Микропроцессоры первого поколения

История развития микропроцессоров. Отличительные особенности поколений микропроцессоров.

Микропроцессоры первого поколения

Микропроцессор обязан своему появлению внедрению в начале 70-х годов в производство микроэлектронной элементной базы, основу которой составляют интегральные схемы (ИС). Разработкой и производством МП в то время занимались ряд фирм США, среди которых наиболее совершенной технологией на фоне других обладала фирма Intel. Поэтому историю развития рассмотрим на примере развития МП данной фирмы.

До начала 70-х годов вычислительные машины были доступны весьма ограниченному кругу специалистов, а их применение, как правило, оставалось окутанным завесой секретности и мало известным широкой публике. Однако в 1971 г. произошло событие, которое резко изменило ситуацию и превратило вычислительную машину в повседневный рабочий инструмент десятков миллионов людей. В 1971 году фирма Intel из небольшого американского городка Санта-Клара (шт. Калифорния) создала новый полупроводниковый прибор, получивший название «микропроцессор». В 1968 г. Гордон Мур и Боб Нойс, одни из тех, кто закладывал фундамент известной полупроводниковой компании Fairchild Semiconductor, основали фирму Intel Corporation. Первой идеей нового предприятия было создание полупроводниковых запоминающих устройств, призванных заменить ЗУ на магнитных сердечниках. Поскольку к концу 60-х годов память этого типа практически исчерпала весь свой потенциал развития, проблема была весьма актуальной, а ее разработка сулила немалые прибыли. И хотя в данной области Intel добилась заметных успехов, тем не менее мировую славу ей принесли совсем другие изделия.

Поворотным моментом в истории компании стал 1969 г., когда был получен заказ на создание ряда специализированных микросхем для калькуляторов от ныне уже несуществующей японской фирмы Busicom. В результате его реализации был разработан кристалл в сопровождении соответствующих средств поддержки.

МП i4004. 15 ноября 1971 г. Intel приступила к поставкам первого в мире микропроцессора Intel 4004 - именно такое обозначение получил первый прибор, послуживший отправной точкой абсолютно новому классу полупроводниковых устройств.

Кристалл представлял собой 4-разрядный процессор и изготавливался по передовой в те годы p-канальной МОП-технологии с проектными нормами 10 мкм. Электрическая схема прибора насчитывала 2300 транзисторов. Микропроцессор работал на тактовой частоте 750 кГц при длительности цикла команды 10,8 мкс.

МП i4004 имел адресный стек (счетчик команд и три регистра стека типа LIFO - Last In First Out), блок регистров общего назначения - РОН (регистры сверхоперативной памяти, или регистровый файл), 4-разрядное параллельное АЛУ, аккумулятор, регистр команд с дешифратором команд и схемой управления, а также схему связи с периферийными устройствами. Все эти функциональные узлы объединялись между собой 4-разрядной шиной данных (ШД).

Память команд достигала 4Кбайт (для сравнения: объем ЗУ мини-ЭВМ в начале 70-х годов редко превышал 16 Кбайт), а регистровый файл центрального процессора (ЦП) насчитывал шестнадцать 4-разрядных регистров, которые можно было использовать и как восемь 8-разрядных (восемь 4-разрядных пар). Такая организация РОН сохранена и в последующих микропроцессорах фирмы Intel. Три регистра стека обеспечивали три уровня вложения подпрограмм.

МП i4004 монтировался в пластмассовый или металлокерамический корпус типа DIP (Dual In-line Package) всего с 16 выводами.

В систему его команд входило 46 инструкций. По своему функциональному составу она была универсальной, т. е. рассчитана на широкий круг решаемых задач и разрабатываемых приложений. Первоначальное назначение кристалла наложило определенный отпечаток на состав системы команд, поэтому присутствие в ней ряда инструкций, в частности десятичной коррекции, а также наличие соответствующих аппаратных средств не вызывает особого удивления.

Вместе с тем кристалл располагал весьма ограниченными средствами ввода/вывода, а в системе команд отсутствовали операции логической обработки данных (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ), в связи с чем их приходилось реализовывать с помощью специальных подпрограмм, что в некоторых случаях чрезмерно усложняло создаваемое ПО.

