.jpg/1280px-AMD_Ryzen_5_2600_(39851733273).jpg)
Микропроцессор — это компьютерный процессор , в котором логика обработки данных и управление включены в одну интегральную схему (ИС) или в небольшое количество ИС. Микропроцессор содержит арифметические, логические и управляющие схемы, необходимые для выполнения функций центрального процессора (ЦП) компьютера . Микросхема способна интерпретировать и выполнять инструкции программы, а также выполнять арифметические операции. [1] Микропроцессор представляет собой многоцелевую цифровую интегральную схему с тактовым управлением и регистрами , которая принимает двоичные данные в качестве входных данных , обрабатывает их в соответствии с инструкциями , хранящимися в памяти , и выдает результаты (также в двоичной форме) в качестве выходных данных. Микропроцессоры содержат как комбинационную логику , так и последовательную цифровую логику и оперируют числами и символами, представленными в двоичной системе счисления .
Интеграция всего ЦП в одну или несколько интегральных схем с использованием сверхкрупномасштабной интеграции (СБИС) значительно снизила стоимость вычислительной мощности. Процессоры интегральных схем производятся в больших количествах с помощью высокоавтоматизированных процессов изготовления металл-оксид-полупроводник (МОП) , что приводит к относительно низкой цене за единицу продукции . Однокристальные процессоры повышают надежность, поскольку в них меньше электрических соединений, которые могут выйти из строя. По мере совершенствования конструкции микропроцессоров стоимость производства чипа (с меньшими компонентами, построенными на полупроводниковом чипе того же размера) обычно остается неизменной в соответствии с законом Рока .
До появления микропроцессоров небольшие компьютеры создавались с использованием стоек печатных плат со множеством интегральных схем среднего и малого размера , обычно типа TTL . Микропроцессоры объединили это в одну или несколько крупномасштабных ИС. Хотя существуют разногласия по поводу того, кто заслуживает похвалы за изобретение микропроцессора, первым коммерчески доступным микропроцессором был Intel 4004 , разработанный Федерико Фаггином и представленный в 1971 году .
Продолжающееся увеличение мощности микропроцессоров с тех пор сделало другие виды компьютеров почти полностью устаревшими (см. историю вычислительного оборудования ), при этом один или несколько микропроцессоров используются во всем, от самых маленьких встроенных систем и портативных устройств до крупнейших мэйнфреймов и суперкомпьютеров .
Микропроцессор связан с системой на кристалле , микроконтроллером и процессором цифровых сигналов , но отличается от них.
Сложность интегральной схемы ограничена физическими ограничениями на количество транзисторов , которые можно разместить на одном кристалле, количество выводов корпуса, которые могут соединить процессор с другими частями системы, количество возможных соединений. на чипе и тепло, которое чип может рассеивать . Развитие технологий делает возможным производство более сложных и мощных чипов.
Минимальный гипотетический микропроцессор может включать только арифметико-логическое устройство (АЛУ) и секцию логики управления . АЛУ выполняет сложение, вычитание и такие операции, как И или ИЛИ. Каждая операция АЛУ устанавливает один или несколько флагов в регистре состояния , которые указывают на результаты последней операции (нулевое значение, отрицательное число, переполнение или другие). Логика управления извлекает коды команд из памяти и инициирует последовательность операций, необходимых АЛУ для выполнения инструкции. Один код операции может повлиять на множество отдельных путей данных, регистров и других элементов процессора.
По мере развития технологии интегральных схем стало возможным производить все более сложные процессоры на одном кристалле. Размер объектов данных стал больше; увеличение количества транзисторов на кристалле позволило увеличить размеры слов с 4- и 8-битных слов до сегодняшних 64-битных слов. В архитектуру процессора были добавлены дополнительные возможности; Увеличение количества встроенных регистров ускоряло работу программ, а сложные инструкции можно было использовать для создания более компактных программ. Например, арифметика с плавающей запятой часто была недоступна на 8-битных микропроцессорах, и ее приходилось выполнять программно . Интеграция блока с плавающей запятой сначала в виде отдельной интегральной схемы, а затем как части той же микропроцессорной микросхемы ускорила вычисления с плавающей запятой.
Иногда физические ограничения интегральных схем приводили к необходимости использования таких методов, как подход с использованием битовых срезов . Вместо обработки всего длинного слова на одной интегральной схеме несколько схем параллельно обрабатывали подмножества каждого слова. Хотя это требовало дополнительной логики для обработки, например, переноса и переполнения внутри каждого слайса, в результате получилась система, которая могла обрабатывать, например, 32-битные слова с использованием интегральных схем емкостью всего четыре бита каждая.
Возможность размещения большого количества транзисторов на одном кристалле позволяет интегрировать память на одном кристалле с процессором. Этот кэш ЦП имеет преимущество более быстрого доступа, чем внекристальная память, и увеличивает скорость обработки системы для многих приложений. Тактовая частота процессора увеличивается быстрее, чем скорость внешней памяти, поэтому кэш-память необходима, если процессор не должен задерживаться из-за более медленной внешней памяти.
Микропроцессор — это объект общего назначения. Затем последовало несколько специализированных обрабатывающих устройств:
Микропроцессоры можно выбирать для различных приложений в зависимости от размера их слова, который является мерой их сложности. Более длинные размеры слов позволяют процессору выполнять больше вычислений в каждом такте , но соответствуют физически более крупным кристаллам интегральных схем с более высоким энергопотреблением в режиме ожидания и в рабочем режиме . [3] 4-, 8- или 12-битные процессоры широко интегрируются в микроконтроллеры, работающие со встроенными системами. Если ожидается, что система будет обрабатывать большие объемы данных или потребуется более гибкий пользовательский интерфейс , используются 16-, 32- или 64-битные процессоры. 8- или 16-битный процессор может быть выбран вместо 32-битного процессора для систем на кристалле или приложений микроконтроллера, которые требуют электроники с чрезвычайно низким энергопотреблением или являются частью интегральной схемы смешанных сигналов с шумочувствительным встроенным чипом. аналоговая электроника , такая как аналого-цифровые преобразователи высокого разрешения или и то, и другое. Некоторые люди говорят, что выполнение 32-битной арифметики на 8-битном чипе может потребовать больше энергии, поскольку чип должен выполнять программное обеспечение с несколькими инструкциями. [4] Однако другие говорят, что современные 8-битные чипы всегда более энергоэффективны, чем 32-битные чипы при выполнении эквивалентных программных процедур. [5]
Тысячи предметов, которые традиционно не имели отношения к компьютерам, включают микропроцессоры. К ним относятся бытовая техника , транспортные средства (и аксессуары к ним), инструменты и испытательные приборы, игрушки, выключатели света/диммеры и автоматические выключатели , датчики дыма, аккумуляторные блоки и аудио/видео компоненты Hi-Fi (от DVD-плееров до проигрывателей фонографов ). . Такие продукты, как сотовые телефоны, видеосистемы DVD и системы вещания HDTV, по сути, требуют потребительских устройств с мощными и недорогими микропроцессорами. Все более строгие стандарты контроля загрязнения фактически требуют от производителей автомобилей использования микропроцессорных систем управления двигателем, чтобы обеспечить оптимальный контроль выбросов в самых разных условиях эксплуатации автомобиля. Непрограммируемые элементы управления потребуют громоздкой или дорогостоящей реализации для достижения результатов, возможных с помощью микропроцессора.
