Микропроцессор — это компьютерный процессор , для которого логика обработки данных и управление включены в одну интегральную схему (ИС) или небольшое количество ИС. Микропроцессор содержит арифметические, логические и управляющие схемы, необходимые для выполнения функций центрального процессора (ЦП ) компьютера . ИС способна интерпретировать и выполнять инструкции программы и выполнять арифметические операции. [1] Микропроцессор — это многоцелевая, тактовая , регистровая , цифровая интегральная схема , которая принимает двоичные данные в качестве входных данных, обрабатывает их в соответствии с инструкциями, хранящимися в ее памяти , и выдает результаты (также в двоичной форме) в качестве выходных данных. Микропроцессоры содержат как комбинационную логику , так и последовательную цифровую логику и работают с числами и символами, представленными в двоичной системе счисления .
Интеграция всего ЦП в одну или несколько интегральных схем с использованием сверхбольшой интеграции (VLSI) значительно снизила стоимость вычислительной мощности. Процессоры с интегральными схемами производятся в больших количествах с помощью высокоавтоматизированных процессов изготовления металл-оксид-полупроводник (МОП) , что приводит к относительно низкой цене за единицу . Процессоры с одним чипом повышают надежность, поскольку в них меньше электрических соединений, которые могут выйти из строя. По мере совершенствования конструкций 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 строились с использованием стоек плат с большим количеством средних и малых интегральных схем , как правило, типа TTL . Микропроцессоры объединяли это в одну или несколько крупных ИС. Хотя существуют разногласия по поводу того, кто заслуживает признания за изобретение микропроцессора, первым коммерчески доступным микропроцессором был Intel 4004 , разработанный Федерико Фаггином и представленный в 1971 году . [2]
Продолжающееся увеличение мощности микропроцессоров с тех пор привело к тому, что другие виды компьютеров практически полностью устарели (см. историю вычислительного оборудования ), при этом один или несколько микропроцессоров используются во всем: от самых маленьких встраиваемых систем и карманных устройств до самых больших мэйнфреймов и суперкомпьютеров .
Микропроцессор отличается от микроконтроллера, включая систему на кристалле . [3] [4] Микропроцессор связан, но отличается от цифрового сигнального процессора , специализированного микропроцессорного чипа, архитектура которого оптимизирована для эксплуатационных нужд цифровой обработки сигналов . [5] : 104–107 [6]
Сложность интегральной схемы ограничена физическими ограничениями на количество транзисторов , которые можно разместить на одном чипе, количество выводов корпуса, которые могут соединить процессор с другими частями системы, количество соединений, которые можно сделать на чипе, и тепло, которое чип может рассеивать . Развитие технологий делает более сложными и мощными чипами, которые можно производить.
Минимальный гипотетический микропроцессор может включать только арифметико-логическое устройство (АЛУ) и секцию управляющей логики . АЛУ выполняет сложение, вычитание и такие операции, как И или ИЛИ. Каждая операция АЛУ устанавливает один или несколько флагов в регистре состояния , которые указывают результаты последней операции (нулевое значение, отрицательное число, переполнение или другие). Управляющая логика извлекает коды инструкций из памяти и инициирует последовательность операций, необходимых АЛУ для выполнения инструкции. Один код операции может влиять 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 чипе. Размер объектов данных становился больше; разрешение большего количества транзисторов на чипе позволило увеличить размеры слов с 4- и 8-битных слов до современных 64-битных слов. В архитектуру процессора были добавлены дополнительные функции; больше регистров на чипе ускорили программы, и сложные инструкции могли использоваться для создания более компактных программ. Арифметика с плавающей точкой , например, часто была недоступна на 8-битных микропроцессорах, и ее приходилось выполнять в программном обеспечении . Интеграция блока с плавающей точкой , сначала как отдельной интегральной схемы, а затем как части того же чипа микропроцессора, ускорила вычисления с плавающей точкой.
Иногда физические ограничения интегральных схем делали необходимыми такие практики, как подход битового среза . 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 каждой секции, результатом была система, которая могла обрабатывать, например, 32-битные слова, используя интегральные схемы с емкостью всего в четыре бита каждая.
Возможность размещения большого количества транзисторов на одном кристалле делает возможным интегрировать память на том же кристалле, что и процессор. Этот кэш ЦП имеет преимущество более быстрого доступа, чем внешняя 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 более медленной внешней памятью.
Конструкция некоторых процессоров стала настолько сложной, что ее стало трудно полностью протестировать , и это вызвало проблемы у крупных поставщиков облачных услуг. [7]
Микропроцессор — это универсальный обрабатывающий объект. За ним последовало несколько специализированных обрабатывающих устройств:
Микропроцессоры могут быть выбраны для различных приложений в зависимости от их размера слова, который является мерой их сложности. Более длинные размеры слова позволяют каждому тактовому циклу процессора выполнять больше вычислений, но соответствуют физически большим кристаллам интегральных схем с более высоким потреблением энергии в режиме ожидания и эксплуатации . [8] 4-, 8- или 12-разрядные процессоры широко интегрированы в микроконтроллеры, работающие во встроенных системах. Там, где система должна обрабатывать большие объемы данных или требовать более гибкий пользовательский интерфейс , используются 16-, 32- или 64-разрядные процессоры. 8- или 16-разрядный процессор может быть выбран вместо 32-разрядного процессора для систем на кристалле или приложений микроконтроллера, которые требуют чрезвычайно маломощной электроники или являются частью интегральной схемы со смешанным сигналом с чувствительной к шуму аналоговой электроникой на кристалле, такой как аналого-цифровые преобразователи высокого разрешения, или и то, и другое. Некоторые говорят, что выполнение 32-битной арифметики на 8-битном чипе может привести к большему энергопотреблению, поскольку чип должен выполнять программное обеспечение с несколькими инструкциями. [9] Однако другие говорят, что современные 8-битные чипы всегда более энергоэффективны, чем 32-битные чипы при выполнении эквивалентных программных процедур. [10]
Тысячи предметов, которые традиционно не были связаны с компьютерами, включают микропроцессоры. К ним относятся бытовая техника , транспортные средства (и их принадлежности), инструменты и контрольно-измерительные приборы, игрушки, выключатели/диммеры света и электрические выключатели , дымовые извещатели, аккумуляторные батареи и аудиовизуальные компоненты hi-fi (от DVD-плееров до проигрывателей пластинок ). Такие продукты, как сотовые телефоны, DVD-видеосистемы и системы вещания HDTV, принципиально требуют потребительских устройств с мощными, недорогими микропроцессорами. Все более строгие стандарты контроля загрязнения фактически требуют от автопроизводителей использования микропроцессорных систем управления двигателем для обеспечения оптимального контроля выбросов в самых разных условиях эксплуатации автомобиля. Непрограммируемые элементы управления потребовали бы 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 с минимальной переделкой продукта. Уникальные функции могут быть реализованы в различных моделях линейки продуктов при незначительной стоимости производства.