МП i4004 не имел возможности останова (команды HALT) и обработки прерываний. Это объясняется тем, что в калькуляторах, где поначалу и планировалось использовать прибор, особой необходимости в этих средствах нет.

Цикл команды процессора состоял из восьми тактов задающего генератора. Как уже отмечалось, МП i4004 монтировался в корпус всего с 16 выводами - самый распространенный (а значит, и самый дешевый) тип корпуса в начале 70-х годов. А поскольку в распоряжении инженеров оказался узкий интерфейс с "внешним миром", то пришлось пойти на применение мультиплексированной шины адреса (ША) и данных, причем 12 - разрядный адрес выдавать порциями по четыре разряда, что, конечно, не могло не сказаться на длительности машинного цикла. Прием команды по такому интерфейсу требовал еще двух тактов. На исполнение же самой инструкции из восьми тактов процессор затрачивал лишь три.

Компанией было разработано и выпущено целое семейство БИС, в которое вошли постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 4001, ОЗУ 4002, регистр сдвига 4003 и ряд других вспомогательных микросхем. Поскольку все они были рассчитаны на совместное использование, разработка аппаратных средств системы заметно упрощалась.

Опыт использования первого МП показал, что такие факторы, как отсутствие средств обработки прерываний, наличие трех уровней вложения подпрограмм и необходимость реализации логических операций И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с помощью специальных подпрограмм, далеко не всегда удовлетворяют разработчиков. Указанные недостатки привели к созданию нового МП i4040.

МП i4040. В i4040 сохранены все функциональные возможности предшествующей модели и существенно улучшены как технические, так и программные средства. Система команд пополнилась 14 инструкциями, включая выполнение логических операций И и ИЛИ; кроме того, в процессор были введены средства останова и обработки прерываний.

Претерпела некоторые изменения и архитектура устройства. Адресный стек процессора увеличен с трех до семи регистров, а количество РОН возросло с 16 до 24, причем их разбили на две области, выбираемые при помощи специальных команд. Отчасти такая организация обусловлена тем, что процессор теперь мог обращаться к двум блокам памяти команд объемом 4 Кбайт и за каждым из них программист мог закрепить свою область регистров. Наряду с этим восемь РОН были всегда доступны для использования. В итоге получилась достаточно гибкая и удобная структура, позволявшая разрабатывать самостоятельные программные модули, способные взаимодействовать через общую часть регистрового файла.

Обработка одноуровневых прерываний является одним из наиболее существенных новшеств МП i4040. Эта функция превратила его в полноценный процессор и сделала возможным использование в системах реального масштаба времени. Благодаря применению сигнала «останов» стала реальностью синхронизация работы процессора с некоторыми внешними событиями.

Несмотря на то что тактовая частота и машинный цикл i4040 не претерпели изменений, производительность МП возросла за счет использования более совершенной архитектуры и эффективной системы команд. 60 инструкций, ориентированных на широкий спектр решаемых задач, обработка прерываний, до 8 Кбайт памяти команд, а также возможность быстрого перевода систем на базе i4004 на новый процессор вывели i4040 в безусловные лидеры рынка 4-разрядных устройств.

МП i8008. Intel с 1 апреля 1972 г. начала поставки первого в отрасли 8-разрядного прибора Intel 8008. Он был разработан для нужд американской фирмы Computer Terminals Corporation of Texas, позднее известной как Datapoint.

Проектирование i8008 шло практически параллельно с работами над i4004. Кристалл изготавливался по p-канальной МОП-технологии с проектными нормами 10 мкм и содержал 3500 транзисторов. Процессор работал на частоте 500кГц при длительности машинного цикла 20 мкс (10 периодов задающего генератора).

В отличие от своих предшественников новый МП допускал применение комбинации ПЗУ и ОЗУ. Помимо увеличения разрядности и перехода на использование общего поля памяти для команд и данных, структура процессора претерпела еще ряд существенных изменений. Прежде всего это коснулось регистрового файла и устройства управления. По сравнению с i4004 число РОН уменьшилось вдвое (с 16 до 8), причем два регистра в основном использовались для хранения адреса при косвенной адресации памяти.

