Fairchild F8 — это 8-битная микропроцессорная система от Fairchild Semiconductor , анонсированная в 1974 году и поставленная в 1975 году. [1] [2] Первоначальное семейство процессоров включало четыре основные 40-контактные интегральные схемы (ИС); ЦП 3850 , который был арифметико-логическим устройством , блок хранения программ 3851 (PSU), который содержал1 КБ ПЗУ программ и декодирование обрабатываемых команд, а также дополнительный интерфейс динамической памяти 3852 (DMI) или интерфейс статической памяти 3853 (SMI) для управления дополнительной оперативной памятью или ПЗУ, содержащим пользовательские программы или данные. 3854 DMA была еще одной дополнительной системой, которая добавляла прямой доступ к оперативной памяти, контролируемой 3852.
Минимальная система, содержащая 3850 и 3851, также включала четыре 8-битных порта данных, 64 байта ОЗУ и пользовательскую программу в ПЗУ. Это позволило создавать приложения для микроконтроллеров , используя всего два чипа. Для того, чтобы сделать то же самое с более традиционными моделями, такими как Intel 8080 или Motorola 6800, обычно требуется семь. Это также означало, что любое приложение, не отвечающее простым требованиям, обычно требовало как минимум трех 40-контактных микросхем, ЦП, блока питания и либо 3852, либо 3853 вместе с дополнительными микросхемами памяти. В результате этих компромиссов серия F8 нашла широкое применение на рынке микроконтроллеров, но реже использовалась в качестве ЦП в компьютерах общего назначения. Сегодня он относительно неясен, поскольку его встроенное использование редко раскрывало внутреннюю часть F8.
В 1977 году компания Mostek выпустила значительно улучшенную однокристальную реализацию Mostek 3870 . Он объединил 3850 и 3851 и уменьшил количество напряжений питания. Что еще более важно, Мостек перестроил сборочную линию так, что пользовательский код в ПЗУ добавлялся на последнем этапе, что значительно снизило затраты на настройку конструкции для использования контроллера. Модель 3870 заменила оригинальные версии Fairchild и производилась несколькими компаниями в США и Европе. В Европе STMicroelectronics продолжала выпускать варианты конструкции до середины 1990-х годов.
История F8 начинается с проекта разработки микропроцессора в Olympia-Werke , дочерней компании AEG . Компания Olympia , наиболее известная как производитель пишущих машинок , также имела долгую историю производства механических калькуляторов , рынка, который быстро переходил на электронные версии . Олимпия разрабатывала процессорную систему, известную как CP3-F, лицензию на которую у них получила компания General Instrument (GI). В рамках лицензионного соглашения GI отправила Дэвида Чанга, главу процессорного подразделения GI, в Олимпию для поддержания связи с их командой разработчиков. Вскоре после возвращения в США Чанг покинул GI и переехал в Fairchild, где стал ведущим конструктором F8 [1] и назван основным изобретателем патента. [3]
Fairchild анонсировала F8 в сентябре 1974 года, что почти сразу же привело к иску от GI за присвоение коммерческой тайны . Поскольку дело затянулось, в феврале 1976 года Fairchild объявила о сделке по перекрестному лицензированию с Olympia для F8, что означало, что теперь у них был законный доступ к оригинальному дизайну CP3F, а иск GI был нейтральным, по крайней мере, в технических деталях. Информации о CP3F доступно очень мало, но отраслевые обозреватели широко полагают, что CP3F является основой конструкции F8. [4] Судебное дело затянулось до 1980-х годов, но без каких-либо технических проблем оно не повлияло на продажи F8. [1]
Первые инженерные образцы F8 были отправлены в апреле 1975 года, а осенью начались массовые поставки. В то время электронная промышленность требовала заключения второго источника в качестве гарантии того, что конструкция не исчезнет, если компания-разработчик обанкротится или просто потеряет интерес к конструкции. Fairchild объявила о таком соглашении с Мостеком в июне 1975 года. Соглашение позволило обеим компаниям продолжить независимую разработку конструкции. [1]