Микропроцессорное управление системой может обеспечить стратегии управления, которые было бы непрактично реализовать с помощью электромеханического управления или специально разработанного электронного управления. Например, система управления двигателем внутреннего сгорания может регулировать момент зажигания на основе 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 преобразило современное общество . Микропроцессоры общего назначения в персональных компьютерах используются для вычислений, редактирования текста, отображения мультимедиа и связи через Интернет . Еще больше микропроцессоров являются частью встроенных систем , обеспечивая цифровое управление множеством объектов от бытовых приборов до автомобилей, сотовых телефонов и управления промышленными процессами . Микропроцессоры выполняют двоичные операции на основе булевой логики , названной в честь Джорджа Буля . Возможность работы компьютерных систем 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 Морис Уилкс изобрел микропрограммирование в Кембриджском университете , Великобритания, из осознания того, что центральный процессор может управляться специализированной программой в выделенном ПЗУ . [11] Уилксу также приписывают идею символических меток, макросов и библиотек подпрограмм. [12]
После разработки интегральных микросхем МОП в начале 1960-х годов, к 1964 году МОП-микросхемы достигли более высокой плотности транзисторов и более низких производственных затрат, чем биполярные интегральные схемы. МОП-микросхемы еще больше усложнялись со скоростью, предсказанной законом Мура , что привело к появлению крупномасштабной интеграции (БИС) с сотнями транзисторов на одной МОП-микросхеме к концу 1960-х годов. Применение МОП-микросхем БИС в вычислительной технике стало основой для первых микропроцессоров, поскольку инженеры начали осознавать, что полный компьютерный процессор может содержаться в нескольких МОП-микросхемах БИС. [13] В конце 1960-х годов проектировщики стремились интегрировать функции центрального процессора (ЦП) компьютера в несколько МОП-микросхем БИС, называемых наборами микропроцессорных блоков (МПУ).
Хотя существуют разногласия по поводу того, кто изобрел микропроцессор, [2] [14] первым коммерчески доступным микропроцессором был Intel 4004 , выпущенный в виде единственного кристалла МОП-БИС в 1971 году. [15] Создание однокристального микропроцессора стало возможным благодаря разработке технологии кремниевых МОП-затворов (SGT). [16] Самые ранние МОП-транзисторы имели алюминиевые металлические затворы , которые итальянский физик Федерико Фаггин заменил на кремниевые самосовмещенные затворы , чтобы разработать первый МОП-чип с кремниевым затвором в Fairchild Semiconductor в 1968 году. [16] Позже Фаггин присоединился к Intel и использовал свою технологию МОП с кремниевым затвором для разработки 4004 вместе с Марсианом Хоффом , Стэнли Мазором и Масатоши Шимой в 1971 году. [17] 4004 был разработан для Busicom , которая ранее предложила многочиповую конструкцию в 1969 году, прежде чем команда Фаггина в Intel изменила ее на новую одночиповую конструкцию. В 1971 году компания Intel представила первый коммерческий микропроцессор — 4-битный Intel 4004. Вскоре за ним в 1972 году последовал 8-битный микропроцессор Intel 8008. Чипсет MP944, использовавшийся в центральном компьютере управления воздушными данными истребителя F-14 в 1970 году, также упоминался как ранний микропроцессор, но он не был известен широкой публике до его рассекречивания в 1998 году.
Вскоре появились и другие встроенные применения 4- 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 универсальных микрокомпьютеров с середины 1970-х годов.
Первое использование термина «микропроцессор» приписывается компании Viatron Computer Systems [18], описывающей специализированную интегральную схему, используемую в их малой компьютерной системе System 21, анонсированной в 1968 году.
С начала 1970-х годов рост мощности микропроцессоров следовал закону Мура ; изначально он предполагал, что количество компонентов, которые можно разместить на чипе, удваивается каждый год. С нынешними технологиями это происходит фактически каждые два года, [19] [ устаревший источник ] и в результате Мур позже изменил период до двух лет. [20]
Эти проекты примерно в одно и то же время представили микропроцессор: Центральный компьютер данных по воздуху (CADC) Garrett AiResearch ( 1970), TMS 1802NC Texas Instruments ( сентябрь 1971) и 4004 Intel ( ноябрь 1971, на основе более раннего проекта Busicom 1969 ). Можно утверждать, что микропроцессор Four-Phase Systems AL1 также был представлен в 1969 году.
