Открыть главное меню

4004

(перенаправлено с «Intel 4004»)

Intel 4004 — 4-битный микропроцессор, разработанный корпорацией Intel и выпущенный 15 ноября 1971 года. Эта микросхема считается первым в мире коммерчески доступным однокристальным микропроцессором[1].

Intel 4004
Центральный процессор
Intel C4004.jpg
Микропроцессор Intel 4004 в керамическом корпусе с серыми полосами
Производство с 15 ноября 1971 по 1981
Производитель
Частота ЦП 500—740 кГц
Технология производства 10 мкм
Наборы инструкций 46 инструкций
Разъём

ИсторияПравить

В 1969 году небольшая японская компания Nippon Calculating Machine, Ltd. (впоследствии Busicom Corp.), занимавшаяся производством калькуляторов, заказала у Intel 12 микросхем (логический дизайн системы был разработан сотрудником Busicom — Масатоси Сима (嶋正利)), которые должны были использоваться в новом настольном калькуляторе. Такие микросхемы всегда характеризовались узкоспециализированными функциями и предназначались для выполнения строго определённой работы, поэтому для каждого нового применения приходилось заново разрабатывать весь набор микросхем. Такой подход сотрудникам Intel показался невыгодным. 32-летний Маршиан Эдвард (Тед) Хофф предлагает руководству Intel и Busicom уменьшить число микросхем, используя центральный процессор, который должен будет выполнять арифметические и логические функции, один вместо нескольких микросхем. Идея была принята «на ура» руководством обеих фирм. В течение осени 1969 года Тэд Хофф с помощью Стэнли Мэйзора предложил новую архитектуру микросхем, число которых было сокращено до 4, включая центральный процессор: 4-разрядный центральный процессор (ЦПУ), ПЗУ для хранения ПО и ОЗУ для хранения данных пользователя. Развитие микропроцессора началось только в апреле 1970 года, когда Федерико Фаджин (Federico Faggin), физик из Италии, начал работать в Intel главным проектировщиком семейства MCS-4. Фаджину, благодаря глубокому знанию технологии МОП с кремниевым затвором, разработанной им в Fairchild в 1968 году, и большому опыту, полученному в 1961 году в итальянской фирме Olivetti в области логического проектирования компьютеров, удалось свести микропроцессор CPU в один-единственный чип. В 1968 году, когда Федерико работал в фирме Fairchild, он также реализовал первую в мире коммерческую микросхему, которая использовала технологию кремниевых затворов: Fairchild 3708.

В фирме Intel Фаджин разработал новый, до тех пор не существовавший метод проектирования схем произвольной логики и внёс свой вклад во многие нововведения по разработке процессов и микросхем, весьма важные для реализации микропроцессора в одном чипе. Масатоси Сима, который работал инженером по программному обеспечению в фирме Busicom и не имел никакого опыта в конструировании устройств МОП, помог Фаджину в разработке MCS-4, а позже стал работать с ним в фирме Zilog, созданной в конце 1974 года Фаджином и Ральфом Унгерманном и полностью посвящённой микропроцессорам. Фаджин и Сима вместе разработали микропроцессор Zilog Z80, который производится до сих пор.

Почему 4004?

Дело всё в том, что каждой категории продукции было присвоено своё число. Первыми изделиями Intel стали микросхемы памяти (PMOS-чипы), которым была присвоена нумерация 1xxx. В серии 2xxx разрабатывались микросхемы NMOS. Биполярные микросхемы были отнесены к серии 3xxx. 4-разрядные микропроцессоры получили обозначение 4xxx. Микросхемы CMOS получили обозначение 5xxx, память на магнитных доменах — 7xxx, восьми- и более разрядные микропроцессоры и микроконтроллеры принадлежали к серии 8xxx. Серии 6xxx и 9xxx не использовались.

Вторая цифра обозначала тип продукции: 0 — процессоры, 1— микросхемы RAM, 2 — контроллеры, 3 — микросхемы ROM, 4 — сдвиговые регистры, 5 — микросхемы EPLD, 6 — микросхемы PROM, 7 — микросхемы EPROM, 8 — чипы наблюдения и схемы синхронизации в генераторах импульсов, 9 — чипы для телекоммуникаций.

Третья и четвёртая цифры соответствовали порядковому номеру изделия, а так как для работы первого процессора требовалось ещё три специализированные микросхемы (микросхемы ROM, RAM и расширитель ввода-вывода), которые выпущены раньше чем 4004, то микропроцессор получил имя 4004.