Программа управления микропроцессором ( встроенное программное обеспечение ) может быть адаптирована к потребностям линейки продуктов, что позволяет повысить производительность при минимальной переработке продукта. Уникальные функции могут быть реализованы в различных моделях продуктовой линейки при незначительных производственных затратах.
Микропроцессорное управление системой может обеспечить стратегии управления, которые было бы непрактично реализовать с использованием электромеханического управления или специального электронного управления. Например, система управления двигателем внутреннего сгорания может регулировать момент зажигания в зависимости от частоты вращения двигателя, нагрузки, температуры и любой наблюдаемой тенденции к детонации, что позволяет двигателю работать на различных сортах топлива.
Появление недорогих компьютеров на интегральных схемах изменило современное общество . Микропроцессоры общего назначения в персональных компьютерах используются для вычислений, редактирования текста, отображения мультимедиа и связи через Интернет . Многие другие микропроцессоры являются частью встроенных систем , обеспечивающих цифровой контроль над множеством объектов, от бытовой техники до автомобилей и сотовых телефонов, а также управления промышленными процессами . Микропроцессоры выполняют двоичные операции на основе булевой логики , названной в честь Джорджа Буля . Способность управлять компьютерными системами с использованием булевой логики была впервые доказана в диссертации 1938 года студентом магистратуры Клодом Шенноном , который позже стал профессором. Шеннон считается «отцом теории информации». В 1951 году микропрограммирование было изобретено Морисом Уилксом в Манчестерском университете , Великобритания, благодаря осознанию того, что центральным процессором можно управлять с помощью специализированной программы, находящейся в специальном ПЗУ . [6] Уилксу также приписывают идею символических меток, макросов и библиотек подпрограмм. [7]
После разработки микросхем МОП-интегральных схем в начале 1960-х годов к 1964 году МОП-чипы достигли более высокой плотности транзисторов и более низких производственных затрат, чем биполярные интегральные схемы . Сложность МОП-чипов продолжала увеличиваться со скоростью, предсказанной законом Мура , что привело к крупномасштабной интеграции. (LSI) с сотнями транзисторов на одном МОП-чипе к концу 1960-х годов. Применение микросхем MOS LSI для вычислений стало основой для первых микропроцессоров, поскольку инженеры начали осознавать, что полный компьютерный процессор может содержаться на нескольких микросхемах MOS LSI. [8] Конструкторы в конце 1960-х годов стремились интегрировать функции центрального процессора (ЦП) компьютера в несколько микросхем МОП-БИС, называемых наборами микропроцессоров (МПУ).
Хотя существуют разногласия по поводу того, кто изобрел микропроцессор, [2] [9] первым коммерчески доступным микропроцессором был Intel 4004 , выпущенный в виде одной микросхемы MOS LSI в 1971 году. [10] Однокристальный микропроцессор стал возможен благодаря разработке технологии МОП -кремниевых затворов (SGT). [11] Самые ранние МОП-транзисторы имели алюминиевые металлические затворы , которые итальянский физик Федерико Фаггин заменил кремниевыми самовыравнивающимися затворами для разработки первого МОП-чипа с кремниевым затвором в компании Fairchild Semiconductor в 1968 году. [11] Позже Фаггин присоединился к Intel и использовал свой кремний. -gate MOS для разработки 4004 вместе с Марсианом Хоффом , Стэнли Мазором и Масатоши Шимой в 1971 году . это в новый однокристальный дизайн. Intel представила первый коммерческий микропроцессор, 4-битный Intel 4004, в 1971 году. Вскоре за ним последовал 8-битный микропроцессор Intel 8008 в 1972 году. Набор микросхем MP944, использовавшийся в центральном компьютере обработки данных F-14 в 1970 году, также был упоминается как один из первых микропроцессоров, но не был известен публике до тех пор, пока не был рассекречен в 1998 году.
Вскоре последовали и другие встроенные применения 4-битных и 8-битных микропроцессоров, такие как терминалы , принтеры , различные виды автоматизации и т. д. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией также привели к появлению первых микрокомпьютеров общего назначения с середины 1970-х годов.
Первое использование термина «микропроцессор» приписывают компании Viatron Computer Systems [13] , описывающей специальную интегральную схему, использованную в их небольшой компьютерной системе System 21, анонсированной в 1968 году.
С начала 1970-х годов увеличение мощности микропроцессоров подчинялось закону Мура ; Первоначально это предполагало, что количество компонентов, которые можно разместить на чипе, удваивается каждый год. При нынешних технологиях это происходит фактически каждые два года, [14] [ устаревший источник ] , и в результате Мур позже изменил этот период на два года. [15]
Эти проекты создали микропроцессор примерно в одно и то же время: Central Air Data Computer (CADC) компании Garrett AiResearch (1970 г.), TMS 1802NC компании Texas Instruments (сентябрь 1971 г.) и Intel 4004 (ноябрь 1971 г., на основе более ранней модели Busicom 1969 г.) . дизайн). Вероятно, микропроцессор Four-Phase Systems AL1 также был поставлен в 1969 году.