Four -Phase Systems AL1 был 8-битным чипом , содержащим восемь регистров и АЛУ. [21] Он был разработан Ли Бойселем в 1969 году. [22] [23] [24] В то время он был частью девятичипового 24-битного ЦП с тремя АЛ1. Позже его назвали микропроцессором, когда в ответ на судебный процесс Texas Instruments в 1990-х годах Бойсел построил демонстрационную систему, в которой один АЛ1 был частью демонстрационной компьютерной системы зала суда вместе с ОЗУ, ПЗУ и устройством ввода-вывода. [25]
В 1968 году Garrett AiResearch (который нанял дизайнеров Рэя Холта и Стива Геллера) был приглашен для создания цифрового компьютера, чтобы конкурировать с электромеханическими системами, которые тогда находились в разработке для главного компьютера управления полетом в новом истребителе ВМС США F-14 Tomcat . Проект был завершен к 1970 году и использовал набор микросхем на основе МОП в качестве основного ЦП. Проект был значительно (примерно в 20 раз) меньше и намного надежнее, чем механические системы, с которыми он конкурировал, и использовался во всех ранних моделях Tomcat. Эта система содержала «20-битный, конвейерный , параллельный мультимикропроцессор ». ВМС отказывались разрешать публикацию проекта до 1997 года. Выпущенная в 1998 году документация по CADC и набору микросхем MP944 хорошо известна. Автобиографическая история Рэя Холта об этом проекте и разработке представлена в книге: The Accidental Engineer. [26] [27]
Рэй Холт окончил Калифорнийский государственный политехнический университет в Помоне в 1968 году и начал свою карьеру в области компьютерного проектирования в CADC. [28] С момента своего создания он был окутан тайной до 1998 года, когда по просьбе Холта ВМС США позволили сделать документы общедоступными. Холт утверждал, что никто не сравнивал этот микропроцессор с теми, которые появились позже. [29] Согласно Парабу и др. (2007),
Научные работы и литература, опубликованные около 1971 года, показывают, что цифровой процессор MP944, используемый для самолета F-14 Tomcat ВМС США, можно считать первым микропроцессором. Хотя это интересно, это не был однокристальный процессор, как и Intel 4004 — они оба были больше похожи на набор параллельных строительных блоков, которые можно было использовать для создания универсальной формы. Он содержит ЦП, ОЗУ , ПЗУ и два других вспомогательных чипа, таких как Intel 4004. Он был изготовлен по той же технологии P-канала , работал по военным спецификациям и имел более крупные чипы — превосходный дизайн компьютерной инженерии по любым стандартам. Его конструкция указывает на значительный прогресс по сравнению с Intel и двумя годами ранее. Он действительно работал и летал в F-14, когда был анонсирован Intel 4004. Это указывает на то, что сегодняшняя отраслевая тема конвергенции архитектур DSP - микроконтроллеров началась в 1971 году. [30]
Такое сближение архитектур DSP и микроконтроллера известно как цифровой контроллер сигналов . [31]
В 1990 году американский инженер Гилберт Хайятт получил патент США № 4 942 516, [32] который был основан на 16-разрядном последовательном компьютере, который он построил в своем доме в Нортридже, Калифорния , в 1969 году из плат биполярных микросхем после увольнения с работы в Teledyne в 1968 году; [2] [33] хотя патент был подан в декабре 1970 года и до подачи заявок Texas Instruments на TMX 1795 и TMS 0100, изобретение Хайятта так и не было изготовлено. [33] [34] [35] Тем не менее, это привело к заявлениям о том, что Хайятт был изобретателем микропроцессора, и выплате значительных роялти через дочернюю компанию Philips NV , [36] пока Texas Instruments не одержала победу в сложной судебной тяжбе в 1996 году, когда Патентное ведомство США отменило ключевые части патента, в то же время позволив Хайятту сохранить его. [2] [37] В статье Los Angeles Times 1990 года Хайятт сказал , что его изобретение было бы создано, если бы его потенциальные инвесторы поддержали его, и что венчурные инвесторы слили детали его чипа в промышленность, хотя он не привел никаких доказательств в поддержку этого заявления. [33] В той же статье цитируется автор The Chip Т. Р. Рид , который сказал, что историки могут в конечном итоге поместить Хайятта в число соавторов микропроцессора, подобно тому, как Нойс из Intel и Килби из TI разделили заслуги в изобретении чипа в 1958 году: «Килби первым придумал идею, 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». [33] После 1990 года Хаятт в течение десятилетий вел судебную тяжбу со штатом Калифорния по поводу предполагаемых неуплаченных налогов на прибыль от его патента, которая достигла своей кульминации в знаковом деле Верховного суда, посвященном суверенному иммунитету штатов , в деле Налоговый совет Калифорнии против Хаятта (2019) .
Вместе с Intel (разработавшей 8008 ), Texas Instruments разработала в 1970–1971 годах замену однокристального ЦП для терминала Datapoint 2200 , TMX 1795 (позже TMC 1795). Как и 8008, он был отвергнут заказчиком Datapoint. По словам Гэри Буна, TMX 1795 так и не поступил в производство. Тем не менее, он достиг состояния рабочего прототипа 24 февраля 1971 года, поэтому он является первым в мире 8-битным микропроцессором. [38] Поскольку он был построен по той же спецификации, его набор инструкций был очень похож на Intel 8008. [39] [40]
TMS1802NC был анонсирован 17 сентября 1971 года и представлял собой калькулятор с четырьмя функциями. TMS1802NC, несмотря на свое обозначение, не был частью серии TMS 1000 ; позже он был переименован в серию TMS 0100, которая использовалась в калькуляторе TI Datamath. Хотя TMS1802NC позиционировался как калькулятор на кристалле, он был полностью программируемым, включая на кристалле ЦП с 11-битным командным словом, 3520 бит (320 инструкций) ПЗУ и 182 бит ОЗУ. [39] [41] [40] [42]
В 1971 году Pico Electronics [43] и General Instrument (GI) представили свою первую совместную работу в области ИС, полную однокристальную ИС калькулятора для калькулятора Monroe/ Litton Royal Digital III. Этот чип также мог бы претендовать на звание одного из первых микропроцессоров или микроконтроллеров, имеющих ПЗУ , ОЗУ и набор инструкций RISC на кристалле. Компоновка для четырех слоев процесса PMOS была вручную нарисована в масштабе x500 на майларовой пленке, что было значительной задачей в то время, учитывая сложность чипа.
