Микропроце́ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы [1] или комплекта из нескольких специализированных микросхем [2] (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели).

Первые микропроцессоры появились в 1970-х годах и применялись в электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичная арифметика 4-битных слов. Вскоре их стали встраивать и в другие устройства, например, терминалы, принтеры и различную автоматику. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией позволили в середине 1970-х годов создать первые бытовые микрокомпьютеры.

Долгое время центральные процессоры создавались из отдельных микросхем большой и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Разместив целый процессор на одном чипе сверхбольшой интеграции, удалось значительно снизить его стоимость. Несмотря на скромное начало, непрерывное увеличение сложности микропроцессоров привело к почти полному устареванию других форм компьютеров. В настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всём, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров.

В космических программах полётов к Луне «Аполлон» в 1960-х и 1970-х годах все бортовые вычисления для первичного наведения, навигации и управления были предоставлены небольшими специализированными процессорами бортового компьютера Аполлон [4] .

С начала 1970-х годов широко известно, что рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов на интегральной микросхеме удваивается каждые 24 месяца. В конце 1990-х главным препятствием для разработки новых микропроцессоров стало тепловыделение (TDP) [5] .

Некоторые авторы относят к микропроцессорам только устройства, реализованные строго на одной микросхеме. Такое определение расходится как с академическими источниками [6] , так и с коммерческой практикой (например, варианты микропроцессоров Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, такие, как Pentium II, были реализованы на нескольких микросхемах).

В настоящее время, в связи с очень незначительным распространением процессоров, не являющихся микропроцессорами, в бытовой лексике термины «микропроцессор» и «процессор» практически равнозначны.

Содержание

Первые микропроцессоры [ править | править код ]

Почти одновременно появились три проекта по созданию микропроцессора: Central Air Data Computer (CADC) в Garrett AiResearch (1968), TMS 1000 в Texas Instruments (1971) и 4004 в Intel (1971).

О том, кто изобрел микропроцессор, знает каждый сотрудник компании Intel. В 1969 году в этой, тогда еще не известную, фирму пришли работать японские разработчики, которые раньше занимались проектированием калькуляторов. Инженеры использовали двенадцать интегральных схем, чтобы создать обычный настольный вычислитель. Главную роль в данном проекте играл Масатоши Шима. В то время Тед Хофсор управлял одним из отделов Intel. Он, как будущий создатель микропроцессора, понял вместо калькулятора с возможностью программирования лучше сделать компьютер, который будет программировать работу калькулятора.

Создание первого процессора в мире началось с разработки его архитектуры. В 1969 году один из сотрудников Интел предложил назвать первую серию микропроцессоров как семейство 4000. Каждая модель семейства имело шестнадцать выходных микросхем. Это помогает понять, какой был первый микропроцессор. Модель 4001 имело память на 2 Кб. В модели 4003 был десятибитовый расширитель со связью для клавиатуры и различными индикаторам. А версия 4004 уже было четырехбитовым процессорным устройством. Многие считают, что и был самый первый микропроцессор. В модели 4004 работало две тысячи триста транзисторов. Устройство работало на частоте 108 кГц.

Сегодня можно встретить разные мнения касательно того, когда был создан первый процессора Однако большинство считает, что 15 ноября 1971 года это дата и год создания первого микропроцессора в мире. Первоначально эту разработку выкупила японская фирма Busicom за шестьдесят тысяч долларов, но Интел позже вернула деньги, чтобы оставаться единственными правообладателями изобретения.

Первый процессор использовали в системах управления дорожными движением, в частности в светофорах. Кроме того, устройство применялось в анализаторах крови. Чуть позже 4004 нашел место в космическом зонде Пионер-10, который запустили в 1972 году.

Первый отечественный микропроцессор был создан в начале семидесятых годах в Специальном Вычислительном Центре под руководством Д.И. Юдицкого.

Таким образом, в 70-е года микропроцессоры стали постепенно проникать в самые разные области деятельности человека. Все процессоры позже разделились на непосредственно микропроцессоры и микроконтроллеры. Первые используются в персональных компьютерах, а микроконтроллеры нашли применение в управлении разными системами. В них более слабое вычислительное ядро, но имеется множество дополнительных узлов. Микроконтроллеры иногда называют микро-ЭВМ, поскольку все узлы и модули у них расположены прямо на кристалле.

