Микропроцессоры и микро-ЭВМ

Колоссальные успехи в развитии интегральных схем, которые были достигнуты на пороге 70-х гг, предвосхитили начало эры микропроцессоров и микро-ЭВМ. Предпосылки для этих достижений были созданы после освоения технологии БИС с МОП-структурой. Эта технология постоянно совершенствовалась и использовалась для создания сдвигающих регистров, мультиплексоров, оперативной и постоянной памяти умеренной сложности.

В эти годы резко возросло производство различных типов калькуляторов, в которых для уменьшения стоимости и габаритов широко внедрялись ИС и БИС.

Разработчики калькуляторов ставили перед разработчиками БИС задачу создания специализированных БИС по МОП-технологии.

Сотрудник фирмы Intel Марчиан Хофф, ответственный за прикладные исследования, сделал для себя заключение, что создать калькулятор, содержащий 3—5 тыс. транзисторов, существующими средствами невозможно (такой заказ поступил от японской фирмы Busicom). Он рассудил, что сложность калькулятора может быть сильно уменьшена, если использовать в нем небольшой универсальный процессор. Такой подход для системы, использующей программное обеспечение вместо электронной логики, обязательно потребует оснащения калькулятора мощной системой машинной памяти. Однако к этому времени на фирме Intel закончилась разработка микросхемы, содержащей 1 кбит памяти. Стало ясно, что разрабатываемый процессор будет иметь очень широкое применение.

Инженеры фирмы Busicom до предела упростили свой проект калькулятора, но все равно каждая микросхема должна была содержать более 2000 транзисторов, а для всего калькулятора требовалось 12 таких микросхем. Группа М. Хоффа определила, что для их процессора потребуется всего 1900 транзисторов. Таким образом универсальный процессор Хоффа выиграл соревнование с проектом инженеров фирмы Busicom, и фирма Intel получила от Busicom заказ на производство микросхем универсального процессора. Позже он получил название Intel 4004.

В ноябре 1971 г. фирма Intel рекламировала свой процессор как 4-разрядный, выполняющий 60 тыс оп/с. К февралю 1972 г. фирма продала этих процессоров на сумму 85 тыс. долларов.

В июне 1971 г. фирма Intel выпустила первое микропроцессорное семейство «lntel-4004». Комплект микросхем данного семейства (микропроцессорный комплект) был разработан Ф. Фэггином, и включал ПЗУ на 256 байт, ЗУПВ (запоминающее устройство с произвольной выборкой) на 32 бита, 10-рязрядный сдвигающий регистр и расширитель и 4-разрядный микропроцессор (изготовлен по р-канальной МОП-технологии). Первый 4-разрядный микропроцессор был выполнен на кристалле размером 3,8X2,8 мм и содержал 2250 транзисторов.

Во время разработки микропроцессора 4004 фирма СТС предложила фирмам Intel и TI разработать БИСы для ее нового интеллектуального терминала. В результате TI получила патент на свою микросхему, а фирма Intel дала производству 8-разрядный процессор 8008. Кристалл размером 3,18><4,31 мм, заключенный в 18-контактный корпус, содержал АЛУ, семь 8-разрядных регистров данных и стековую память. Микропроцессор 8008 требовал по меньшей мере 20 микросхем поддержки, но мог выполнять 45 команд со скоростью 30 тыс. команд в секунду и мог адресовать чудовищный (для того времени) объем памяти — 16 кбайт.

В 1973 г. фирма Intel выпустила первые микро-ЭВМ «lntellec-4» и «lntellec-8», содержащие микропроцессоры 4004 и 8008 соответственно.

В апреле 1974 г. фирма Intel заставила нас навсегда изменить представление о вычислительной машине, объявив о создании нового, значительно усовершенствованного микропроцессора 8080. Использование новой n-канальной технологии позволило (по сравнению с МП 8008) увеличить производительность в 10 раз. Микропроцессор 8080 (40-контактный п-канальный МОП-прибор) требовал всего шесть микросхем поддержки, выполнял 75 команд, имел вдесятеро большую пропускную способность и адресовал 64 кбайт памяти. Он больше походил на вычислительную машину, чем все то, что было до него, а с точки зрения аппаратуры был гораздо проще в применении.

В январе 1975 г. фирма MIT построила вычислительную машину «Альтаир 8800» на основе МП 8080. Весь набор этой вычислительной машины (МП 8080, процессорная плата, блок питания, клавишная панель, 256 байт памяти) продавался за 395 долларов (это не опечатка!). Фирма MIT продала в первый день большее количество компьютеров, чем надеялась продать за всю жизнь этой разработки.

Годом позже на основе технологии комплементарных МОП-схем фирма RCA изготовила первый К-МОП- микропроцессор. В марте 1974 г. фирма Motorola выпустила микропроцессор М 6800, имеющий шинную организацию, подобную организации мини-ЭВМ PDP-11. Этот микропроцессор продавался по цене 179 долларов, а на ближайшей ярмарке МП 6501 (подобный 6800) стоил уже 25 долларов. Подобная конкурентная «война» работала на самое широкое внедрение микропроцессоров в производство, породила лавинный процесс применения микропроцессоров — от детских игрушек и бытовых приборов до мощных промышленных систем.