Pico был спин-оффом пяти инженеров-конструкторов GI, чьей целью было создание однокристальных калькуляторных ИС. У них был значительный предыдущий опыт проектирования нескольких калькуляторных чипсетов как с GI, так и с Marconi-Elliott . [44] Первоначально ключевым членам команды было поручено Elliott Automation создать 8-битный компьютер на MOS, и они помогли основать исследовательскую лабораторию MOS в Гленротесе , Шотландия, в 1967 году.
Калькуляторы становились крупнейшим единым рынком для полупроводников, поэтому Pico и GI добились значительного успеха на этом растущем рынке. GI продолжала вводить новшества в микропроцессоры и микроконтроллеры, выпустив такие продукты, как CP1600, IOB1680 и PIC1650. [45] В 1987 году бизнес GI Microelectronics был выделен в бизнес микроконтроллеров Microchip PIC .
.jpg/1280px-C4004_(Intel).jpg)
Intel 4004 часто (ошибочно) считается первым настоящим микропроцессором, построенным на одном кристалле, [46] [47] по цене 60 долларов США (что эквивалентно 450 долларам США в 2023 году). [48] Утверждение о том, что он первый, определенно ложно, поскольку более ранний TMS1802NC также был настоящим микропроцессором, построенным на одном кристалле, и то же самое относится к — только к прототипу — 8-битному TMX 1795. [38] Первая известная реклама 4004 датирована 15 ноября 1971 года и появилась в Electronic News . [ требуется цитата ] Микропроцессор был разработан командой, состоящей из итальянского инженера Федерико Фаггина , американских инженеров Марсиана Хоффа и Стэнли Мазора , а также японского инженера Масатоши Шимы . [49]
Проект, в результате которого появился 4004, возник в 1969 году, когда Busicom , японский производитель калькуляторов, попросил Intel создать набор микросхем для высокопроизводительных настольных калькуляторов . Первоначальный проект Busicom требовал программируемого набора микросхем, состоящего из семи различных микросхем. Три из микросхем должны были создать специализированный ЦП с программой, хранящейся в ПЗУ, и данными, хранящимися в памяти чтения-записи сдвигового регистра. Тед Хофф , инженер Intel, назначенный для оценки проекта, считал, что проект Busicom можно упростить, используя динамическое ОЗУ для хранения данных, а не память сдвигового регистра, и более традиционную архитектуру ЦП общего назначения. Хофф выступил с предложением по архитектуре из четырех микросхем: микросхема ПЗУ для хранения программ, динамическая микросхема ОЗУ для хранения данных, простое устройство ввода-вывода и 4-битный центральный процессор (ЦП). Хотя он и не был разработчиком микросхем, он считал, что ЦП можно интегрировать в одну микросхему, но поскольку у него не было технических знаний, эта идея на тот момент оставалась всего лишь желанием.
В то время как архитектура и спецификации MCS-4 появились в результате взаимодействия Хоффа со Стэнли Мазором , инженером-программистом, подчинявшимся ему, и инженером Busicom Масатоши Шимой , в 1969 году Мазор и Хофф перешли к другим проектам. В апреле 1970 года Intel наняла итальянского инженера Федерико Фаггина в качестве руководителя проекта, что в конечном итоге сделало окончательный дизайн однокристального процессора реальностью (тем временем Шима разработал прошивку калькулятора Busicom и помогал Фаггину в течение первых шести месяцев внедрения). Фаггин, который изначально разработал технологию кремниевых затворов (SGT) в 1968 году в Fairchild Semiconductor [50] и спроектировал первую в мире коммерческую интегральную схему с использованием SGT, Fairchild 3708, имел правильный бэкграунд, чтобы возглавить проект в том, что стало первым коммерческим микропроцессором общего назначения. Поскольку SGT был его собственным изобретением, Фаггин также использовал его для создания своей новой методологии для проектирования случайной логики , которая позволила реализовать однокристальный процессор с надлежащей скоростью, рассеиваемой мощностью и стоимостью. Менеджером отдела проектирования МОП Intel был Лесли Л. Вадаш во время разработки MCS-4, но внимание Вадаша было полностью сосредоточено на основном бизнесе полупроводниковой памяти, поэтому он оставил руководство и управление проектом MCS-4 Фаггину, который в конечном итоге отвечал за руководство проектом 4004 до его реализации. Производственные единицы 4004 были впервые поставлены Busicom в марте 1971 года и отправлены другим клиентам в конце 1971 года. [ необходима цитата ]
За Intel 4004 в 1972 году последовал Intel 8008 , первый 8-битный микропроцессор Intel . [51] Однако 8008 не был расширением дизайна 4004, а вместо этого стал кульминацией отдельного проекта Intel, возникшего из контракта с Computer Terminals Corporation из Сан-Антонио, штат Техас, на чип для терминала, который они проектировали, [52] Datapoint 2200 — основные аспекты дизайна пришли не от Intel, а от CTC. В 1968 году Вик Пур и Гарри Пайл из CTC разработали оригинальный дизайн для набора инструкций и работы процессора. В 1969 году CTC заключила контракт с двумя компаниями, Intel и Texas Instruments , на создание однокристальной реализации, известной как CTC 1201. [53] В конце 1970 или начале 1971 года TI вышла из проекта, не сумев создать надежную деталь. В 1970 году, когда Intel ещё не поставила деталь, CTC решила использовать собственную реализацию в Datapoint 2200, используя вместо этого традиционную логику TTL (таким образом, первая машина, на которой работал «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 поздной, медленной и требовала ряда дополнительных вспомогательных микросхем. CTC не была заинтересована в её использовании. CTC изначально заключила контракт с Intel на чип и должна была бы им 50 000 долларов США (что эквивалентно 376 171 доллару США в 2023 году) за их проектную работу. [53] Чтобы не платить за чип, который они не хотели (и не могли использовать), CTC освободила Intel от своего контракта и разрешила им бесплатно использовать дизайн. [53] Intel продавала его как 8008 в апреле 1972 года как первый в мире 8-битный микропроцессор. Он был 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. [54]
8008 был предшественником успешного Intel 8080 (1974), который предлагал улучшенную производительность по сравнению с 8008 и требовал меньше вспомогательных микросхем. Федерико Фаггин задумал и спроектировал его с использованием высоковольтного N-канального МОП. Zilog Z80 (1976) также был разработан Фаггином, используя низковольтный N-канальный с истощением нагрузки и производные 8-битные процессоры Intel: все они были разработаны с использованием методологии, созданной Фаггином для 4004. Motorola выпустила конкурирующий 6800 в августе 1974 года, а похожая технология МОП 6502 была выпущена в 1975 году (оба были разработаны в основном одними и теми же людьми). Семейство 6502 соперничало с Z80 по популярности в 1980-х годах.