Четырехфазная система AL1 представляла собой 8-битную микросхему слайса , содержащую восемь регистров и АЛУ. [16] Он был разработан Ли Бойселом в 1969 году. [17] [18] [19] В то время он составлял часть девятичипового 24-битного процессора с тремя AL1. Позже он был назван микропроцессором, когда в ответ на судебный процесс со стороны Texas Instruments в 1990-х годах Бойсел сконструировал демонстрационную систему, в которой один AL1 стал частью демонстрационной компьютерной системы в зале суда вместе с ОЗУ, ПЗУ и устройством ввода-вывода. [20]
В 1968 году компания Garrett AiResearch (в которой работали дизайнеры Рэй Холт и Стив Геллер) была приглашена для создания цифрового компьютера, который мог бы составить конкуренцию электромеханическим системам, которые тогда находились в разработке для главного компьютера управления полетом нового истребителя F-14 Tomcat ВМС США . Разработка была завершена к 1970 году, и в качестве основного процессора использовался набор микросхем на основе MOS . Конструкция была значительно (примерно в 20 раз) меньше и намного надежнее, чем механические системы, с которыми она конкурировала, и использовалась во всех ранних моделях Tomcat. Эта система содержала «20-битный конвейерный параллельный мультимикропроцессор » . Военно-морской флот отказывался публиковать проект до 1997 года. Выпущенная в 1998 году документация по CADC и чипсету MP944 хорошо известна. Автобиографическая история Рэя Холта об этом проекте и разработке представлена в книге «Инженер-случай». [21] [22]
Рэй Холт окончил Калифорнийский государственный политехнический университет в Помоне в 1968 году и начал свою карьеру в области компьютерного дизайна в CADC. [23] С момента своего создания он был окутан тайной до 1998 года, когда по запросу Холта ВМС США разрешили сделать документы общедоступными. Холт утверждал, что никто не сравнивал этот микропроцессор с теми, что появились позже. [24] Согласно Парабу и др. (2007),
Научные статьи и литература, опубликованные примерно в 1971 году, показывают, что цифровой процессор MP944, использовавшийся на самолете F-14 Tomcat ВМС США, считается первым микропроцессором. Хотя это и интересно, это не был однокристальный процессор, как и Intel 4004 — оба они больше походили на набор параллельных строительных блоков, которые можно было использовать для создания формы общего назначения. Он содержит ЦП, ОЗУ , ПЗУ и два других вспомогательных чипа, таких как Intel 4004. Он был создан по той же технологии P-channel , работал по военным спецификациям и имел чипы большего размера — превосходный компьютерный инженерный проект по любым стандартам. Его дизайн указывает на значительный прогресс по сравнению с Intel, выпущенным двумя годами ранее. Он действительно работал и летал на F-14, когда был анонсирован Intel 4004. Это указывает на то, что сегодняшняя отраслевая тема конвергенции DSP - архитектур микроконтроллеров началась в 1971 году. [25]
Эта конвергенция архитектур DSP и микроконтроллера известна как контроллер цифровых сигналов . [26]
В 1990 году американский инженер Гилберт Хаятт получил патент США № 4,942,516, [27] который был основан на 16-битном последовательном компьютере, который он построил в своем доме в Нортридже, штат Калифорния , в 1969 году из плат биполярных микросхем после ухода с работы в Teledyne. в 1968 году; [2] [28] хотя патент был подан в декабре 1970 года и до подачи заявок Texas Instruments на TMX 1795 и TMS 0100, изобретение Хаятта так и не было произведено. [28] [29] [30] Тем не менее, это привело к заявлениям о том, что компания Hyatt была изобретателем микропроцессора и выплатила значительные гонорары через дочернюю компанию Philips NV , [31] до тех пор, пока компания Texas Instruments не выиграла сложную судебную тяжбу в 1996 году, когда Патентное ведомство США отменило ключевые части патента, позволив Hyatt сохранить его. [2] [32] Хаятт сказал в статье Los Angeles Times 1990 года , что его изобретение было бы создано, если бы его поддержали потенциальные инвесторы, и что венчурные инвесторы передали отрасли информацию о его чипе, хотя он не уточнил никаких доказательств. чтобы поддержать это утверждение. [28] В той же статье цитируется автор книги «Чип» Т.Р. Рид , который сказал, что историки могут в конечном итоге назвать Хаятта соавтором микропроцессора, так же, как Нойс из Intel и Килби из TI разделяют заслугу в изобретении чипа в США. 1958: «Килби первым пришла в голову идея, но Нойс воплотил ее в жизнь. Юридическое решение в конечном итоге было в пользу Нойса, но они считаются соавторами. То же самое может произойти и здесь». [28] После 1990 года Хаятт продолжал вести десятилетнюю судебную тяжбу со штатом Калифорния по поводу предполагаемой неуплаты налогов на непредвиденную прибыль от его патента, кульминацией которой стало знаковое дело Верховного суда, касающееся суверенного иммунитета штатов в Налоговом совете по франчайзингу Калифорния против Хаятта (2019 г.) .
Вместе с Intel (разработавшей 8008 ), компания Texas Instruments в 1970–1971 годах разработала однокристальную замену ЦП для терминала Datapoint 2200 , TMX 1795 (позже TMC 1795). Как и 8008, она была отклонена клиентом Datapoint. По словам Гэри Буна, TMX 1795 так и не поступил в производство. Тем не менее, 24 февраля 1971 года он достиг состояния рабочего прототипа, поэтому это первый в мире 8-битный микропроцессор. [33] Поскольку он был построен по той же спецификации, его набор инструкций был очень похож на Intel 8008. [34] [35]
TMS1802NC был анонсирован 17 сентября 1971 года и реализовал калькулятор с четырьмя функциями. TMS1802NC, несмотря на свое обозначение, не входил в серию TMS 1000 ; Позже он был переименован в серию TMS 0100, которая использовалась в калькуляторе TI Datamath. Несмотря на то, что TMS1802NC продавался как калькулятор на кристалле, он был полностью программируемым, включая на кристалле ЦП с 11-битным командным словом, 3520 бит (320 инструкций) ПЗУ и 182 бита ОЗУ. [34] [36] [35] [37]
В 1971 году компании Pico Electronics [38] и General Instrument (GI) представили свою первую совместную работу в области микросхем — полноценную однокристальную микросхему калькулятора для калькулятора Monroe/ Litton Royal Digital III. Этот чип также может претендовать на звание одного из первых микропроцессоров или микроконтроллеров, имеющих ПЗУ , ОЗУ и набор команд RISC на кристалле. Схема четырех слоев процесса PMOS была нарисована вручную на майларовой пленке в масштабе x500, что в то время было важной задачей, учитывая сложность чипа.
