Антошина И.В., Котов Ю.Т. Микропроцессоры и микропроцессорные системы (аналитический обзор)

Подождите немного. Документ загружается.

371

только арендная плата за пользование IBM 1620 доходила до

2000дол. в месяц. Темп работы над прибором был настолько вы-

сок, что уже осенью 1969 г. заказчику представили проект кри-

сталла. Поскольку вариант, предложенный Intel, оказался более

универсальным и имел потенциал для применения не только в

калькуляторах, Busicom отдала предпочтение американской разра-

ботке. Для японского менеджмента

того времени подобное реше-

ние было беспрецедентным, особенно если принять во внимание

молодость компании из Соединенных Штатов - в 1969 г. фирме

Intel исполнился всего лишь год.

Воплотить идеи Хоффа в кремнии выпало Федерико Фэгги-

ну (Federico Faggin), который и осуществил это менее чем за год.

Кстати, спустя всего лишь несколько лет он станет одним

из осно-

вателей и президентом фирмы Zilog, которая получит широкую

известность благодаря микропроцессору Z80, и поныне выпускае-

мому рядом изготовителей. Вместе с тем, несмотря на успешный

ход работ, одно обстоятельство беспокоило многих проектиров-

щиков прибора. Согласно контракту, Busicom имела на кристалл

исключительные права, но специалисты, его создавшие, прекрасно

сознавали, что возможностей чипа вполне достаточно

для гораздо

более широкого круга применений, нежели только калькуляторы.

Поэтому, когда в начале 1971 г. Busicom была вынуждена всту-

пить с Intel в переговоры о снижении цен на поставляемые микро-

схемы (в связи с обострением конкуренции на рынке калькулято-

ров), Хофф рекомендовал сотрудникам отдела маркетинга согла-

ситься на это в обмен на право

продажи кристалла на открытом

рынке. Японская сторона приняла предложение Intel.

Сразу после этого Эд Гелбах (Ed Gelbach), специалист по

маркетингу компании, и его помощник Хэнк Смит (Hank Smith)

приступили к исследованию потенциального рынка сбыта новых

микросхем. Первые полученные результаты вполне обнадеживали.

В ходе опроса потенциальных потребителей удалось установить,

что стоимость - единственный фактор, удерживающий проекти-

ровщиков от

программирования логических функций в их обору-

довании. А на вопрос: "Будете ли вы делать это, если цена соста-

вит 5 дол.?" - был получен столь же краткий, сколь и категорич-

ный ответ: "Безусловно". Резюме маркетинговому исследованию

372

подвел Боб Нойс: "Все, что нам надо - это довести стоимость

комплекта интегральных схем до 30 или 40 дол., и тогда покупате-

ли начнут писать собственные программы. Следует создать спрос

и обеспечить приемлемую цену". В процессе исследования рынка

стал очевиден еще один немаловажный фактор - потенциальным

потребителям кристаллов необходимо оказать помощь в их при-

менении

Это натолкнуло команду Гелбаха на идею создания систем

проектирования микроЭВМ, содержащих по крайней мере про-

стейшие инструментальные средства разработки и отладки про-

граммного обеспечения. Идея оказалась настолько плодотворной,

что уже через несколько лет поставки подобных систем стали при-

носить доход, соизмеримый с доходом от продажи самих микро-

процессоров. В результате

кристалл вышел на рынок в сопровож-

дении соответствующих средств поддержки и началось триум-

фальное шествие микропроцессоров по всему миру. 15 ноября

1971 г. можно считать началом новой эры в электронике. В этот

день компания приступила к поставкам первого в мире микропро-

цессора Intel 4004 - именно такое обозначение получил первый

прибор, послуживший отправной точкой абсолютно

новому классу

полупроводниковых устройств.

Кристалл представлял собой 4-разрядный процессор с клас-

сической архитектурой ЭВМ гарвардского типа и изготавливался

по передовой в те годы p-канальной МОП-технологии с проект-

ными нормами 10 мкм. Электрическая схема прибора насчитывала

2300 транзисторов. Микропроцессор работал на тактовой частоте

750 кГц при длительности цикла команды 10,8 мкс. Чип 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 де-

шифратором команд и схемой управления, а также схему связи с

периферийными устройствами. Все эти функциональные узлы

объединялись между собой 4-разрядной шиной данных (

рис. 1).