Низкая общая стоимость, небольшая упаковка, простые требования к шине компьютера и иногда интеграция дополнительных схем (например, встроенная схема обновления памяти Z80) позволили «революции» домашних компьютеров резко ускориться в начале 1980-х годов. Это привело к появлению таких недорогих машин, как Sinclair ZX81 , которая продавалась за 99 долларов США (что эквивалентно 331,79 долларам США в 2023 году). Разновидность 6502, MOS Technology 6510, использовалась в Commodore 64 , а еще один вариант, 8502, использовался в Commodore 128 .
Western Design Center, Inc (WDC) представила CMOS WDC 65C02 в 1982 году и лицензировала дизайн 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 проектов микропроцессоров, позже за ней последовали ARM (32-разрядные) и другие поставщики интеллектуальной собственности (ИС) микропроцессоров в 1990-х годах.
Motorola представила MC6809 в 1978 году. Это была амбициозная и хорошо продуманная 8-битная конструкция, совместимая с исходным кодом 6800 и реализованная с использованием исключительно аппаратной логики (последующие 16-битные микропроцессоры обычно в некоторой степени использовали микрокод , поскольку требования к проектированию CISC становились слишком сложными для чисто аппаратной логики).
Еще одним ранним 8-разрядным микропроцессором был Signetics 2650 , который вызвал кратковременный всплеск интереса благодаря своей инновационной и мощной архитектуре набора команд .
Основополагающим микропроцессором в мире космических полетов был RCA 1802 (он же CDP1802, RCA COSMAC) (представленный в 1976 году), который использовался на борту зонда Galileo к Юпитеру (запущен в 1989 году, прибыл в 1995 году). RCA COSMAC был первым, кто реализовал технологию CMOS . CDP1802 использовался, потому что он мог работать при очень низкой мощности , и потому что был доступен вариант, изготовленный с использованием специального производственного процесса, кремний на сапфире (SOS), который обеспечивал гораздо лучшую защиту от космической радиации и электростатического разряда, чем любой другой процессор той эпохи. Таким образом, версия SOS 1802, как говорили, была первым микропроцессором , защищенным от радиации .
RCA 1802 имел статическую конструкцию , что означало, что тактовую частоту можно было сделать произвольно низкой или даже остановить. Это позволяло космическому аппарату Galileo использовать минимум электроэнергии для длительных, ничем не примечательных отрезков полета. Таймеры или датчики могли вовремя пробуждать процессор для выполнения важных задач, таких как обновления 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 часов.
Семейство Intersil 6100 состояло из 12-разрядного микропроцессора (6100) и ряда периферийных ИС поддержки и памяти. Микропроцессор распознавал набор инструкций мини-компьютера DEC PDP-8 . Поэтому его иногда называли CMOS-PDP8 . Поскольку он также производился Harris Corporation, он также был известен как Harris HM-6100 . Благодаря своей технологии CMOS и связанным с ней преимуществам, 6100 использовался в некоторых военных разработках до начала 1980-х годов.
Первым многокристальным 16-разрядным микропроцессором был National Semiconductor IMP-16 , представленный в начале 1973 года. 8-разрядная версия чипсета была представлена в 1974 году как IMP-8.
Другие ранние многокристальные 16-битные микропроцессоры включают MCP-1600 , который Digital Equipment Corporation (DEC) использовала в плате LSI-11 OEM и в упакованном мини-компьютере PDP-11/03 , а также Fairchild Semiconductor MicroFlame 9440, оба представленные в 1975–76 годах. В конце 1974 года National представила первый 16-битный однокристальный микропроцессор National Semiconductor PACE [55] , за которым позже последовала версия NMOS , INS8900 .
Следующим в списке идет General Instrument CP1600 , выпущенный в феврале 1975 года [56] , который использовался в основном в консоли Intellivision .
Другим ранним однокристальным 16-битным микропроцессором был TMS 9900 от TI , который также был совместим с их линейкой мини-компьютеров TI-990 . 9900 использовался в мини-компьютере TI 990/4, домашнем компьютере TI-99/4A и линейке плат OEM-микрокомпьютеров TM990. Чип был упакован в большой керамический 64-контактный DIP-корпус , в то время как большинство 8-битных микропроцессоров, таких как Intel 8080, использовали более распространенный, меньший и менее дорогой пластиковый 40-контактный DIP. Последующий чип, TMS 9980, был разработан, чтобы конкурировать с Intel 8080, имел полный набор 16-битных инструкций TI 990, использовал пластиковый 40-контактный корпус, перемещал данные по 8 бит за раз, но мог адресовать только 16 КБ . Третий чип, TMS 9995, был новой разработкой. Позже семейство расширилось, включив 99105 и 99110.