F8 был представлен по цене 130 долларов США за единицу (что эквивалентно 707 долларам США в 2022 году), что делает его менее дорогим, чем современные разработки, такие как Intel 8080 или Motorola 6800 , которые стоили как минимум вдвое дороже. Кроме того, минимальная система включала четыре 8-битных порта ввода-вывода , небольшой объем оперативной памяти и1 КБ ПЗУ. Вместе они позволили создавать простые приложения всего с двумя микросхемами. Напротив, такие конструкции, как 8080 и 6800, требовали отдельных специализированных микросхем для обеспечения этих функций, обычно семи, [5] , поэтому систему F8 можно было реализовать с гораздо меньшими общими затратами. В некоторой степени это компенсировалось тем, что ПЗУ программы в блоке питания было замаскировано на чипах на ранних этапах производственного процесса, что требовало отдельных производственных линий для каждого клиента. В результате плата за установку составила порядкаОт 10 000 до 15 000 долларов . [1]
Хотя F8 продавался как микропроцессор общего назначения, исторически он представляет собой первый специально разработанный 8-битный микроконтроллер , [a] конструкцию, которая реализует полную компьютерную систему на небольшом количестве микросхем. Его выпуск оказал глубокое влияние на рынок и привел к появлению специализированных микроконтроллеров от большинства других производителей, в том числе Intel MCS-48 , Motorola MC6801 и MOS 6510 , каждый из которых объединял в себе различные системы, ранее оставленные на усмотрение разработчика печатных плат . реализовать. Однако эти примеры продвинули процесс на шаг дальше и реализовали всю систему на одной микросхеме.
Благодаря неумолимому действию закона Мура , вскоре 3850 и 3851 также можно было реализовать в одной микросхеме, которая была выпущена как 3859. [1] Линейка также была обновлена с добавлением 3856, 3851. с2 КБ ПЗУ, [7] и 3857, 3856 с дополнительными адресными линиями для доступа к внешнему ПЗУ в дополнение к внутреннему 2 КБ, что устраняет необходимость в отдельном 3853 во многих ролях.
Примерно в то же время, когда был выпущен 3859, Mostek представил свою собственную версию однокристального F8, Mostek 3870. В то время как 3859 по сути был просто одночиповым 3850/3851, 3870 был значительным достижением; оно подбежало к4 МГц , что вдвое больше, чем у 3859, и требовалось только одноПитание +5 В вместо +5 и +12. Гораздо более важным изменением было то, что код специального ПЗУ теперь маскировался на микросхеме на самом последнем этапе процесса, поэтому все процессоры были идентичны до конца производственной линии. В результате плата за маску составила порядка 1000 долларов , что сделало ее внедрение гораздо менее затратным. Модель 3870 была настолько продвинута по сравнению с оригиналом, что Fairchild прекратила производство модели 3859 и лицензировала модель 3870 для собственных продаж. [1]
Со временем модель 3870 была модифицирована множеством подверсий. Среди наиболее важных из них было добавление разъема наверху чипа, который позволял подключать EPROM без необходимости использования других вспомогательных схем. Это устранило необходимость во встроенном ПЗУ и позволило клиентам создавать свои собственные ПЗУ и исключить плату за маскировку. Вариации также включали примеры с большим количеством ПЗУ или ОЗУ или другими более незначительными изменениями. [1]
Между тем, соглашение о перекрестном лицензировании с Olympia привело к производству в Германии Telefunken , еще одного из многих брендов AEG. Mostek объединился с United Technologies в 1979 году, что привело компанию к банкротству и, в свою очередь, продало ее Thomson Semiconducteurs в 1985 году. Thomson объединилась с SGS в 1987 году, чтобы сформировать современную компанию STMicroelectronics , которая продолжала производить 3870 до 1990-х годов. Fairchild также продолжала производить версии 3870 до 1980-х годов, когда они были куплены National Semiconductor . [1]
Хотя сегодня он малоизвестен, «в 1977 году F8 был ведущим в мире микропроцессором по объемам продаж процессоров». [8] Конструкция остается несколько неясной, поскольку в большинстве случаев эти устройства использовались во встроенных микроконтроллерах, где чип внутри устройства редко идентифицируется, в отличие от таких продуктов, как домашние компьютеры , где внутренний процессор более известен. Среди немногих наиболее известных его применений были Fairchild Channel F в 1976 году и компьютерная система VideoBrain в 1977 году. Оба были уничтожены с рынка с появлением Atari 2600 в 1977 году.