Для однокристального процессора i4004 имел весьма впечатляю-

щие характеристики. Память команд достигала 4Кбайт (для срав-

нения: объем ЗУ мини-ЭВМ в начале 70-х годов редко превышал

373

16 Кбайт), а регистровый файл ЦП насчитывал шестнадцать 4-

разрядных регистров, которые можно было использовать и как во-

семь 8-разрядных (восемь 4-разрядных пар). Такая организация

РОНов сохранена и в последующих микропроцессорах фирмы

Intel. Три регистра стека обеспечивали три уровня вложения под-

программ. Конечно, эта цифра не вызвала особых восторгов у про-

граммистов, тем

не менее они получили возможность создавать

полноценные программы. Процессор i4004 монтировался в пласт-

массовый 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. рассчита-

на на широкий круг решаемых задач и разрабатываемых приложе-

ний. Первоначальное назначение кристалла наложило

определен-

ный отпечаток на состав системы команд, поэтому присутствие в

ней ряда инструкций, в частности десятичной коррекции, а также

наличие соответствующих аппаратных средств не вызывает особо-

го удивления.

Вместе с тем кристалл располагал весьма ограниченными

средствами ввода/вывода, а в системе команд отсутствовали опе-

рации 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. Модуль i4004 не имел возможности

останова (команды HALT) и обработки прерываний. Впрочем, это

объясняется не упущением создателей устройства, а тем, что в

калькуляторах, где поначалу и планировалось использовать при-

бор, особой необходимости

в этих средствах нет. Цикл команды

процессора состоял из восьми тактов задающего генератора. Такое

их количество вызывает удивление, но объясняется очень просто,

хотя с позиций сегодняшнего дня и несколько неожиданно. Как

уже отмечалось, чип i4004 монтировался в корпус всего с 16 выво-

дами - самый распространенный (а значит, и самый дешевый) тип

корпуса

в начале 70-х годов. А поскольку в распоряжении инже-

неров оказался узкий интерфейс с "внешним миром", то пришлось

пойти на применение мультиплексированной шины адреса и дан-

ных, причем 12- разрядный адрес выдавать порциями по четыре

374

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.

Таким образом, соотношение "накладные расходы/полезная

работа" составило 5:3 в пользу накладных расходов. Узкое "окно"

во внешний мир долгое время

было бичом всех микропроцессоров

без исключения. Забегая несколько вперед, можно сказать, что 40-

выводной корпус во многом решил проблемы 8-разрядных систем,

но уже первые 16-разрядные приборы опять поставили на повест-

ку дня этот больной вопрос. Задача создания многовыводных кор-

пусов оказалась крепким орешком и попортила немало крови кон-

структорам и технологам,

не говоря уж о самих разработчиках

процессоров, которых к тому времени число "40", наверное, при-

водило просто в бешенство.

Примерно к середине 70-х годов появились корпуса типов

DIP и QUIP (QUad In-line Package), имевшие до 64 выводов, но и

им по ряду причин не суждено было стать панацеей от всех бед.

Во-первых, рост степени интеграции и

тактовых частот БИС не

могли не привести к увеличению потребляемой мощности. Пласт-

массовые корпуса позволяли рассеивать мощность не более 1,5 - 2

Вт. Металлокерамика увеличивала этот показатель до 3 - 4 Вт, но

одновременно поднимала стоимость микросхемы на такую высоту,

что ее массовый выпуск сразу оказывался под вопросом. Во-

вторых, 64 вывода "спасали" разработчиков процессоров на крайне

ограниченном

временном отрезке. Как бы там ни было, но спрос

рождает предложение и проблема корпусов с большим числом вы-

водов и приемлемой ценой была решена в начале 80-х годов. Од-

нако все это было впереди, а в самом начале 70-х пионерам при-

шлось исходить из существовавших реалий и принимать соответ-

ствующие

технические решения. Говоря о первом в мире микро-

процессоре, нельзя не вспомнить и о том, что с самого начала спе-

циалисты позаботились о простоте и удобстве построения систем

на базе i4004. Компанией был разработан и выпущен не один кри-

сталл центрального процессора, а целое семейство БИС, в которое

вошли ПЗУ 4001, ОЗУ 4002, регистр

сдвига 4003 и ряд других

вспомогательных микросхем. Поскольку все они были рассчитаны

375

на совместное использование, разработка аппаратных средств

системы заметно упрощалась, и это стало не последней причиной

популярности i4004. i4004 + обработка прерываний + ... = i4040.