В 1984 году компания Western Design Center (WDC) представила 16-разрядную версию CMOS 65816, являющуюся усовершенствованной версией WDC CMOS 65C02. 16-разрядный микропроцессор 65816 стал ядром Apple IIGS , а позднее и Super Nintendo Entertainment System , что сделало его одной из самых популярных 16-разрядных разработок всех времен.
Intel «увеличила» свой дизайн 8080 до 16-разрядного Intel 8086 , первого члена семейства x86 , на котором работают большинство современных компьютеров типа ПК . Intel представила 8086 как экономически эффективный способ портирования программного обеспечения с линеек 8080 и преуспела в завоевании большого количества клиентов на этой основе. 8088 , версия 8086, которая использовала 8-разрядную внешнюю шину данных, была микропроцессором в первом IBM PC . Затем Intel выпустила 80186 и 80188 , 80286 и, в 1985 году, 32-разрядный 80386 , закрепив свое доминирование на рынке ПК с помощью обратной совместимости семейства процессоров. 80186 и 80188 были по сути версиями 8086 и 8088, улучшенными некоторыми встроенными периферийными устройствами и несколькими новыми инструкциями. Хотя Intel 80186 и 80188 не использовались в конструкциях типа IBM PC, [ сомнительно – обсудить ] версии второго источника от NEC, V20 и V30 часто использовались. 8086 и последующие модели имели инновационный, но ограниченный метод сегментации памяти , в то время как 80286 представил полнофункциональный блок управления сегментированной памятью (MMU). 80386 представил плоскую 32-битную модель памяти с управлением страничной памятью.
16-разрядные процессоры Intel x86 вплоть до 80386 не включают в себя блоки обработки чисел с плавающей точкой (FPU) . Intel представила математические сопроцессоры 8087 , 80187 , 80287 и 80387 , чтобы добавить возможности аппаратной обработки чисел с плавающей точкой и трансцендентных функций к процессорам 8086–80386. 8087 работает с 8086/8088 и 80186/80188, [57] 80187 работает с 80186, но не с 80188, [58] 80287 работает с 80286, а 80387 работает с 80386. Комбинация процессора x86 и сопроцессора x87 образует единый многокристальный микропроцессор; два чипа программируются как единое целое с использованием единого интегрированного набора инструкций. [59] Сопроцессоры 8087 и 80187 подключены параллельно к шинам данных и адреса своего родительского процессора и напрямую 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 получать к ним прямой доступ; программа получает доступ к сопроцессору и его регистрам через обычные коды операций инструкций.
16-битные разработки недолгое время присутствовали на рынке, когда начали появляться 32-битные реализации.
Наиболее значимой из 32-битных конструкций является Motorola MC68000 , представленная в 1979 году. 68k, как она была широко известна, имела 32-битные регистры в своей программной модели, но использовала 16-битные внутренние пути данных, три 16-битных арифметико-логических устройства и 16-битную внешнюю шину данных (для уменьшения количества выводов), и внешне поддерживала 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 IBM System/370. [60] Motorola в целом описывала его как 16-битный процессор. Сочетание высокой производительности, большого (16 мегабайт или 2 24 байта) пространства памяти и довольно низкой стоимости сделало его самой популярной конструкцией ЦП своего класса. В моделях Apple Lisa и Macintosh использовался процессор 68000, как и в других моделях середины 1980-х годов, включая Atari ST и Amiga .
Первым в мире полностью 32-разрядным однокристальным микропроцессором с 32-разрядными путями передачи данных, 32-разрядными шинами и 32-разрядными адресами был AT&T Bell Labs BELLMAC-32A , первые образцы которого появились в 1980 году, а массовое производство началось в 1982 году. [61] [62] После отделения 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 мини-компьютерах AT&T 3B5 и 3B15; в 3B2, первом в мире настольном супермикрокомпьютере; в «Companion», первом в мире 32-разрядном ноутбуке ; и в "Александре", первом в мире супермикрокомпьютере размером с книгу, с картриджами памяти ROM-pack, похожими на современные игровые консоли. Все эти системы работали под управлением операционной системы UNIX System V.
Первым коммерческим однокристальным полностью 32-разрядным микропроцессором, доступным на рынке, был HP FOCUS .
Первым 32-битным микропроцессором Intel был iAPX 432 , представленный в 1981 году, но не имевший коммерческого успеха. Он имел усовершенствованную объектно-ориентированную архитектуру, основанную на возможностях , но низкую производительность по сравнению с современными архитектурами, такими как собственный процессор Intel 80286 (представленный в 1982 году), который был почти в четыре раза быстрее на типичных тестах производительности. Однако результаты iAPX432 были частично обусловлены поспешным и, следовательно, неоптимальным компилятором Ada . [ необходима цитата ]
Успех Motorola с 68000 привел к появлению MC68010 , который добавил поддержку виртуальной памяти . MC68020 , представленный в 1984 году, добавил 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 настольного размера. Следующим был представлен MC68030 , усовершенствовавший предыдущую конструкцию путем интеграции MMU в чип. Дальнейший успех привел к появлению MC68040 , который включал FPU для лучшей математической производительности. 68050 не смог достичь своих целей по производительности и не был выпущен, а последующий MC68060 был выпущен на рынок, насыщенный гораздо более быстрыми конструкциями RISC. Семейство 68k сошло с ума в начале 1990-х годов.