В связи с этим следовало бы ожидать снижения производительности, которого на самом деле не произошло, поскольку операции с памятью i8008 выполнял быстрее предыдущих моделей благодаря меньшему количеству состояний в машинном цикле и отсутствию необходимости исполнения минимум трех подготовительных команд (как в i4004 и i4040) при обращении к ОЗУ или ПЗУ.

Вместе с тем объем блока регистров был ограничен возможностями технологии, которая в то время еще не позволяла размещать на кристалле большие регистровые структуры (в МП i8008 блок РОН был реализован в виде динамической памяти).

Почти вдвое (с восьми до пяти состояний) сократилась длительность машинного цикла. Теперь процессор выполнял команды за один - три машинных цикла, а некоторые инструкции - за один цикл из трех состояний. Для синхронизации работы МП с медленными устройствами был введен сигнал готовности (READY).

Разработчики технических средств на базе i8008 не были ограничены жесткими требованиями в отношении быстродействия микросхем памяти и периферийных устройств и могли использовать те ИС, которые наиболее полно соответствовали конкретной системе. В ряде случаев это приводило к ощутимому сокращению стоимости оборудования.

Система команд первого 8-разрядного МП насчитывала 65 инструкций, причем значительно увеличилось число команд условных переходов, а также логических инструкций и команд сдвига. Новый кристалл мог адресовать память объемом до 16 Кбайт (объем ЗУ для МП типа i4040 не превышал 8 Кбайт). Его производительность по сравнению с 4-разрядными системами возросла в 2,3 раза.

Процессор с такими параметрами уже можно было применять для построения контрольно - испытательного оборудования, прецизионной измерительной техники и сложных промышленных контроллеров систем управления технологическими процессами.

Однако i8008 имел свои недостатки. Объем и организация стека остались такими же, как и у i4040, и реализация операций с ним по - прежнему возлагалась на программиста. Узкий интерфейс с "внешним миром" ограничил количество управляющих сигналов процессора: в результате специалистам Intel пришлось использовать их шифрацию, что повлекло за собой необходимость установки дополнительного внешнего оборудования для формирования сигналов управления. В среднем для сопряжения процессора с памятью и устройствами ввода/вывода требовалось около 20 схем средней степени интеграции.

Вскоре после выхода i8008 появилась его усовершенствованная версия i8008-1. Модернизированный вариант работал уже на частоте 800 кГц при длительности машинного цикла 12,5 мкс. Увеличение в 1,5 раза производительности центрального процессора наряду с большим (по тому времени) объемом оперативной памяти послужило лучшей рекомендацией для активного использования кристалла в различных областях, начиная от промышленности и медицины и кончая военной электроникой и торговлей. По мере расширения сферы влияния МП и усложнения систем на его базе возросли и требования к нему со стороны проектировщиков оборудования.

Несмотря на значительный успех разработанного кристалла среди проектировщиков систем, ПО к этому времени уже с трудом вписывалось в 16 Кбайт, да и производительность прибора начинала не удовлетворять многих разработчиков. Кроме того, некоторые области применения настойчиво требовали расширения не только количества, но и номенклатуры периферийных устройств. Системщики уже с трудом могли обходиться без такой традиционной для мэйнфреймов и мини-ЭВМ периферии, как дисплеи, принтеры, накопители на магнитной ленте и дисках и т. п. Стало очевидно, что технические характеристики изделия превратились в фактор, сдерживающий его дальнейшее распространение.

Возможности p-канальной МОП-технологии для создания сложных высокопроизводительных МП были уже практически исчерпаны, поэтому направление главного удара перенесли на технологию n-МОП. Перед проектировщиками стояли не менее сложные проблемы - разработка эффективной системы команд, рассчитанной на широкий круг решаемых задач, при сохранении программной совместимости с предыдущей моделью, расширение объема адресуемой памяти, поддержка интенсивного ввода/вывода без существенной потери производительности процессора, совершенствование подсистемы обработки прерываний. Указанные причины привели к созданию нового прибора – i8080.