Pico была дочерней компанией пяти инженеров-конструкторов GI, целью которых было создание однокристальных микросхем для калькуляторов. У них уже был значительный опыт проектирования нескольких чипсетов калькуляторов как с GI, так и с Marconi-Elliott . [39] Первоначально компания Elliott Automation поручила ключевым членам команды создать 8-битный компьютер на MOS, и они помогли создать исследовательскую лабораторию MOS в Гленротсе , Шотландия, в 1967 году.
Калькуляторы становились крупнейшим рынком полупроводников, поэтому Pico и GI добились значительных успехов на этом растущем рынке. GI продолжала внедрять инновации в микропроцессоры и микроконтроллеры, выпустив такие продукты, как CP1600, IOB1680 и PIC1650. [40] В 1987 году бизнес GI Microelectronics был выделен в бизнес по производству микроконтроллеров Microchip PIC .
.jpg/1280px-C4004_(Intel).jpg)
Intel 4004 часто (ошибочно) рассматривается как первый настоящий микропроцессор, построенный на одном кристалле, [41] [42] по цене 60 долларов США (что эквивалентно 430 долларам США в 2022 году). [43] Заявление о том, что он первый, определенно ложно, поскольку более ранний TMS1802NC также был настоящим микропроцессором, построенным на одном кристалле, и то же самое относится только к прототипу — 8-битному TMX 1795. [44] Первая известная реклама для 4004 датирован 15 ноября 1971 года и появился в Electronic News . [ нужна ссылка ] Микропроцессор был разработан командой, состоящей из итальянского инженера Федерико Фаггина , американских инженеров Марсиана Хоффа и Стэнли Мазора , а также японского инженера Масатоши Сима . [45]
Проект, в рамках которого был создан 4004, зародился в 1969 году, когда Busicom , японский производитель калькуляторов, попросил Intel создать набор микросхем для высокопроизводительных настольных калькуляторов . Первоначальный проект Busicom предусматривал создание программируемого набора микросхем, состоящего из семи различных чипов. Три микросхемы должны были составить ЦП специального назначения, программа которого хранилась в ПЗУ, а данные хранились в памяти для чтения и записи сдвигового регистра. Тед Хофф , инженер Intel, которому было поручено оценить проект, считал, что конструкцию Busicom можно упростить, используя для хранения данных динамическое ОЗУ, а не память сдвигового регистра, и более традиционную архитектуру ЦП общего назначения. Хофф предложил архитектуру из четырех микросхем: микросхему ПЗУ для хранения программ, микросхему динамического ОЗУ для хранения данных, простое устройство ввода-вывода и 4-битный центральный процессор (ЦП). Хотя он и не был разработчиком микросхем, он чувствовал, что процессор можно интегрировать в один чип, но, поскольку ему не хватало технических знаний, эта идея на данный момент оставалась лишь мечтой.
Хотя архитектура и спецификации MCS-4 возникли в результате взаимодействия Хоффа со Стэнли Мазором , подчинённым ему инженером-программистом, и с инженером Busicom Масатоши Шимой , в течение 1969 года Мазор и Хофф перешли к другим проектам. В апреле 1970 года Intel наняла итальянского инженера Федерико Фаггина в качестве руководителя проекта, и этот шаг в конечном итоге сделал окончательный проект однокристального процессора реальностью (тем временем Шима разработал прошивку калькулятора Busicom и помогал Фаггину в течение первых шести месяцев реализации). Фаггин, который первоначально разработал технологию кремниевых затворов (SGT) в 1968 году в Fairchild Semiconductor [46] и спроектировал первую в мире коммерческую интегральную схему с использованием SGT, Fairchild 3708, имел необходимый опыт, чтобы привести проект к тому, что впоследствии стало первой коммерческой интегральной схемой. микропроцессор общего назначения. Поскольку SGT был его собственным изобретением, Фаггин также использовал его для создания своей новой методологии проектирования случайной логики , которая позволила реализовать однокристальный процессор с нужной скоростью, рассеиваемой мощностью и стоимостью. Во время разработки MCS-4 руководителем отдела проектирования MOS компании Intel был Лесли Л. Вадас, но внимание Вадаса было полностью сосредоточено на основном бизнесе полупроводниковой памяти, поэтому он оставил руководство и управление проектом MCS-4 Фаггину. , который в конечном итоге отвечал за реализацию проекта 4004. Производственные единицы 4004 были впервые доставлены Busicom в марте 1971 года и отправлены другим клиентам в конце 1971 года .
За Intel 4004 в 1972 году последовал Intel 8008 , первый 8-битный микропроцессор Intel . [47] Однако 8008 не был продолжением конструкции 4004, а, скорее, кульминацией отдельного проектного проекта Intel, возникшего в результате контракта с Computer Terminals Corporation из Сан-Антонио, Техас, на чип для терминала, который они разрабатывали [48] Datapoint 2200 — фундаментальные аспекты конструкции исходили не от Intel, а от CTC. В 1968 году Вик Пур и Гарри Пайл из CTC разработали оригинальный дизайн набора команд и работы процессора. В 1969 году CTC заключила контракт с двумя компаниями, Intel и Texas Instruments , на создание однокристальной реализации, известной как CTC 1201. [49] В конце 1970 или начале 1971 года компания TI прекратила производство, так как не смогла создать надежную деталь. В 1970 году, когда Intel еще не поставила эту деталь, CTC решила использовать свою собственную реализацию в Datapoint 2200, используя вместо этого традиционную логику TTL (таким образом, первая машина, выполнявшая «код 8008», на самом деле вообще не была микропроцессором и была поставлена годом ранее). Версия микропроцессора 1201 от Intel появилась в конце 1971 года, но была слишком запоздалой, медленной и требовала ряда дополнительных вспомогательных микросхем. СТС не была заинтересована в его использовании. Изначально CTC заключила контракт с Intel на поставку чипа и должна была бы ей 50 000 долларов США (что эквивалентно 361 298 долларам США в 2022 году) за их проектные работы. [49] Чтобы не платить за чип, который им не нужен (и который они не могут использовать), CTC освободила Intel от контракта и разрешила им бесплатное использование конструкции. [49] В апреле 1972 года Intel продавала его под названием 8008 как первый в мире 8-битный микропроцессор. Он послужил основой для знаменитого компьютерного комплекта « Марк-8 », рекламируемого в журнале « Радиоэлектроника» в 1974 году. Этот процессор имел 8-битную шину данных и 14-битную адресную шину. [50]
Модель 8008 была предшественником успешного Intel 8080 (1974 г.), который предлагал улучшенную производительность по сравнению с 8008 и требовал меньшего количества вспомогательных чипов. Федерико Фаггин задумал и спроектировал его, используя высоковольтную N-канальную МОП-схему. Zilog Z80 (1976) также был разработкой Faggin, в нем использовался низковольтный N-канал с истощающей нагрузкой и производные 8-битные процессоры Intel: все они были разработаны с использованием методологии, созданной Faggin для 4004. Motorola выпустила конкурирующий 6800 в августе 1974 года, а аналогичная MOS Technology 6502 была выпущена в 1975 году (оба разработаны в основном одними и теми же людьми). Семейство 6502 конкурировало по популярности с Z80 в 1980-е годы.