Другие крупные компании разработали 68020 и последующие версии для встроенного оборудования. В какой-то момент во встроенном оборудовании было больше 68020, чем Intel Pentium в ПК. [63] Ядра процессора ColdFire являются производными от 68020.
В это время (с начала до середины 1980-х годов) National Semiconductor представила очень похожий 16-битный 32-битный внутренний микропроцессор под названием NS 16032 (позже переименованный в 32016), полную 32-битную версию под названием NS 32032. Позже National Semiconductor выпустила NS 32132 , который позволял двум ЦП находиться на одной шине памяти со встроенным арбитражем. NS32016/32 превзошел MC68000/10, но NS32332, который появился примерно в то же время, что и MC68020, не обладал достаточной производительностью. Чип третьего поколения, NS32532, отличался. Он имел примерно вдвое большую производительность, чем MC68030, который был выпущен примерно в то же время. Появление процессоров RISC, таких как AM29000 и MC88000 (оба сейчас мертвы), повлияло на архитектуру последнего ядра, NS32764. Технически продвинутый — с суперскалярным ядром RISC, 64-битной шиной и внутренним разгоном — он все еще мог выполнять инструкции Series 32000 посредством трансляции в реальном времени.
Когда National Semiconductor решила уйти с рынка Unix, чип был перепроектирован в процессор Swordfish Embedded с набором периферийных устройств на чипе. Чип оказался слишком дорогим для рынка лазерных принтеров и был закрыт. Команда разработчиков обратилась в Intel и там разработала процессор Pentium, который внутренне очень похож на ядро NS32764. Большой успех Series 32000 был на рынке лазерных принтеров, где NS32CG16 с микрокодированными инструкциями BitBlt имел очень хорошее соотношение цены и производительности и был принят крупными компаниями, такими как Canon. К середине 1980-х годов Sequent представила первый серверный компьютер SMP, использующий NS 32032. Это была одна из немногих побед конструкции, и она исчезла в конце 1980-х годов. MIPS R2000 (1984) и R3000 (1989) были весьма успешными 32-битными RISC-микропроцессорами. Они использовались в высокопроизводительных рабочих станциях и серверах SGI , среди прочих. Другие разработки включали Zilog Z80000 , который появился на рынке слишком поздно, чтобы иметь шанс, и быстро исчез.
ARM впервые появился в 1985 году. [64] Это дизайн RISC- процессора , который с тех пор стал доминировать в области 32-разрядных встраиваемых системных процессоров во многом благодаря своей энергоэффективности, своей модели лицензирования и широкому выбору инструментов разработки систем. Производители полупроводников обычно лицензируют ядра и интегрируют их в свои собственные продукты system on a chip ; только несколько таких поставщиков, таких как Apple, имеют лицензию на модификацию ядер ARM или создание своих собственных. Большинство сотовых телефонов включают процессор ARM, как и широкий спектр других продуктов. Существуют ориентированные на микроконтроллеры ядра ARM без поддержки виртуальной памяти, а также симметричные многопроцессорные (SMP) прикладные процессоры с виртуальной памятью.
С 1993 по 2003 год 32-битная архитектура x86 становилась все более доминирующей на рынках настольных компьютеров , ноутбуков и серверов, и эти микропроцессоры стали быстрее и более способными. Intel лицензировала ранние версии архитектуры другим компаниям, но отказалась лицензировать Pentium, поэтому AMD и Cyrix построили более поздние версии архитектуры на основе своих собственных разработок. За этот период эти процессоры увеличились по сложности (количество транзисторов) и возможностям (инструкций в секунду) как минимум на три порядка. Линейка Pentium от Intel, вероятно, является самой известной и узнаваемой моделью 32-битного процессора, по крайней мере, среди широкой публики.
Хотя 64-разрядные микропроцессоры использовались на нескольких рынках с начала 1990-х годов (включая игровую консоль Nintendo 64 в 1996 году), в начале 2000-х годов появились 64-разрядные 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 которой последовали почти полностью совместимые 64-битные расширения Intel (сначала называвшиеся 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. С операционными системами Windows XP x64 , Windows Vista x64, Windows 7 x64, Linux , BSD и macOS , которые изначально работают в 64-битном режиме, программное обеспечение также ориентировано на полное использование 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 задуман с момента проектирования архитектуры в начале 90-х и не был основной причиной несовместимости. Существующие целочисленные регистры расширены, как и все связанные пути данных, но, как и в случае с IA-32, как блоки с плавающей точкой, так и векторные блоки работали на уровне или выше 64 бит 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. [ необходима цитата ]
В 2011 году компания ARM представила новую 64-битную архитектуру ARM.
В середине 1980-х — начале 1990-х годов появилось множество новых высокопроизводительных микропроцессоров для компьютеров с сокращенным набором команд ( RISC ), созданных под влиянием дискретных конструкций RISC-подобных ЦП, таких как IBM 801 и другие. Микропроцессоры RISC изначально использовались в специализированных машинах и рабочих станциях Unix , но затем получили широкое распространение в других ролях.
Первая коммерческая разработка микропроцессора RISC была выпущена в 1984 году компанией MIPS Computer Systems , 32-разрядный R2000 (R1000 не был выпущен). В 1986 году компания HP выпустила свою первую систему с процессором PA-RISC . В 1987 году в не-Unix компьютерах Acorn 32-разрядный, тогда безкэшный, на базе ARM2 Acorn Archimedes стал первым коммерчески успешным проектом с использованием архитектуры ARM , тогда известной как Acorn RISC Machine (ARM); первый кремниевый ARM1 в 1985 году. R3000 сделал проект по-настоящему практичным, а R4000 представил первый в мире коммерчески доступный 64-разрядный микропроцессор RISC. Конкурирующие проекты привели к появлению архитектур IBM POWER и Sun SPARC . Вскоре каждый крупный производитель выпустил конструкцию RISC, включая AT&T CRISP , AMD 29000 , Intel i860 и Intel i960 , Motorola 88000 , DEC Alpha .