В 1976 г. фирма Zilog объявила о создании МП Z80, значительно усовершенствованного варианта МП 8080. Новый микропроцессор включал весь набор команд МП 8080, но тактовая частота его (4МГц) была вдвое большей. Кроме того, Z80 выполнял 176 команд(!) Успех МП Z80 был обеспечен и другими его возможностями. Наличие в нем схемы регенерации динамической памяти позволяло использовать дешевые системы. Например микро-ЭВМ TRS80 использовали именно это преимущество. Динамические устройства памяти (RAM) были вчетверо дешевле своих статистических конкурентов (в расчете на бит). Однако из-за того, что приходилось постоянно регенерировать такую память (иначе она забывает свои данные) практическое использование динамической памяти было минимальным. Теперь ситуация изменилась в ее пользу.

А почему бы не сделать аппаратурную часть также легко переносимой, как и программное обеспечение? Так родился МП 8088, имеющий внутри МП 8086, а снаружи 8-разрядную шину данных. Для большей эффективности МП 8086 также содержал внутри себя два микропроцессора: один выполнял обработку данных (команды), другой (называемый «устройство шинного интерфейса») обеспечивал все связи с внешним миром и генерацию адреса. В МП 8086 на шине главного процессора «подвешен» сопроцессор, расширяющий функции главного.

Благодаря повышению уровня интеграции некоторые периферийные функциональные узлы были размещены на одном с микропроцессором кристалле, темсамым упрощено сопряжение. Так появились однокристальные микро-ЭВМ, ознаменовавшие открытие новых областей применения вычислительной техники.

Первую однокристальную микро-ЭВМ под названием «lntel-8048» выпустила фирма Intel, однако патент на однокристальную микро-ЭВМ был выдан еще в 1971 г. М. Кочрену и Г. Буну — сотрудникам фирмы Texas Instruments. Микро-ЭВМ «lntel-8048» содержала МП, ОП, ПЗУ и средства ввода-вывода, а в конце 1976 г. в ее состав было введено ППЗУ со стиранием информации ультрафиолетовыми лучами. Однокристальные и одноплатные микро-ЭВМ стали совмещать в себе узлы различного функционального назначения. Разработчики сделали важный вывод: микро-ЭВМ могут не только успешно конкурировать с мини-ЭВМ, а в отдельных случаях способны превзойти по производительности и большие ЭВМ. Начало этому положило создание 16-разрядных микропроцессоров. На кристалле площадью 33 мм2 16-разрядного высокопроизводительного микропроцессора 8086, изготовленного фирмой Intel по МОП-технологии, размещалось более 29 тыс. транзисторов. За МП «lntel-8086» последовали выпуски 16-разрядных МП фирм Zilog (Z-8000), Motorola (М-68000). Микропроцессор М-68000, выпущенный в конце 70-х гг., содержал 68 тыс. транзисторов на кристалле размером 44,3 мм2 и имел регулярную структуру с четким разбиением на отдельные функциональные узлы [12, с. 167].

В середине 1978 г. фирма Intel выпустила систему 8022, совмещающую в одном кристалле микро-ЭВМ и АЦП (аналого-цифровой преобразователь), что сделало экономически оправданным установку микро-ЭВМ практически в любом контуре управления. В следующем году эта же фирма разработала периферийный процессор 8089, ставший третьим основным процессором в семействе МП-8086 и первым МП, способным обеспечить функцию ввода-вывода и прямого доступа к памяти.

В начале 80-х гг. появились 32-разрядные микропроцессоры, разработанные с применением новых высокоэффективных архитектурных решений. На Международной конференции по интегральным схемам 1981 г. отмечалось, что наступила эра 32-разрядных микропроцессоров — на конференции было представлено четыре таких прибора: 3-кристальный 32-разрядный ІАРХ-432 фирмы Intel, однокристальный 32-разрядный «Мас-32» фирмы Bell и микропроцессор аналогичной разрядности HP 32-бит фирмы Hewlett-Packard и NS-16000 фирмы National Semiconductor.

Микропроцессор iАРХ-432, выполненный по технологии высококачественных (high performance) МОП-схем или Н-МОП-схем, имеет оригинальную архитектуру и обладает производительностью 2 млн. оп/с, превышающей производительность современной мини-ЭВМ DEC VAX-11 /780 и соответствующей производительности большой ЭВМ 1ВМ-370/158. Этот микропроцессор в отличие от других имеет блочную структуру, в которой микропрограммная операционная система управляет каждым блоком, памятью, взаимодействием блоков, планирует параллельную обработку и отображает виртуальное пространство объемом 240 байт на физическую память емкость 224 байт. На трех кристаллах микропроцессора iARX-432 удалось разместить 225 тыс. транзисторов (первый МП «Intel-4004» содержал их в 100 раз меньше).