МП i8080 - триумф 8-разрядных систем, который появился 1 апреля 1974 г. Благодаря использованию технологии n-МОП с проектными нормами 6 мкм, на кристалле удалось разместить 6 тыс. транзисторов. При этом геометрические размеры самого кристалла по сравнению с i8008 увеличились незначительно. Следовательно, процент выхода годных изделий и ряд экономических показателей производства, включая себестоимость, удалось сохранить на достаточно высоком уровне. Тактовая частота процессора была доведена до 2 МГц, что в 2,5 раза превышало аналогичный параметр для i8008, а длительность цикла команды составила уже 2 мкс.

Несмотря на чисто внешнее сходство структур i8080 и i8008, схема нового процессора существенно отличалась от предшествующей модели. Объем памяти, адресуемой процессором, был увеличен в четыре раза и достиг 64 Кбайт (кстати, в то время ОЗУ такой емкости предлагали потребителям минимальные конфигурации многих мини-ЭВМ). В сочетании с эффективным механизмом обработки прерываний это давало им возможность широкого применения нового МП в сложных системах сбора и обработки информации различного назначения, особенно функционирующих в реальном масштабе времени. За счет использования корпуса с 40 выводами удалось разделить адресную и информационную шины процессора, в результате отпала необходимость применения дополнительных внешних схем для разделения потоков адресов и данных. Общее же количество микросхем, требовавшихся для построения системы в минимальной конфигурации, сократилось с 20 до 6, т. е. более чем в три раза. В регистровый файл были введены указатель стека, активно используемый при обработке прерываний, а также два программно-недоступных регистра для внутренних пересылок.

Поскольку предыдущий МП i8008 имел большой успех и для был наработан достаточно большой объем ПО, то сохранение разработчиками программной совместимости i8080 и i8008 было вполне естественным и разумным шагом. Именно поэтому в состав РОН нового процессора были включены основные рабочие регистры предыдущей модели. Правда, полной совместимости с i8008 достичь не удалось, так как процедуры обращения к подпрограммам и инструкции ввода/вывода МП i8080 в значительной степени отличались от соответствующих процедур и операций кристалла i8008, и при переводе систем со старого процессора на новый в некоторых случаях программы приходилось полностью перерабатывать.

Включение в систему команд ряда инструкций, адресующих память с использованием трех пар регистров (в i8008 для этого выделялась одна пара), придало дополнительную гибкость. Реализация же блока РОН на основе статической, а не динамической памяти дала дополнительную экономию площади кристалла для размещения других схем процессора. Исключение аккумулятора из регистрового файла и введение его в состав арифметико - логического устройства упростило схему управления внутренней шиной, поскольку при этом отпала необходимость в ее использовании для передачи данных между сверхоперативной памятью и арифметико-логическим устройством (АЛУ) во время выполнения арифметических и логических операций.

Новым веянием в архитектуре МП стало использование многоуровневой системы прерываний по вектору. Такое техническое решение позволило довести общее число источников прерываний в системе до 256. Правда, до появления специализированных БИС контроллеров прерываний схема формирования векторов прерываний требовала применения до десяти дополнительных чипов средней степени интеграции.

Освобождение центрального процессора от управления ВУ и обмен данными между памятью системы и периферией, минуя ЦП, были уже достаточно давно и успешно реализованы в универсальных ЭВМ (IBM System 360 и др.). Таким образом, появление в кристалле i8080 механизма прямого доступа к памяти (ПДП) при работе с ВУ можно смело считать первым (но далеко не последним) ударом микропроцессоров по большим системам. ПДП открыл зеленую улицу для применения в микроЭВМ таких сложных устройств, как накопители на магнитных дисках и лентах, а также дисплеи на ЭЛТ, которые и превратили микроЭВМ в полноценную вычислительную систему.

Начиная с первого кристалла, Intel стала выпускать не отдельные чипы, а семейства БИС, рассчитанные на совместное использование. Помимо МП, в новый набор микросхем вошли ИС системных генератора и контроллера. Вскоре их пополнили БИС контроллера ПДП и контроллера прерываний. Благодаря хорошо продуманному составу комплекта, проектирование МПС на его базе в ряде случаев упростилось.