Низкая общая стоимость, небольшая упаковка, простые требования к компьютерной шине , а иногда и интеграция дополнительных схем (например, встроенной схемы обновления памяти Z80 ) позволили резко ускорить «революцию» домашних компьютеров в начале 1980-х годов. В результате были выпущены такие недорогие машины, как Sinclair ZX81 , которые продавались за 99 долларов США (что эквивалентно 318,67 долларов США в 2022 году). Разновидность 6502, технология MOS 6510, использовалась в Commodore 64 , а еще один вариант, 8502, использовался в Commodore 128 .
Western Design Center, Inc (WDC) представил CMOS WDC 65C02 в 1982 году и передал лицензию на разработку нескольким фирмам. Он использовался в качестве ЦП в персональных компьютерах Apple IIe и IIc , а также в медицинских имплантируемых кардиостимуляторах и дефибрилляторах , автомобильных, промышленных и потребительских устройствах. WDC была пионером в лицензировании микропроцессоров, за ней в 1990-х годах последовали ARM (32-разрядные) и другие поставщики интеллектуальной собственности (IP) на микропроцессоры.
Motorola представила MC6809 в 1978 году. Это была амбициозная и хорошо продуманная 8-битная конструкция, совместимая по исходному коду с 6800 и реализованная с использованием чисто аппаратной логики (последующие 16-битные микропроцессоры обычно в некоторой степени использовали микрокод , как Требования к конструкции CISC становились слишком сложными для чистой аппаратной логики).
Еще одним ранним 8-битным микропроцессором был Signetics 2650 , который пользовался кратковременным всплеском интереса благодаря своей инновационной и мощной архитектуре набора команд .
Основополагающим микропроцессором в мире космических полетов был RCA 1802 (также известный как CDP1802, RCA COSMAC) (представленный в 1976 году), который использовался на борту зонда Галилео к Юпитеру (запущен в 1989 году, прибыл в 1995 году). RCA COSMAC первой внедрила технологию CMOS . CDP1802 использовался потому, что он мог работать при очень малой мощности , а также потому, что был доступен вариант, изготовленный с использованием специального производственного процесса кремний на сапфире (SOS), который обеспечивал гораздо лучшую защиту от космического излучения и электростатических разрядов, чем у любого другого. процессор той эпохи. Таким образом, версия SOS 1802 была названа первым радиационно-стойким микропроцессором.
RCA 1802 имел статическую конструкцию , а это означало, что тактовую частоту можно было сделать сколь угодно низкой или даже остановить. Это позволило космическому кораблю «Галилео» использовать минимум электроэнергии на длительных участках полета без происшествий. Таймеры или датчики будут пробуждать процессор вовремя для выполнения важных задач, таких как обновление навигации, управление ориентацией, сбор данных и радиосвязь. Текущие версии Western Design Center 65C02 и 65C816 также имеют статические ядра и, таким образом, сохраняют данные даже при полной остановке тактовой частоты.
Семейство Intersil 6100 состояло из 12-битного микропроцессора (6100) и ряда микросхем периферийной поддержки и памяти. Микропроцессор распознал набор команд миникомпьютера DEC PDP-8 . Поэтому его иногда называли CMOS-PDP8 . Поскольку он также производился корпорацией Harris, он также был известен как Harris HM-6100 . Благодаря своей технологии КМОП и связанным с ней преимуществам, 6100 использовался в некоторых военных разработках до начала 1980-х годов.
Первым многокристальным 16-битным микропроцессором стал National Semiconductor IMP-16 , представленный в начале 1973 года. 8-битная версия набора микросхем была представлена в 1974 году как IMP-8.
Другие ранние многокристальные 16-битные микропроцессоры включают MCP-1600 , который Digital Equipment Corporation (DEC) использовала в OEM-наборе плат LSI-11 , и миникомпьютере PDP-11/03 в корпусе , а также Fairchild Semiconductor MicroFlame 9440, оба представленные в 1975–76. В конце 1974 года компания National представила первый 16-разрядный однокристальный микропроцессор National Semiconductor PACE [51] , за которым позже последовала версия NMOS INS8900 .
Следующим в списке идет General Instrument CP1600 , выпущенный в феврале 1975 года [52] , который использовался в основном в консоли Intellivision .
Еще одним ранним однокристальным 16-битным микропроцессором был TMS 9900 от TI , который также был совместим с линейкой миникомпьютеров TI-990 . 9900 использовался в миникомпьютере TI 990/4, домашнем компьютере TI-99/4A и линейке OEM-микрокомпьютерных плат TM990. Чип был упакован в большой керамический 64-контактный DIP-корпус , в то время как в большинстве 8-битных микропроцессоров, таких как Intel 8080, использовался более распространенный, меньший и менее дорогой пластиковый 40-контактный DIP-корпус. Последующий чип, TMS 9980, был разработан, чтобы конкурировать с Intel 8080, имел полный 16-битный набор команд TI 990, использовал пластиковый 40-контактный корпус, перемещал данные по 8 бит за раз, но мог адресовать только 16 КБ . Третий чип, TMS 9995, имел новую конструкцию. Позже семейство расширилось и включило модели 99105 и 99110.