Fairchild также выпустила ряд досок для инженерного дела и хобби с использованием F8. Комплект 1 представлял собой одну печатную плату с процессором 3850, блоком питания 3851 и SMI 3853. Блок питания содержал программу, известную как «Fairbug», доступ к которой можно было получить с помощью терминала , подключенного к процессору через его 8-битный порт ввода-вывода. [9]
Производство F8 было прекращено в середине 1980-х годов, когда компания Innovative Data Technology, Сан-Диего, Калифорния, в последний раз купила его для использования в своем флагманском 1/2-дюймовом 9-дорожечном ленточном накопителе серии TD1050, используемом для обмена платежными данными в телекоммуникациях. операторы.
Типичной компьютерной системе обычно требуется процессор, некоторая форма ввода/вывода для связи с внешним миром, а также память, в которой хранится программный код и пользовательские данные. Обычно ввод-вывод обрабатывается выделенными микросхемами, а доступ к памяти осуществляется через адресную шину, выбирая места во внешней памяти, а затем возвращая эти данные в ЦП по шине данных . В зависимости от конструкции ввод-вывод будет связываться с процессором по выделенной шине или, альтернативно, путем помещения данных в память и последующего их чтения ЦП. Для перемещения данных между всеми этими различными устройствами требовалась дополнительная «связывающая» схема.
F8 был разработан для разделения этих обязанностей, чтобы сделать возможной минималистическую реализацию. [10] Теоретически можно было разместить все эти функции на одном чипе, но в эпоху 40-контактных чипов просто не хватало контактов для соединения всех этих функций. В частности, реализация 8-битной шины данных, 16-битной адресной шины и еще одной 8-битной шины ввода-вывода оставит только 8 дополнительных контактов для всех остальных функций, от источника питания и заземления до различных тактовых сигналов и линий управления. В других конструкциях линии адреса и данных иногда мультиплексировались , поэтому одни и те же контакты можно было использовать для нескольких функций, но для завершения операции требовалось больше циклов.
F8 решил эту проблему, внедрив некоторые функции, например, добавив небольшой объем оперативной памяти в ядро ЦП, а другие вытеснив из ЦП. Лучшим примером этого является минимальная система, состоящая из процессора 3850 и блока питания 3851. В этом случае вообще нет необходимости в адресной шине; ОЗУ содержится в 3850, а ПЗУ программы — в 3851. Именно блок питания отвечает за отслеживание счетчика программ , выборку инструкций из внутреннего ПЗУ и подачу их в 3850 для обработки через выделенный 5-контактный разъем. командную шину вместе со всеми связанными данными по отдельной 8-битной шине данных. [10] Это освободило 11 контактов, которые в противном случае использовались бы для дополнительных адресных линий, что, наряду с другими упрощениями и разделением обязанностей, позволило ЦП иметь две полные шины ввода-вывода. В 3851 были добавлены еще два порта ввода-вывода, так что в минимальной системе всего было четыре порта. [10]
Имея всего 1 КБ ПЗУ и 64 байта ОЗУ, можно управлять только небольшими программами, но для многих систем, таких как кассовые аппараты , бензонасосы и тому подобные роли, этого более чем достаточно. Если к системе предъявляются более высокие требования, можно использовать модели 3852 или 3853. [11] Они взаимодействуют с блоком питания и содержат дополнительную логику для управления связанной с ними памятью; например, у 3852 была полная адресная шина, способная получить доступ к 64 КБ ОЗУ, и схема, необходимая для обновления данных. В этих системах по-прежнему требуется блок питания, а счетчик программ и другие указатели поддерживаются во всех этих микросхемах отдельно путем считывания одних и тех же линий управления. Основное различие между 3852 и 3853 заключалось в том, что первый включал схему динамического обновления ОЗУ и 3-контактный канал связи с контроллером DMA 3854, тогда как 3853 удалил их и добавил новый обработчик прерываний и таймер. [12]
Контроллер DMA 3854 был связан непосредственно с контроллером RAM 3852 и не использовал 5-контактную шину управления, которая есть у других членов семейства. Он поддерживал собственный адресный регистр и отдельный счетчик байтов, которые вместе указывали блок памяти, который нужно прочитать или записать. [12]
Внутри ЦП содержал 8-битный аккумулятор , 5-битный регистр состояния процессора , 6-битный «Регистр косвенного адреса блокнота» или ISAR и 64 байта оперативной памяти «блокнота». К первым двенадцати ячейкам ОЗУ можно получить прямой доступ и использовать их в качестве вторичных аккумуляторов, помеченных от A до J. Доступ к остальной части блокнота осуществляется через ISAR, форму косвенной адресации .