Следует отметить, что в эти годы разработчики систем все большее внимание стали уделять развитию мультипроцессорным универсальным МПС, которые в ту пору еще не стали привычным атрибутом вычислительных центров. Поэтому в начале 1976 г. стартовали работы по созданию 16-разрядного прибора, который впоследствии получил обозначение i8086.

МП i8086. Конечной целью нового проекта было получение 16-разрядного микропроцессора с производительностью, на порядок превышающей аналогичный параметр кристалла i8080 и позволяющего создавать многопроцессорные системы. Поставленная задача решалась за счет дальнейшего совершенствования архитектурных концепций, положенных в основу его предшественника. Был разработан сложный и исключительно удачный процессор в очень сжатые сроки.

Новый кристалл был анонсирован 8 июня 1978 г. Прибор изготавливался по высококачественной трехмикронной МОП-технологии с кремниевыми затворами (H-MOS), позволившей разместить на кристалле 29 тыс. транзисторов. Высокое быстродействие элементов (задержка 2 нс/вентиль) обеспечило тактовую частоту процессора 5 МГц, а 16-разрядная архитектура и 200-нс машинный цикл - производительность процессора, превышающую аналогичный параметр i8080 на порядок величины.

Программная совместимость с i8080 была, пожалуй, единственной, но вместе с тем и исключительно важной характеристикой, которая объединяла 86-й кристалл с его предшественниками. Структура процессора оказалась полностью пересмотренной. Прежде всего, прибор был разбит на два функциональных блока - операционный и интерфейсный, которые могли работать одновременно. В результате исполнение одной команды совмещалось во времени с выборкой следующей инструкции или данных из памяти. Более того, в МП появился регистровый файл команд, что давало дополнительную экономию времени при обращениях к памяти. Алгоритм работы операционного и интерфейсного блоков позволял вести обработку команд, находящихся в конвейере команд регистрового файла, одновременно с их вводом из программной памяти.

Возможность адресации 1 Мбайт ОЗУ и сегментация памяти могут быть отнесены к одним из наиболее существенных новшеств, предложенных инженерами Intel. В частности, сегментация памяти и большое число уровней прерываний были ориентированы на работу систем в многозадачном режиме, весьма актуальном для приложений управления.

Большая емкость ОЗУ позволяла перевести проекты построения сложных операционных и прикладных систем из области теории в сферу практической реализации. Наряду с поддержкой ввода/вывода по каналу прямого доступа к памяти i8086 обеспечивал адресацию до 64К портов программно-управляемого ввода/вывода. Это снимало практически любые ограничения при формировании крупных систем сбора и обработки информации.

Микропроцессор имел два режима работы - минимальный и максимальный. Первый рассчитан на его использование в однопроцессорных системах и предполагал работу кристалла без БИС контроллера шины. Максимальный режим был ориентирован на применение МП в многопроцессорных системах и требовал наличия указанного контроллера. Таким образом, один и тот же процессор с одинаковым успехом мог применяться в системах различного класса.

Система команд процессора содержала 147 инструкций. Она позволяла решать задачи управления практически любой сложности. Появление среди них таких операций, как умножение и деление 16-разрядных чисел со знаком и без знака, команд обработки массивов данных, а также программно-управляемых прерываний дает все основания назвать этот кристалл универсальным, рассчитанным на использование не только в сложных контроллерах, но и в качестве центрального процессора ЭВМ общего назначения.

МП вышел в мощном сопровождении средств поддержки: вспомогательных БИС, средств разработки и отладки аппаратуры и системного ПО.

Использование микросхем i8086 в персональных компьютерах IBM предопределило дальнейшее развитие корпорации Intel как разработчика и изготовителя универсальных процессоров общего назначения.

Вычислительная мощь 16-разрядных приборов была поддержана арифметическим сопроцессором i8087, который позволил превратить МПС в достаточно мощный инструмент и для решения задач вычислительного характера. Более того, теперь и разработчики систем управления на базе 86-го МП получили возможность использовать интенсивную арифметическую обработку информации, для которой ранее служили мини-ЭВМ.