Опыт использования первого МП показал, что такие факто-

ры, как отсутствие средств обработки прерываний, наличие трех

уровней вложения подпрограмм и необходимость реализации ло-

гических операций И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с помощью

специальных подпрограмм

, далеко не всегда удовлетворяют раз-

работчиков. Создав новый рынок и захватив на нем господствую-

щие высоты, Intel тем не менее стремилась расширить его грани-

цы, и решение о выпуске усовершенствованного варианта i4004,

свободного от указанных недостатков, было вполне логичным хо-

дом компании. Использование же в новом кристалле всех нарабо-

ток, приобретенных при

создании предыдущего процессора, дало

существенную экономию времени, и неудивительно, что i4040

вышел в свет вскоре после появления i4004.

В новом приборе сохранены все функциональные возмож-

ности предшествующей модели и существенно улучшены как тех-

нические, так и программные средства. Система команд пополни-

лась 14 инструкциями, включая выполнение логических операций

И и ИЛИ; кроме того, в

процессор были введены средства остано-

ва и обработки прерываний. Претерпела некоторые изменения и

архитектура устройства. Адресный стек процессора увеличен с

трех до семи регистров, а количество РОНов возросло с 16 до 24,

причем их разбили на две области, выбираемые при помощи спе-

циальных команд. Отчасти такая организация обусловлена тем,

что процессор теперь

мог обращаться к двум блокам памяти ко-

манд объемом 4 Кбайт и за каждым из них программист мог за-

крепить свою область регистров. Наряду с этим восемь РОНов бы-

ли всегда доступны для использования. В итоге получилась доста-

точно гибкая и удобная структура, позволявшая разрабатывать са-

мостоятельные программные модули, способные взаимодейство-

вать

через общую часть регистрового файла. Обработка одноуров-

невых прерываний - одно из наиболее существенных новшеств

чипа i4040 - превратила его в полноценный процессор и сделала

возможным использование в системах реального масштаба време-

ни. Благодаря применению сигнала "останов" стала реальностью

376

синхронизация работы процессора с некоторыми внешними со-

бытиями.

Вместе с тем специальных операций со стеком (запись в

стек содержимого РОН и извлечение его из стека) разработчики

ПО так и не дождались. Несмотря на то что тактовая частота и

машинный цикл i4040 не претерпели изменений, производитель-

ность процессора возросла за счет использования более

совершен-

ной архитектуры и эффективной системы команд. 60 инструкций,

ориентированных на широкий спектр решаемых задач, обработка

прерываний, до 8 Кбайт памяти команд, а также возможность бы-

строго перевода систем на базе i4004 на новый процессор вывели

i4040 в безусловные лидеры рынка 4-разрядных устройств. Прав-

да, полной совместимости с программным обеспечением, разрабо-

танным под i4004, получить

не удалось, и некоторые программы

пришлось переписывать.

Безусловно, необходимость доработки ПО при переводе

систем с ЦП i4004 на новый процессор не вызвала особой радости

у специалистов, но и не разочаровала их настолько, чтобы они от-

вергли новое детище Intel. Преимущества, которые i4040 имел пе-

ред своим предшественником, с лихвой компенсировали отмечен-

ный недостаток.

Кроме того, в то время проблема переносимости

ПО еще не успела стать актуальной: создатели процессора i4040 не

ощущали того давления со стороны потребителей своей продук-

ции, которое они начнут испытывать спустя всего 5 - 7 лет, а по-

тому могли себе позволить такую роскошь, как частичная несо-

вместимость моделей процессоров в рамках одного семейства.

Принимая

во внимание особенности архитектуры и технические

характеристики кристалла, i4040 можно считать первым прибором

второго поколения 4-разрядных систем. Вот только век этого по-

коления оказался чрезвычайно коротким - новым процессором

фирма Intel закрыла линию 4-разрядных устройств.