Западный центр дизайна (WDC) представил 16-битную модернизацию WDC CMOS 65C02 CMOS 65816 в 1984 году. 16-битный микропроцессор 65816 был ядром Apple IIGS , а затем и Super Nintendo Entertainment System , что сделало его одной из самых популярные 16-битные проекты всех времен.
Intel «увеличила» свой дизайн 8080 до 16-битного Intel 8086 , первого члена семейства x86 , на котором работает большинство современных компьютеров типа ПК . Intel представила 8086 как экономичный способ переноса программного обеспечения с линеек 8080 и на этой основе сумела добиться большого успеха в бизнесе. 8088 , версия 8086, которая использовала 8-битную внешнюю шину данных, была микропроцессором в первом IBM PC . Затем Intel выпустила 80186 и 80188 , 80286 , а в 1985 году — 32-битный 80386 , закрепив свое доминирование на рынке ПК благодаря обратной совместимости процессоров этого семейства. 80186 и 80188 по сути были версиями 8086 и 8088, дополненными некоторыми встроенными периферийными устройствами и несколькими новыми инструкциями. Хотя процессоры Intel 80186 и 80188 не использовались в конструкциях типа IBM PC, [ сомнительно ] версии второго исходного кода от NEC, V20 и V30, часто использовались. Модель 8086 и ее преемники имели инновационный, но ограниченный метод сегментации памяти , а модель 80286 представила полнофункциональный блок управления сегментированной памятью (MMU). В 80386 была представлена плоская 32-битная модель памяти с управлением страничной памятью.
16-разрядные процессоры Intel x86, включая 80386, не содержат модулей с плавающей запятой (FPU) . Intel представила математические сопроцессоры 8087 , 80187 , 80287 и 80387 , чтобы добавить аппаратные возможности вычислений с плавающей запятой и трансцендентных функций в процессоры с 8086 по 80386. 8087 работает с 8086/8088 и 80186/80188, [53] 80187 работает с 80186, но не с 80188, [54] 80287 работает с 80286, а 80387 работает с 80386. Комбинация процессора x86 а сопроцессор x87 образует единый многокристальный микропроцессор; два чипа программируются как единое целое с использованием единого интегрированного набора команд. [55] Сопроцессоры 8087 и 80187 подключаются параллельно шинам данных и адреса своего родительского процессора и непосредственно выполняют предназначенные для них инструкции. Сопроцессоры 80287 и 80387 подключены к ЦП через порты ввода-вывода в адресном пространстве ЦП, это прозрачно для программы, которой не нужно знать об этих портах ввода-вывода или напрямую обращаться к ним; программа обращается к сопроцессору и его регистрам через обычные коды операций инструкций.
16-битные конструкции появились на рынке лишь недолго, когда начали появляться 32-битные реализации.
Наиболее значимым из 32-битных проектов является Motorola MC68000 , представленный в 1979 году. 68k, как он был широко известен, имел 32-битные регистры в своей модели программирования, но использовал 16-битные внутренние пути данных, три 16-битных арифметических устройства. логические модули и 16-битную внешнюю шину данных (для уменьшения количества контактов), а также внешне поддерживаемые только 24-битные адреса (внутри она работала с полными 32-битными адресами). В IBM-совместимых мэйнфреймах на базе ПК внутренний микрокод MC68000 был изменен для эмуляции 32-битного мэйнфрейма System/370 IBM. [56] Motorola обычно описывала его как 16-битный процессор. Сочетание высокой производительности, большого (16 мегабайт или 2 24 байта) объема памяти и достаточно низкой стоимости сделали его самой популярной конструкцией ЦП в своем классе. В проектах Apple Lisa и Macintosh использовался 68000, как и в других разработках середины 1980-х годов, включая Atari ST и Amiga .
Первым в мире однокристальным полностью 32-битным микропроцессором с 32-битными путями данных, 32-битными шинами и 32-битными адресами был BELLMAC-32A AT&T Bell Labs , первые образцы которого были выпущены в 1980 году, а общее производство началось в 1982 году. [57] [58] После продажи AT&T в 1984 году он был переименован в WE 32000 (WE от Western Electric ) и имел два последующих поколения, WE 32100 и WE 32200. Эти микропроцессоры использовались в AT&T . миникомпьютеры 3В5 и 3В15; в 3B2, первом в мире настольном супермикрокомпьютере; в «Компаньоне», первом в мире 32-битном портативном компьютере; и в «Александре», первом в мире супермикрокомпьютере размером с книгу, оснащенном картриджами памяти с ПЗУ, аналогичными современным игровым консолям. Все эти системы работали под управлением операционной системы UNIX System V.
Первым коммерческим однокристальным полностью 32-битным микропроцессором, доступным на рынке, был HP FOCUS .
Первым 32-битным микропроцессором Intel был iAPX 432 , который был представлен в 1981 году, но не имел коммерческого успеха. Он имел расширенную объектно-ориентированную архитектуру, основанную на возможностях , но низкую производительность по сравнению с современными архитектурами, такими как собственная архитектура Intel 80286 (представленная в 1982 году), которая была почти в четыре раза быстрее в типичных тестах производительности. Однако результаты iAPX432 отчасти были обусловлены поспешным и, следовательно, неоптимальным компилятором Ada . [ нужна цитата ]
Успех Motorola с 68000 привел к появлению MC68010 , в котором добавлена поддержка виртуальной памяти . В MC68020 , представленном в 1984 году, были добавлены полные 32-битные шины данных и адреса. 68020 стал чрезвычайно популярен на рынке супермикрокомпьютеров Unix , и многие небольшие компании (например, Altos , Charles River Data Systems , Cromemco ) производили системы размером с настольный компьютер. Следующим был представлен MC68030 , усовершенствовавший предыдущую конструкцию за счет интеграции MMU в чип. Продолжающийся успех привел к появлению MC68040 , который включал FPU для улучшения математических характеристик. 68050 не смог достичь своих целей по производительности и не был выпущен, а последующий MC68060 был выпущен на рынок, насыщенный гораздо более быстрыми RISC-конструкциями. Семейство 68k вышло из употребления в начале 1990-х годов.
Другие крупные компании разработали 68020 и последующие модели для встраиваемого оборудования. В какой-то момент во встроенном оборудовании было больше процессоров 68020, чем процессоров Intel Pentium в ПК. [59] Ядра процессора ColdFire являются производными от 68020.