15 ноября 1971 года выходит микросхема 4004 — первый микропроцессор, который при стоимости 200 долларов реализовывал на одном кристалле функции процессора большой ЭВМ. Первый в мире микропроцессор был анонсирован в ноябре 1971 года в журнале Electronic News[en]. В 2006 году корпорация Intel отметила 35-летний юбилей одного из самых значительных достижений в истории технологий. Микропроцессор 4004 выпускался в 16-контактном корпусе типа DIP, размеры кристалла были 12 мм² (3×4 мм). Процессор мог выполнять 60 000 (в среднем; максимально — до 93 000) инструкций в секунду (для сравнения, один из первых полностью электронных компьютеров — американский ЭНИАК — выполнял только 5000 (максимально) инструкций в секунду с разрядностью 20 бит, занимал 280 м², весил 27 тонн и потреблял 174 кВт энергии). Фирма Intel предугадала решающее значение микропроцессоров в миниатюризации компьютеров и поэтому выкупила у фирмы Busicom авторские права на микропроцессор 4004 и его усовершенствованные версии за 60 000 долларов[2].

Впрочем, в 1971 году процессор так и не стал хитом продаж. Стратегия фирмы Intel была направлена на то, что сбыт 4004 расширяет рынок намного более популярных микросхем памяти 1101/1103. Заслуженной популярностью стал пользоваться только микропроцессор 8080, электронный «правнук» 4004.

Распространена легенда, что данный процессор использовался в бортовой аппаратуре межпланетного зонда Пионер-10. Однако, в действительности компьютеры Пионера-10 имели другую разрядность (18 и 16 бит)[3].

Специализированные микросхемы серии 4xxxПравить

Изначально чип 4004 поставлялся с тремя специализированными микросхемами: ROM, RAM и расширителем ввода-вывода. И хотя у этих микросхем была своя система обозначений (серии 1xxx, 2xxx и 3xxx), они получили второе наименование в категории 4xxx, которое стало обозначаться рядом с их обычной нумерацией:

  • 4001 — 256-байтовое масочное ПЗУ (256 8-битовых программных инструкций), и один встроенный 4-битный порт ввода-вывода.
  • 4002 — 40-байтовое ОЗУ (80 4-битных ячеек), и один встроенный 4-битный выходной порт; RAM в чипе организована в 4 «регистра» из двадцати 4-битных ячеек:
    • 16 ячеек данных (в оригинальном калькуляторе использовались для цифр мантиссы)
    • 4 ячейки состояния (в оригинальном калькуляторе использовались для цифр экспоненты и знаков)
  • 4003 — 10-битный расширитель ввода-вывода (англ.) (сдвиговый регистр, преобразующий последовательный код в параллельный)

Вместе с выпуском 4040 появились новые микросхемы, также совместимые с 4004:

  • 4308 — 1024-байтовое масочное ПЗУ (1024 8-битовых программных инструкций), и четыре встроенных 4-битных порта ввода-вывода. Полная замена для четырех схем 4001.
  • 4008, 4009 — комплект для подключения стандартных чипов памяти (ПЗУ, ППЗУ, ОЗУ) и портов ввода-вывода. Позволяет подключить до 16 разных устройств памяти в формате 8 бит адреса, 8 бит данных. Для записи в ОЗУ используется ранее недокументированная команда WPM (Write Program Memory). Также поддерживается до 16 четырехбитных портов ввода и до 16 четырехбитных портов вывода. Intel рекомендует совместно использовать чипы: 4316 (2048 байт масочное ПЗУ), 4702А (256 байт ППЗУ/EPROM), 4101 (256 байт статичекое ОЗУ).
  • 4289 — схема для подключения стандартных чипов памяти и портов ввода-вывода. Более поздняя замена 4008/4009 в одном корпусе.
  • 4207, 4209, 4211 — порты GPIO (4 порта по 4 бит). Схемы имеют адрес 3 в области программ, поэтому не могут использоваться совместно с 4008/4009/4289, а схемы 4001/4308 не должны занимать адрес 3. Можно использовать одновременно до восьми схем, используя для выбора линии CM-RAM.
    • 4207 — 8 бит синхронного вывода данных, 4 выходных бита управления, 4 входных бита управления.
    • 4209 — 8 бит синхронного ввода данных, 4 выходных бита управления, 4 входных бита управления.
    • 4211 — 8 бит синхронного вывода данных, 8 бит синхронного ввода данных.
  • 4265 — 4 универсальных четырехбитных порта ввода/вывода. Программно поддерживаются 14 режимов. Полностью замещает один из банков ОЗУ 4002.
  • 4269 — программируемый контроллер клавиатуры и дисплея. Производит циклическое сканирование двух клавиатурных матриц 8*8 (128 клавиш) и циклический вывод 2*16*4 бит данных для управления дисплеем. Полностью замещает один из банков ОЗУ 4002.
  • 4201 — тактовый генератор, схема формирования сигналов RESET и STOP/ACK (не используется в 4004).