Следующая высота - 8 разрядов Выпустив на рынок первый

микропроцессор, Intel не стала изменять привычкам лидера и 1 ап-

реля 1972 г. начала

поставки первого в отрасли 8-разрядного при-

бора Intel 8008. Создание этого чипа весьма напоминает историю с

i4004. Как и 4-разрядный микропроцессор, он был разработан для

нужд другой компании, только в этом случае заказчиком выступа-

377

ла американская фирма Computer Terminals Corporation of

Texas, позднее известная как Datapoint. Кристалл проектировали

четыре человека, трое из которых (Хофф, Фэггин и Мэзор) уже

имели опыт создания МП i4004. Четвертым членом команды стал

новый сотрудник компании Хэл Фини (Hal Feeney). Проектирова-

ние i8008 шло практически параллельно с работами над i4004. Ко-

гда же процессор был готов, заказчик от него отказался, мотивируя

это тем, что прибор получился слишком медленным для решения

поставленных перед ним задач, а также требовал для своей работы

большого количества вспомогательных микросхем. Тогда Intel ре-

шила пустить i8008 в свободную продажу и в очередной раз не

ошиблась. Кристалл изготавливался по p-канальной МОП-

технологии с проектными нормами 10 мкм и содержал 3500 тран-

зисторов. Процессор

работал на частоте 500кГц при длительности

машинного цикла 20 мкс (10 периодов задающего генератора).

В отличие от своих предшественников новый МП имел ар-

хитектуру ЭВМ принстонского типа, а в качестве памяти допускал

применение комбинации ПЗУ и ОЗУ. Помимо увеличения разряд-

ности и перехода на использование общего поля памяти для ко-

манд и

данных, структура процессора претерпела еще ряд сущест-

венных изменений. Прежде всего это коснулось регистрового фай-

ла и устройства управления. По сравнению с i4004 число РОНов

уменьшилось вдвое (с 16 до 8), причем два регистра в основном

использовались для хранения адреса при косвенной адресации па-

мяти. В связи с этим следовало бы ожидать снижения производи

тельности, которого на самом деле не произошло, поскольку опе-

рации с памятью i8008 выполнял быстрее предыдущих моделей

благодаря меньшему количеству состояний в машинном цикле и

отсутствию необходимости исполнения минимум трех подготови-

тельных команд (как в i4004 и i4040) при обращении к ОЗУ или

ПЗУ.

Вместе с тем, объем блока регистров был ограничен и

воз-

можностями технологии, которая в то время еще не позволяла

размещать на кристалле большие регистровые структуры (анало-

гично кристаллам i4004 и i4040 в МП i8008 блок РОНов был реа-

лизован в виде динамической памяти, необходимость регенерации

378

которой влечет за собой применение ряда дополнительных ап-

паратурных средств).

Почти вдвое (с восьми до пяти состояний) сократилась дли-

тельность машинного цикла. Теперь процессор выполнял команды

за один - три машинных цикла, а некоторые инструкции - за один

цикл из трех состояний. Для синхронизации работы ЦП с медлен-

ными устройствами был введен сигнал

готовности (READY). Раз-

работчики 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. Такой гибкостью 4-разрядные кристаллы похва-

статься не могли.

Система

команд первого 8-разрядного ЦП насчитывала 65

инструкций, причем значительно увеличилось число команд ус-

ловных переходов, а также логических инструкций и команд сдви-

га. Новый кристалл мог адресовать память объемом до 16 Кбайт

(объем ЗУ для ЦП типа i4040 не превышал 8 Кбайт). Его произво-

дительность по сравнению с 4-разрядными системами возросла в

2,3 раза. Процессор

с такими параметрами уже можно было рас-

сматривать как серьезную заявку на многие очень перспективные

секторы рынка, включая контрольно- испытательное оборудова-

ние, прецизионную измерительную технику и сложные промыш-

ленные контроллеры систем управления технологическими про-

цессами.

Однако i8008 получил от своих предшественников и "тяже-

лое наследство". Объем и организация стека остались такими

же,

как и у чипа i4040, и реализация операций с ним по- прежнему

возлагалась на программиста. Узкий интерфейс с "внешним ми-

ром" ограничил количество управляющих сигналов процессора: в

результате специалистам Intel пришлось использовать их шифра-

цию, что повлекло за собой необходимость установки дополни-

тельного внешнего оборудования для формирования сигналов

управления. В среднем для

сопряжения процессора с памятью и

устройствами ввода/вывода требовалось около 20 схем средней

степени интеграции.