В конце 1990-х годов только две 64-битные RISC-архитектуры все еще производились в больших объемах для невстраиваемых приложений: SPARC и Power ISA , но поскольку ARM становился все более мощным, в начале 2010-х годов он стал третьей RISC-архитектурой в общем вычислительном сегменте.
Симметричная многопроцессорная обработка SMP [65] — это конфигурация из двух, четырех или более ЦП (попарно), которые обычно используются в серверах, определенных рабочих станциях и настольных персональных компьютерах с 1990-х годов. Многоядерный процессор — это один ЦП, содержащий более одного ядра микропроцессора.
Эта популярная двухсокетная материнская плата от Abit была выпущена в 1999 году как первая материнская плата для ПК с поддержкой SMP, Intel Pentium Pro был 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 достигают гораздо более высокой производительности, чем один процессор. Ранние Celeron легко разгонялись, и любители использовали эти относительно недорогие процессоры с тактовой частотой до 533 МГц — намного выше спецификации Intel. После обнаружения возможностей этих материнских плат Intel удалила доступ к множителю в более поздних процессорах.
В 2001 году IBM выпустила процессор POWER4 , это был процессор, который был разработан в течение пяти лет исследований, начатых в 1996 году с использованием команды из 250 исследователей. Попытка сделать невозможное была подкреплена разработкой и посредством — удаленного сотрудничества и назначения молодых инженеров для работы с более опытными инженерами. Работа команды достигла успеха с новым микропроцессором Power4. Это процессор «два в одном», который более чем удвоил производительность по цене в два раза ниже, чем у конкурентов, и является крупным достижением в области вычислений. Деловой журнал eWeek написал: «Недавно разработанный Power4 1 ГГц представляет собой огромный скачок по сравнению со своим предшественником» . Аналитик отрасли Брэд Дэй из Giga Information Group сказал: «IBM становится очень агрессивной, и этот сервер меняет правила игры».
Power4 получил премию «Выбор аналитиков» как лучший процессор для рабочей станции/сервера 2001 года и побил ряд примечательных рекордов, включая победу в соревновании с лучшими игроками в американском телешоу Jeopardy! [66] .
Процессоры Intel под кодовым названием Yonah были выпущены 6 января 2006 года и выпускались с двумя кристаллами, упакованными в многочиповый модуль . На горячо конкурирующем рынке AMD и другие выпустили новые версии многоядерных процессоров, SMP AMD позволила процессорам Athlon MP из линейки AthlonXP в 2001 году, Sun выпустила Niagara и Niagara 2 с восемью ядрами, AMD Athlon X2 был выпущен в июне 2007 года. Компании были вовлечены в бесконечную гонку за скоростью, действительно, более требовательное программное обеспечение требовало большей вычислительной мощности и более высокой скорости процессора.
К 2012 году двух- и четырехъядерные процессоры стали широко использоваться в ПК и ноутбуках, новые процессоры - похожие на более дорогие профессиональные процессоры Intel Xeon - с дополнительными ядрами, которые выполняют инструкции параллельно, поэтому производительность программного обеспечения обычно увеличивается, при условии, что программное обеспечение разработано для использования передового оборудования. Операционные системы поддерживают многоядерные и SMD-процессоры, многие программные приложения, включая приложения с большой рабочей нагрузкой и ресурсоемкие приложения - такие как 3D-игры - запрограммированы на использование преимуществ многоядерных и многопроцессорных систем.
Apple, Intel и AMD в настоящее время лидируют на рынке с многоядерными процессорами для настольных ПК и рабочих станций. Хотя они часто перепрыгивают друг друга в борьбе за лидерство в уровне производительности. Intel сохраняет более высокие частоты и, таким образом, имеет самую высокую производительность одного ядра, [67] в то время как AMD часто является лидером в многопоточных процедурах из-за более продвинутой ISA и узла процесса, на котором производятся процессоры.
Концепции многопроцессорной обработки для многоядерных/многопроцессорных конфигураций связаны с законом Амдаля .
В 1997 году около 55% всех проданных в мире процессоров были 8-битными микроконтроллерами , из которых было продано более 2 миллиардов. [68]
В 2002 году менее 10% всех проданных в мире процессоров были 32-битными или 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 10,16 долларам США в 2023 году). [69]
В 2003 году было произведено и продано микропроцессоров на сумму около 44 миллиардов долларов (что эквивалентно примерно 73 миллиардам долларов в 2023 году). [70] Хотя около половины этих денег было потрачено на процессоры, используемые в настольных или портативных персональных компьютерах , они составляют всего около 2% от всех проданных процессоров. [69] Цена микропроцессоров для ноутбуков с поправкой на качество улучшилась на −25% до −35% в год в 2004–2010 годах, а темпы улучшения замедлились до −15% до −25% в год в 2010–2013 годах. [71]
В 2008 году было произведено около 10 миллиардов процессоров. Большинство новых процессоров, производимых каждый год, являются встроенными. [72]
микропроцессор не является автономным компьютером, поскольку у него нет памяти и управления вводом/выводом. Это недостающие части, которые поставляет микроконтроллер, что делает его почти полноценным компьютером на чипе.
Сам по себе микропроцессор не способен выполнять вычисления и для этого ему требуется система поддержки. Система поддержки ЦП включает в себя систему хранения, в которой хранятся не только рабочие инструкции, но и данные (операнды).
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite speech}}: CS1 maint: location (link){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )[...] первый кремний был запущен 26 апреля 1985 г.
… по сравнению с -25% до -35% в год в период 2004–2010 гг., ежегодное снижение стабилизируется на уровне около -15% до -25% в период 2010–2013 гг.