В 1982 г. фирма Status Computer выпустила отказоустойчивую высокопроизводительную 32-разрядную микропроцессорную систему «Status-32», построенную на базе однокристальных микропроцессоров М-68000.

Ранее отмечалось, что МП берут свое начало от трех совершенно различных как по истории своего возникновения, так и по ставившимся при их создании целям микропроцессоров «lntel-4004», «lntel-8008» и GPSP фирмы NS. Но если данный факт не вызывает споров, то в вопросе о поколениях МП такого единства мнений не было. В противоречивой трактовке поколений мик­ропроцессорных систем нет ничего удивительного, это лишний раз подтверждает, насколько бурно развивается одна из прогрессивных областей полупроводниковой технологии, когда «старые» рамки категорий уступают место новым.

Рассматривая процесс смены поколений МП, можно отметить, что он аналогичен процессу эволюции больших и мини-ЭВМ. Это обусловлено тем, что как возникновение, так и последующее развитие всех трех типов вычислительных систем на протяжении многих лет определялись совершенствованием технологии. Так, например, лишь после развития на достаточно высоком уровне технологии производства транзисторов были созданы первые большие ЭВМ с развитой архитектурой (БЭСМ-6, IBM-360). Аналогичным образом появление ИС низкой степени интеграции позволило создать мини-ЭВМ с развитой архитектурой (PDP-11). Появление р-канальной МОП-технологии создания БИС позволило разработать первый микропроцессор, появление и совершенствование n-канальной технологии привели к разработке МП второго поколения и т. д. Эти аналогии наглядно демонстрируют, что в процессе развития систем непрерывное совершенствование старых и создание новых технологий, пригодных для практического воплощения, расширение и усложнение функций, реализуемых системами, приводят к непрерывному совершенствованию функционально-структурной организации систем, их прогрессивному развитию.

В СССР в годы десятой пятилетки были разработаны девять типов микропроцессорных комплектов БИС. Комплекты К580, К582, К586, содержащие однокристальные МП, эффективно стали использовать при построении устройств цифровой автоматики и контроллеров. Комплекты К536, К581, К584, К587, К588 и К589 предназначены в первую очередь для построения микро-ЭВМ, их можно использовать при построении ряда совместимых микро-ЭВМ «Электроника НЦ». Все эти микро-ЭВМ имели производительность 103—106 оп/с. Комплект К589 предназначен для систем быстродействующей автоматики, в настоящее время он широко используется при разработке отечественных микро-ЭВМ серии СМ ЭВМ [44, 45].

С 1981 г. в нашей стране освоено серийное производство микро-ЭВМ СМ-1800 по программе третьей очереди СМ ЭВМ. Основными областями использования СМ-1800 стали: гибкие автоматизированные производства, автоматизированные системы научных исследований и системы автоматизированного проектирования. С 1984 г. был начат выпуск микро-ЭВМ СМ-1804, предназначенных для работы в многоуровневых системах управления технологическими процессами. Дальнейшее развитие серии СМ-1800 получило свое воплощение в создании 16-разрядной микро-ЭВМ СМ-1810, производительность которой увеличилась в 10 раз, а применение качественно новых устройств памяти на жестких магнитных дисках винчестерского типа позволило увеличить ее емкость до 100 Мбайт [43]. В начале 80-х гг. освоен серийный выпуск однокристальных микропроцессоров серии КР-1801 и КР-1806 [47].

Накопленный опыт создания и внедрения ЕС и СМ ЭВМ указал на необходимость и важность сотрудничества стран СЭВ и в области микропроцессорной техники. На XXXV заседании сессия СЭВ в 1981 г. приняла решение о разработке программы сотрудничества по проблеме развития и широкого использования в народном хозяйстве микропроцессорной техники на 1982—1990 гг.

Секретариатом СЭВ был подготовлен проект программы, который рассмотрен и одобрен Комитетом СЭВ по научно-техническому сотрудничеству. В июне 1982 г. заключено генеральное соглашение о сотрудничестве стран—членов СЭВ в области микроэлектроники. В нем предусмотрено совместное проведение работ по организации кооперированного производства широкой номенклатуры автоматизированных технологических комплексов, машин и приборов, оснащенных микропроцессорными средствами программного управления.

Программа сотрудничества содержит свыше 70 конкретных тем (заданий). Например, до 1990 г. должно быть создано 52 головных (типовых) комплексов и изделий, оснащенных микропроцессорными средствами, 28 комплексов и изделий будет поставлено на серийное производство. Организация странами СЭВ разработки типовых микропроцессорных систем позволит путем тиражирования ускорить их освоение на аналогичных автоматизируемых комплексах [48].

Аркадий Петрович Частиков
"Вычислительная техника и ее применение" 1988/1