В это время (с начала до середины 1980-х годов) компания National Semiconductor представила очень похожую 16-битную распиновку, 32-битный внутренний микропроцессор под названием NS 16032 (позже переименованный в 32016), полную 32-битную версию, названную NS 32032 . Позже National Semiconductor выпустила NS 32132 , который позволял двум процессорам находиться на одной шине памяти со встроенным арбитражем. NS32016/32 превзошел MC68000/10, но NS32332, появившийся примерно в то же время, что и MC68020, не обладал достаточной производительностью. Чип третьего поколения, NS32532, был другим. Его производительность была примерно вдвое выше, чем у MC68030, выпущенного примерно в то же время. Появление RISC-процессоров, таких как AM29000 и MC88000 (сейчас оба мертвы), повлияло на архитектуру последнего ядра NS32764. Технически продвинутый — с суперскалярным RISC-ядром, 64-битной шиной и внутренним разгоном — он по-прежнему мог выполнять инструкции Series 32000 посредством трансляции в реальном времени.
Когда компания National Semiconductor решила уйти с рынка Unix, чип был перепроектирован в процессор Swordfish Embedded с набором встроенных периферийных устройств. Чип оказался слишком дорогим для рынка лазерных принтеров и был убит. Команда разработчиков обратилась в Intel и разработала процессор Pentium, который внутренне очень похож на ядро NS32764. Большой успех серии 32000 был достигнут на рынке лазерных принтеров, где NS32CG16 с микрокодированными инструкциями BitBlt имел очень хорошее соотношение цены и производительности и был принят на вооружение такими крупными компаниями, как Canon. К середине 1980-х годов компания Sequent представила первый компьютер серверного класса SMP на базе NS 32032. Это было одно из немногих преимуществ конструкции, и оно исчезло в конце 1980-х годов. MIPS R2000 (1984 г.) и R3000 (1989 г.) были очень успешными 32-битными RISC-микропроцессорами . Они использовались, в частности, на высокопроизводительных рабочих станциях и серверах SGI . Другие разработки включали Zilog Z80000 , который появился на рынке слишком поздно, чтобы иметь шанс, и быстро исчез.
ARM впервые появился в 1985 году. [60] Это RISC- процессор, который с тех пор стал доминировать в процессорном пространстве 32-битных встраиваемых систем во многом благодаря своей энергоэффективности, модели лицензирования и широкому выбору системных процессоров . Инструменты разработки. Производители полупроводников обычно лицензируют ядра и интегрируют их в свои собственные системы на кристаллах ; лишь немногие из таких поставщиков, такие как Apple, имеют лицензию на модификацию ядер ARM или создание своих собственных. Большинство сотовых телефонов , как и множество других продуктов, оснащены процессором ARM. Существуют ядра ARM, ориентированные на микроконтроллеры, без поддержки виртуальной памяти, а также процессоры приложений симметричного многопроцессора (SMP) с виртуальной памятью.
С 1993 по 2003 год 32-разрядные архитектуры x86 становились все более доминирующими на рынках настольных компьютеров , ноутбуков и серверов, а эти микропроцессоры становились быстрее и мощнее. Intel лицензировала ранние версии архитектуры другим компаниям, но отказалась лицензировать Pentium, поэтому AMD и Cyrix создали более поздние версии архитектуры на основе своих собственных разработок. За это время сложность этих процессоров (количество транзисторов) и производительность (количество команд в секунду) увеличились как минимум на три порядка. Линейка Intel Pentium, вероятно, является самой известной и узнаваемой моделью 32-битных процессоров, по крайней мере, среди широкой публики.
Хотя 64-битные микропроцессоры использовались на нескольких рынках с начала 1990-х годов (включая игровую консоль Nintendo 64 в 1996 году), в начале 2000-х годов были представлены 64-битные микропроцессоры, ориентированные на рынок ПК.
С введением AMD 64-битной архитектуры, обратно совместимой с x86, x86-64 (также называемой AMD64 ) в сентябре 2003 года, за ней последовали почти полностью совместимые 64-битные расширения Intel (сначала названные IA-32e или EM64T, позже переименованные в Intel) . 64 ), началась эра 64-битных настольных компьютеров. Обе версии могут запускать 32-битные устаревшие приложения без какого-либо снижения производительности, а также новое 64-битное программное обеспечение. В операционных системах Windows XP x64 , Windows Vista x64, Windows 7 x64, Linux , BSD и macOS , которые изначально работают в 64-разрядной версии, программное обеспечение также предназначено для полного использования возможностей таких процессоров. Переход на 64 бита — это больше, чем просто увеличение размера регистра по сравнению с IA-32, поскольку он также удваивает количество регистров общего назначения.
Переход PowerPC на 64 бита был запланирован с момента разработки архитектуры в начале 90-х годов и не стал основной причиной несовместимости. Существующие целочисленные регистры расширены, как и все связанные с ними пути передачи данных, но, как и в случае с IA-32, как устройства с плавающей запятой, так и векторные устройства работали с разрядностью 64 бита или выше в течение нескольких лет. В отличие от того, что произошло, когда IA-32 был расширен до x86-64, в 64-битном PowerPC не было добавлено никаких новых регистров общего назначения, поэтому любой прирост производительности при использовании 64-битного режима для приложений, не использующих большее адресное пространство, минимален. . [ нужна цитата ]
В 2011 году ARM представила новую 64-битную архитектуру ARM.
В середине 1980-х - начале 1990-х годов появилось множество новых высокопроизводительных компьютерных микропроцессоров с сокращенным набором команд ( RISC ), под влиянием дискретных RISC-подобных процессоров, таких как IBM 801 и других. Микропроцессоры RISC первоначально использовались в машинах специального назначения и рабочих станциях Unix , но затем получили широкое распространение и в других целях.
Первый коммерческий RISC-микропроцессор был выпущен в 1984 году компанией MIPS Computer Systems , 32-битный R2000 (R1000 не был выпущен). В 1986 году HP выпустила свою первую систему с процессором PA-RISC . В 1987 году на компьютерах Acorn , не поддерживающих Unix , 32-битный, тогда еще без кэша, Acorn Archimedes на базе ARM2 добился первого коммерческого успеха, используя архитектуру ARM , тогда известную как Acorn RISC Machine (ARM); первый кремниевый ARM1 появился в 1985 году. R3000 сделал конструкцию по-настоящему практичной, а R4000 представил первый в мире коммерчески доступный 64-битный RISC-микропроцессор. Конкурирующие проекты приведут к появлению архитектур IBM POWER и Sun SPARC . Вскоре каждый крупный поставщик выпустил RISC-архитектуру, включая AT&T CRISP , AMD 29000 , Intel i860 и Intel i960 , Motorola 88000 , DEC Alpha .
