вспомогательных микросхем. Поскольку все они были рассчитаны на совместное использование, разработка аппаратных средств системы заметно упрощалась, и это стало не последней причиной популярности i4004.

Успех МП 4004 послужил для фирмы Intel стимулом для разработки в 1972 г. первого 8-разрядного МП 8008. В отличие от своих предшественников новый МП имеет архитектуру ЭВМ принстонского типа. Он включает 3500 транзисторов, выполняет свыше 60000 операций в секунду, адресует 16 Кбайт памяти, а также имеет внутренний стек емкостью 8 байт и одноуровневую систему прерываний. МП работает на частоте 800 кГц при длительности командного цикла 12,5 мкс. Количество команд увеличено до 65. Однако системы команд МП 8008 и 4004 несовместимы. МП 8008 уже имел достаточную мощность, чтобы служить ЦП микроЭВМ. На протяжении первой половины 70-х годов фирма Intel продолжала убеждать инженеров-разработчиков, что «ЭВМ на кристалле» является реальной альтернативой традиционным устройствам с жесткими связями.

В 1974 г. фирма Intel выпустила более совершенный 8-разрядный МП 8080, который был совместим снизу-вверх с МП 8008. Он содержал более 4500 транзисторов и выпускался по n-МОП технологии с проектными нормами 6 мкм. МП адресует память емкостью 64 Кбайт и имеет средства работы со внешним стеком. МП 8080 в течение более 10 лет являлся мировым стандартом среди 8-разрядных микропроцессоров. К 1976 г., когда эта фирма выпустила МП 8085 (8-разрядный МП, для которого требовался один источник питания +5 В и меньшая номенклатура вспомогательных ИС) на рынке уже имелся большой выбор 8-разрядных МП. В число конкурирующих изделий входили МП Z80 фирмы Zilog, MSC6502 фирмы MOS Technology, MC6800, а в последствии 6809 фирмы Motorola. Некоторые из этих МП были изготовлены в огромных количествах, что привело к снижению цен и способствовало применению в потребительских товарах, в том числе в домашних компьютерах.

Для построения управляющих устройств и других прикладных применений разрабатываются однокристальные микроЭВМ, содержащие в своем составе небольшие ОЗУ и ПЗУ: 8048 фирмы Intel, 6801 фирмы Motorola, Z8 фирмы Zilog и TMS9940 фирмы Texas Instruments.

Однокристальные МП выполняются с использованием МОП- (MOS-) технологий, позволяющих размещать на одном кристалле большое число элементов - МОП-транзисторов. Однако МОП-структуры, которые использовались в первых поколениях МП, существенно уступали в быстродействии биполярным структурам. Биполярные БИС (например, маломощные ТТЛ-схемы с диодами Шотки) обладали по сравнению с МОП-кристаллами намного большим быстродействием, но значительно меньшей плотностью упаковки элементов на кристалле. Появился второй тип МП - многокристальный биполярный разрядно-модульный микропрограммируемый МП, основанный на конструктивном принципе функционально-разрядного слоя, предполагающем реализацию на кристалле малоразрядной МП секции. В этом случае для обеспечения заданной разрядности обрабатываемых слов МП составляется из соответствующего количества одинаковых кристаллов МП секций, объединяемых микропрограммным управляющим блоком, реализованным на отдельных кристаллах. Наиболее известное семейство разрядно-модульных МП - Am2900 фирмы Advanced Micro Devices (AMD). МП этого типа обеспечивают большую гибкость в достижении нужных пользователю характеристик проектируемой микросистемы, предоставляя пользователю возможность задавать специализированную систему команд, ориентированную на определенное применение. Однако при этом пользователь должен разработать микропрограммы, реализующие эти команды, и поместить их в управляющую память МП. Использование микропрограммируемых МП связано с определенными трудностями, требует от разработчика довольно высокой квалификации в вопросах ВТ. Поэтому дальнейшее развитие микропроцессоров идет по пути разработки различных вариантов однокристальных МП с фиксированной системой команд.

В 1977 г. появились 16-разрядные МП. Первые из них – PAGE фирмы National Semiconductor, CP1600 фирмы GIM и TMS9900 фирмы Texas Instruments – имели лишь несколько большее быстродействие по сравнению с 8-разрядными МП, но более поздние 16-разрядные МП, появлявшиеся начиная с 1978 г., имели гораздо более высокую производительность. Быстродействие МП 8086 фирмы Intel в десять раз больше, чем у i8080, а последующие 16-разрядные МП, такие как MC68000 фирмы Motorola, Z8000 фирмы Zilog, TMS99000 фирмы Texas Instruments, NS16032 фирмы National Semiconductor, MC68010 фирмы Motorola и 80286 фирмы Intel, имели все более высокое быстродействие по мере совершенствования полупроводниковой технологии и внутренней архитектуры.

Первые 32-разрядные МП появились в 1981 г. Это были МП Focus фирмы Hewlett Packard и WE32000 фирмы AT&T. В 1983 г. появились МП NS32032 фирмы National Semiconductor и NCR/32 фирмы National Cash Register. В 1985 г. рынок был наводнен 32-разрядными МП. В начале этого года появился MC68020 фирмы Motorola, а к его окончанию МП T414 фирмы Inmos и 80386 фирмы Intel. Впоследствии в 1986 г. был выпущен МП Z80000 фирмы Zilog.

В дальнейшем развитие микропроцессорной техники неразрывно связано с компанией Intel, которая сохраняет до сегодняшнего дня лидерство в этой динамичной и высокотехнологичной области науки и техники.

15 ноября 2000 года состоялась презентация Pentium 4 — новой модели 32-разрядных микропроцессоров компании Intel. Тем самым был положен конец сомнениям по поводу дальнейшего развития этого семейства. В связи с появлением в 2000 году нового семейства высокопроизводительных 64-разрядных процессоров Itanium, многие специалисты считали, что долгий век семейства процессоров 80x86 - Pentium, начатого в 1978 году моделью 8086 и представляемого в настоящее время последними моделями Pentium III, Pentium III Xeon, Celeron, близится к окончанию. Однако выпуск Pentium 4 показал, что это не так. В процессоре Pentium 4 сохраняется архитектура IA-32 (Intel Architеcture – 32), характерная для всех 32 - разрядных микропроцессоров Intel, начиная с i386. Поэтому пользователь имеет дело с хорошо знакомым набором регистров и способов адресации, работает с базовой системой команд и известными вариантами реализации прерываний и исключений. Однако внутренняя структура (микроархитектура) процессора Pentuim 4 значительно отличается от предшествующей микроархитектуры семейства P6, к которому относятся Pentium II, Pentium III и Celeron.

Перечисленными процессорами не исчерпывается весь мировой ассортимент микропроцессоров. Это только представители семейства процессоров, имеющих обобщенное название x86. ряд фирм (например, AMD, Cyrix, IBM) выпускает процессоры, совместимые с перечисленными процессорами Intel и имеющими свои характерные особенности. Обычно они слегка отставали от изделий Intel, выпускаемых в то же время. Однако семейство процессоров K7 фирмы AMD (Duron, Athlon) изменило ситуацию.