Замечание: микросхемы ПЗУ 4001/4308 не могли использоваться в системе совместно с контроллером стандартной памяти 4008/4009/4289. Они использовались в разных конфигурациях систем — мини и макси.

Семейство 400x также именовали как MCS-4 (Micro Computer Set 4-bit).

Также фирма Intel продавала Intellec-4 (большие синие коробки) — систему разработки и тестирования программ для 4004. Фактически это была одна из первых микро-ЭВМ, собранная на основе серии 4xxx (чипы 4004, 4201, четыре чипа 4001 и два 4002). Лишь высокая цена (5 тыс. дол.) не позволяла считать её персональным компьютером.

КоллекционированиеПравить

Intel 4004 является одной из самых популярных микросхем в плане коллекционирования[4]. Наиболее высоко ценятся бело-золотые микросхемы Intel 4004 с видимыми серыми следами на белой части (оригинальный тип корпуса)[4]. Так, в 2004 году такая микросхема на интернет-аукционе eBay оценивалась примерно в 400 долларов[4]. Немного менее ценными являются микросхемы без серых следов на корпусе, обычно их стоимость составляет порядка 200—300 долларов[4].

Технические характеристикиПравить

  • Дата анонса: 15 ноября 1971 года
  • Количество транзисторов: 2300
  • Площадь кристалла: 12 мм²
  • Техпроцесс: 10 мкм (P-channel silicon pie MOS technology)
  • Тактовая частота: 740 кГц опорная (или 92,6 кГц тактовая, время выполнения одной инструкции 8 тактов)
  • Разрядность регистров: 4 бит
  • Количество регистров: 16 (16 четырёхбитных могут быть использованы как 8 восьмибитных)
  • Количество портов: 16 четырёхбитных ввода/вывода (в области программ) и 32 четырёхбитных вывода (в области данных)
  • Внутренняя шина: 4 бита
  • Внешняя шина: мультиплексированная для адреса, данных, управления — 4 бита (плюс 5 линий CM выбора банка памяти)
  • Гарвардская архитектура
  • Стек: внутренний 3-уровневый
  • Память команд (ПЗУ/ROM, а также ОЗУ/RAM при использовании 4008/4009/4289): 4 килобайта (32768 бит)
  • Память данных (чип 4002 ОЗУ/RAM): 640 байт (5120 бит) без дешифратора адреса, или 1280 байт (10240 бит) с дешифратором адреса.
  • Организация адресного пространства: неоднородная, разделена для разных команд
    • область программ: 1 банк, 12 бит адреса, 8 бит данных
    • область регистров данных: 8 банков (3 бит), 8 бит адреса, 4 бит данных
    • область регистров состояний: 8 банков (3 бит), 4 бит адреса, 4 бит данных
    • область ввода-вывода (в банке программ): 1 банк, 4 бит адреса, 4 бит данных
    • область вывода (в банках данных): 8 банков (3 бит), 4 бит адреса, 4 бит данных
  • Количество инструкций: 46 (из которых 41 — 8-разрядные и 5 — 16-разрядные)
  • Цикл инструкций: 10,8 микросекунд
  • Напряжение питания: −15 В (pMOS)
  • Рабочая температура: от 0 до +70 °C
  • Условия хранения и эксплуатации: от −40 до +85 °C
  • Разъём: DIP16 (микросхема непосредственно впаивалась в печатную плату либо устанавливалась в специальный слот)
  • Корпус: 16-контактный DIP (1 вид пластиковый или 3 вида керамического, например C4004 (белая керамика с серыми полосками), С4004 (белая керамика), D4004 (черно-серая керамика), P4004 (чёрный пластик))
  • Тип поставки: отдельно и в комплектах MCS-4 (ROM, RAM, I/O, CPU)
 
Блок-схема процессора
 
Назначение выводов

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. В 1970 году, более чем за год до выхода чипа i4004, был изготовлен военный микропроцессор, входивший в состав CADC[en] (Central Air Data Computer) — бортового комплекса управления истребителя F-14; однако, он не являлся однокристальным. Подробнее см. The F-14A “Tom Cat” Microprocessor (англ.). Дата обращения 6 января 2014. Архивировано 6 января 2014 года.
  2. Юбилей персонального компьютера. Дата обращения 20 августа 2014.
  3. Voyager FAQ Архивировано 21 июля 2011 года. (англ.)
  4. 1 2 3 4 42 года назад корпорация Intel выпустила первый чип. Дата обращения 20 августа 2014.

СсылкиПравить