379

Если спортсмены исповедуют древний олимпийский

принцип "Citius, altius, fortius", то разработчикам он ближе в не-

сколько измененном виде: "Citius, citius, citius". Вскоре после вы-

хода чипа Intel 8008 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 опера-

тивной памяти, послужило лучшей рекомендацией для активного

использования кристалла в различных областях, начиная от про-

мышленности и медицины и кончая военной электроникой и тор-

говлей. По мере расширения сферы влияния микропроцессора и

усложнения систем на его базе возросли и требования к нему со

стороны проектировщиков оборудования. Программное обеспече-

ние уже с

трудом вписывалось в 16 Кбайт, да и производитель-

ность прибора начинала "поджимать" многих разработчиков. Кро-

ме того, некоторые области применения настойчиво требовали

расширения не только количества, но и номенклатуры периферий-

ных 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 распро-

странение. Гордон Мур, один из основателей и первый президент

Intel, в те годы писал, что микропроцессоры найдут еще более ши-

рокое применение, если улучшить их рабочие характеристики, ибо

уже выявились

области, где требуются предельно высокие пара-

метры.

Возможности p-канальной МОП-технологии для создания

сложных высокопроизводительных МП были уже практически ис-

черпаны, поэтому направление главного удара перенесли на тех-

нологию n-МОП. Перед проектировщиками стояли не менее слож-

ные проблемы - разработка эффективной системы команд, рассчи-

танной на широкий круг решаемых задач, при сохранении

про-

граммной совместимости с предыдущей моделью, расширение

объема адресуемой памяти, поддержка интенсивного ввода/вывода

без существенной потери производительности процессора, совер-

380

шенствование подсистемы обработки прерываний. i8080 - три-

умф 8-разрядных систем Работа над новым 8-разрядным процес-

сором началась практически сразу после завершения опытно-

конструкторского цикла, связанного с выпуском кристалла i8008,

и некоторое время оба проекта шли практически параллельно.

Костяк команды проектировщиков составили ставшие уже ветера-

нами "микропроцессорного фронта" Мэзор и Фэггин, а также

бывший сотрудник

японской фирмы Busicom Масатоси Шима,

знакомый нам по кристаллу i4004.

Первоначально идея создания i8080 сводилась к повыше-

нию производительности чипа- предшественника только за счет

перехода на новый технологический процесс. К этому времени

Intel располагала технологией n-МОП, которая прошла обкатку на

кристаллах памяти 2102. Стремясь сократить сроки проектирова-

ния, разработчики попытались использовать маски i8008 в произ-

водстве

чипов ОЗУ 2102. Однако, как вспоминает Стэн Мэзор, по-

сле предварительного изучения вопроса стало ясно, что применить

старые маски к новому технологическому процессу не удастся и

их придется разрабатывать заново. Такой поворот событий привел

к идее коренной модернизации схемы процессора и повышению

его производительности примерно на порядок за счет сочетания

преимуществ

новой технологии и усовершенствованной архитек-

туры, включая расширенную систему команд. На проведение всего

комплекса работ потребовалось более года, и 1 апреля 1974 г.

(ровно через два года после выпуска i8008) микропроцессор Intel

8080 был представлен вниманию всех заинтересованных лиц.

Поставки начались по цене 360 дол. за кристалл. Дэйв Хаус

(Dave House), один из ветеранов компании, так комментирует

эту

цифру: "По сути дела, прибор представлял собой настоящий ком-

пьютер, который стоил в то время тысячи долларов. Поэтому мы

чувствовали, что предложили вполне разумную цену". По свиде-

тельству Эда Гелбаха, расходы на исследования и разработки по

программе i8080 окупились в течение первых пяти месяцев про-

даж. Новый ЦП практически по всем

статьям разительно отличал-

ся от своих предшественников. Благодаря использованию техно-

логии n-МОП с проектными нормами 6 мкм, на кристалле удалось

разместить 6 тыс. транзисторов. При этом геометрические размеры