В конце 1990-х годов для невстраиваемых приложений в больших объёмах всё ещё производились только две 64-битные RISC-архитектуры: SPARC и Power ISA , но по мере того, как ARM становилась всё более мощной, в начале 2010-х она стала третьей RISC-архитектурой в общем объёме. вычислительный сегмент.
Симметричная многопроцессорная обработка SMP [61] представляет собой конфигурацию из двух, четырех или более процессоров (в парах), которые обычно используются на серверах, некоторых рабочих станциях и в настольных персональных компьютерах с 1990-х годов. Многоядерный процессор — это один процессор, который содержит более одного ядра микропроцессора.
Эта популярная двухпроцессорная материнская плата от Abit была выпущена в 1999 году как первая материнская плата для ПК с поддержкой SMP. Intel Pentium Pro стала первым коммерческим процессором, предложенным сборщикам систем и энтузиастам. Abit BP9 поддерживает два процессора Intel Celeron, и при использовании с операционной системой с поддержкой SMP (Windows NT/2000/Linux) многие приложения получают гораздо более высокую производительность, чем один процессор. Первые Celeron легко поддавались разгону, и любители использовали эти относительно недорогие процессоры с тактовой частотой до 533 МГц, что намного превосходило спецификации Intel. После обнаружения возможностей этих материнских плат Intel закрыла доступ к множителю в более поздних процессорах.
В 2001 году IBM выпустила процессор POWER4 — процессор, который разрабатывался в течение пяти лет исследований, начавшихся в 1996 году с участием команды из 250 исследователей. Усилия по достижению невозможного были подкреплены развитием удаленного сотрудничества и назначением молодых инженеров для работы с более опытными инженерами. Работа команды добилась успеха с новым микропроцессором Power4. Это процессор «два в одном», который более чем удвоил производительность и стоит вдвое дешевле, чем у конкурентов, и является серьезным достижением в области вычислений. Деловой журнал eWeek написал: «Новый процессор Power4 с тактовой частотой 1 ГГц представляет собой огромный шаг вперед по сравнению со своим предшественником» . Отраслевой аналитик Брэд Дэй из Giga Information Group сказал: «IBM становится очень агрессивной, и этот сервер меняет правила игры».
Power4 получил награду «Выбор аналитиков» за лучшую рабочую станцию/серверный процессор 2001 года и побил заметные рекорды, включая победу в конкурсе против лучших игроков на Jeopardy! [62] Американское телешоу.
Процессоры Intel под кодовым названием Yonah, выпущенные 6 января 2006 года, производились с двумя кристаллами, установленными на многокристальном модуле . На рынке с острой конкуренцией AMD и другие компании выпустили новые версии многоядерных процессоров, AMD SMP позволила использовать процессоры Athlon MP из линейки AthlonXP в 2001 году, Sun выпустила восьмиядерные процессоры Niagara и Niagara 2 , в июне был выпущен AMD Athlon X2. 2007. Компании были вовлечены в бесконечную гонку за скорость: более требовательное программное обеспечение требовало большей вычислительной мощности и более высоких скоростей процессора.
К 2012 году двух- и четырехъядерные процессоры стали широко использоваться в ПК и ноутбуках, новые процессоры — аналогичные более дорогим процессорам Intel Xeon профессионального уровня — с дополнительными ядрами, которые выполняют инструкции параллельно, поэтому производительность программного обеспечения обычно увеличивается, при условии, что программное обеспечение предназначено для использования передовое оборудование. Операционные системы обеспечивают поддержку многоядерных процессоров и процессоров SMD, многие программные приложения, в том числе приложения с большими рабочими нагрузками и ресурсоемкими приложениями, такие как трехмерные игры, запрограммированы на использование преимуществ многоядерных и многопроцессорных систем.
Apple, Intel и AMD в настоящее время лидируют на рынке многоядерных процессоров для настольных ПК и рабочих станций. Хотя они часто обгоняют друг друга в плане производительности. Intel сохраняет более высокие частоты и, таким образом, имеет самую высокую одноядерную производительность [63] , в то время как AMD часто является лидером в многопоточных программах благодаря более совершенному ISA и узлу процесса, на котором изготовлены процессоры.
Концепции многопроцессорной обработки для многоядерных/многопроцессорных конфигураций связаны с законом Амдала .
В 1997 году около 55% всех проданных в мире процессоров составляли 8-битные микроконтроллеры , из которых было продано более 2 миллиардов. [64]
В 2002 году менее 10% всех проданных в мире процессоров были 32-битными и более. Из всех проданных 32-битных процессоров около 2% используются в настольных или портативных персональных компьютерах. Большинство микропроцессоров используются во встроенных приложениях управления, таких как бытовая техника, автомобили и компьютерная периферия. В целом средняя цена микропроцессора, микроконтроллера или DSP составляет чуть более 6 долларов США (что эквивалентно 9,76 доллара США в 2022 году). [65]
В 2003 году было произведено и продано микропроцессоров на сумму около 44 миллиардов долларов (что эквивалентно примерно 70 миллиардам долларов в 2022 году). [66] Хотя около половины этих денег было потрачено на процессоры, используемые в настольных или портативных персональных компьютерах , на их долю приходится лишь около 2% всех проданных процессоров. [65] Цена на микропроцессоры для ноутбуков с поправкой на качество увеличивалась от -25% до -35% в год в 2004–2010 годах, а темпы улучшения замедлились до -15% до -25% в год в 2010–2013 годах. [67]
В 2008 году было произведено около 10 миллиардов процессоров. Большинство новых процессоров, выпускаемых каждый год, являются встроенными. [68]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite speech}}: CS1 maint: location (link){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )[...] первый кремний был запущен 26 апреля 1985 года.
…по сравнению с -25% до -35% в год в 2004-2010 годах, ежегодное снижение стабилизируется на уровне от -15% до -25% в 2010-2013 годах.