3851/3852/3853 содержат счетчик программ PC0 , а также дополнительный счетчик программ PC1 . PC1 назывался указателем стека, но на самом деле он не использовался для этого, он использовался только для хранения адресов возврата из подпрограмм и не имел каких-либо инструкций push или pop. Если требуется больший стек, это должно быть реализовано программно. Эти микросхемы также имели 16-битный счетчик данных DC0 и связанный с ним буфер счетчика данных DC1 . Они использовались в качестве индексных регистров для косвенной адресации, хотя прямой доступ можно было получить только к DC0 , и значение в DC1 нужно было поменять местами с DC0 с помощью отдельной инструкции.
Набор команд включал 70 кодов операций , закодированных в 8-битах. Как это было типично для той эпохи, многие инструкции имели различные режимы адресации, некоторые из которых были закодированы в коде операции инструкции . Например, инструкция загрузки регистра (LR) существовала в 14 различных версиях в зависимости от источника и назначения данных. За версией, начинающейся с $00, следовали два нулевых бита, а затем еще два бита, обозначающие места в блокноте с номерами с 12 по 15, поэтому использовались коды операций с $00 по $04 . $0A была еще одной версией LR, загружающей значение, указанное ISAR. Всего у F8 было восемь режимов адресации. [13]
Машинные инструкции можно сгруппировать в шесть категорий: инструкции аккумулятора, инструкции ветвления, инструкции обращения к памяти, инструкции адресного регистра, инструкции регистра блокнота, прочие инструкции (прерывание, ввод, вывод, косвенный регистр блокнота, загрузка и сохранение). [13]
F8 бежал на1–2 МГц , что даетВремя цикла 0,5 мкс . В F8 шина управления регулирует использование шины данных посредством использования сигналов синхронизации и элементов управления состоянием. Фи-часы делят машинный цикл на дискретные фазы в зависимости от выполняемой инструкции. Пять линий управления состоянием являются функцией выполняемой инструкции. Состояния шины управления регулируют управление информацией в компьютере.
Fairchild предоставила комплекты для разработки и оценки для F8. Эти комплекты включали блок питания 3851A (блок хранения программ), который содержал монитор в ПЗУ с маской, начало которого было направлено по адресу 0x8080. [14] При включении питания ПЗУ было введено. Монитор ROM упоминался в литературе Fairchild как FAIR-BUG. [14] Монитор FAIR-BUG представляет собой набор процедур для помощи инженерам-разработчикам продуктов, которые взаимодействовали с FAIR-BUG с помощью телетайпа . Fairchild расширила FAIR-BUG до KD-BUG для использования с клавиатурой и дисплеем. [15]
Основные команды FAIR-BUG представляют собой отдельные символы ASCII, взятые из набора {A, B, C, D, E, F, G, I, L, M, N, P, R, S, W}. Ячейки регистра и памяти вводились как параметры сразу после идентификатора команды. Например, команда M02F0-02FFприводит к тому, что телетайп печатает содержимое 16 байт памяти. Команды FAIR-BUG обращаются ко всем ячейкам памяти и всем регистрам. Эти местоположения могут быть просмотрены или изменены программистом.
FAIR-BUG содержит пять подпрограмм, которые используются при обработке команд: ввод 2 байтов ASCII; Вывод 1 байт ASCII; Выведите строку CR, LF, Null; Вывод 1 байт ASCII; Введите 1 байт ASCII с устройства параллельного ввода. FAIR-BUG — это, по сути, процедура управления произвольным доступом для всей памяти, как ОЗУ, так и ПЗУ, а также всех регистров, включая счетчик программ, счетчик данных и блокнот. Программисту предоставляется возможность разместить любую из более чем 70 инструкций или операндов машинного кода в ячейках памяти. Затем программист может использовать команду G для загрузки определенного адреса в счетчик программ и выполнения процедуры по этому адресу.
Целью создания подпрограмм FAIR-BUG в 1975 году было помочь инженерам ускорить создание приложений для микросхем F8.