Современные решения в сфере автоматизации, роботизации и электропривода невозможно представить без использования микропроцессорных средств и систем. Весомый вклад в развитие полупроводниковой микросхемотехники внесла известная американская компания Intel, основанная в 1968 году. Это было время появления новых технологий, благодаря которым появилась возможность создавать миниатюрные полупроводниковые устройства – микросхемы. Их применение открывало новые перспективы во всех областях техники, в т. ч. и в автоматизации. Начиналась эра цифровой машинной обработки информации. Первый компьютер ENIAC, созданный в 1946 году, весил около 30 т и занимал большое помещение. В 1968 году в мире насчитывалось уже 30 тыс. компьютеров. Это были преимущественно большие универсальные ЭВМ (электронные вычислительные машины) и «мини-компьютеры» размером со шкаф. Неприятной особенностью этих ЭВМ были частые аварийные ситуации из-за перегрева ламп и большого числа разъемов. Поэтому появление интегральной электроники было обусловлено объективными причинами.

Основателями фирмы Intel были талантливые ученые и изобретатели Роберт Нойс, Гордон Мур и Эндрю Гроув. Именно Роберт Нойс в 1959 году изобрел интегральную микросхему. В середине 60 х годов Нойс работал менеджером американской компании Fairchild Semiconductor, известной своими разработками в сфере электронных технологий. Гордон Мур возглавлял научные исследования и конструкторские разработки в Fairchild Semiconductor, был одним из восьми основателей Fairchild. Энди Гроув, уроженец Венгрии, был специалистом по разработке технологических процессов. Он пришел в компанию Fairchild Semiconductor после того, как получил в университете Беркли степень доктора наук в области химических технологий.

В конце 60 х много талантливых инженеров увольнялись из Fairchild Semiconductor и создавали собственные фирмы. Роберт Нойс и Гордон Мур основали Intel и стали ее первыми сотрудниками. Со временем к ним присоединился и Энди Гроув. Стартовый капитал (2,5 млн. долларов) фирме предоставил финансист из Сан-Франциско Артур Рок.

Фирма Intel специализировалась на производстве полупроводниковых запоминающих устройств. Первым серийным устройством была микросхема «3101» 64 разрядной Шоттки-биполярной статической оперативной памяти. Особенное же место, которое заняла Intel в мире электроники, связано с другими устройствами – микропроцессорами. Именно они стали технической базой нынешней компьютерной научно-технической революции.

Толчком к созданию микропроцессора оказался контракт с японской фирмой Busicom, специализировавшейся на выпуске калькуляторов. Busicom заказала Intel разработку двенадцати специализированных микросхем, однако для выполнения такого крупного заказа Intel не имела достаточно человеческих, финансовых и производственных ресурсов. Тогда талантливый инженер Тед Хофф предложил вместо двенадцати специализированных микросхем создать одну универсальную, которая сможет их заменить. Р. Нойс и Г. Мур оценили утонченность предложенного Т. Хоффом решения. Идея удовлетворила и компанию Busicom, которая финансировала работу. Таким образом, Intel начала разработку универсальной микросхемы, которую можно запрограммировать на выполнение тех или иных команд. Впервые отпала необходимость в аппаратной реализации алгоритма работы устройства: все операции по обработке числовых данных теперь велись в соответствии с определенной программой, что обещало экономию средств и времени. Над реализацией задуманного Т. Хоффом работала группа инженеров и конструкторов Intel, которую возглавлял Федерико Феджин. Через 9 месяцев напряженного труда появился первый в мире микропроцессор «4004». Он насчитывал 2300 полупроводниковых транзисторов, но спокойно умещался на ладони. В производительности же новый процессор не уступал компьютеру ENIAC, занимавшему 85 кубических метров и состоявшему из 18000 вакуумных ламп. Тед Хофф разработал архитектуру первого процессора, Стен Мейзор – систему его команд, а Федерико Феджин спроектировал кристалл процессора.

Оценив преимущества использования микропроцессоров, руководство Intel пошло на переговоры с компанией Busicom, вследствие которых Intel приобрела все права на процессор «4004» за 60 тысяч долларов (следует отметить, что вскоре Busicom обанкротилась). После этого началась широкая рекламная компания, целью которой было донести инженерному сообществу большой потенциал программируемых устройств в разных сферах – от управления дорожным движением до автоматизации сложных производственных процессов. Intel проводила семинары для инженеров, публиковала рекламные материалы и справочные пособия по использованию микропроцессоров. В некоторые недели фирма продавала больше справочной документации, чем самих микропроцессоров. Через определенное время они получили очень широкое распространение.

Таким образом, микросхема «4004» стала первым микропроцессором. Приблизительно через полгода о появлении подобных устройств объявили еще несколько фирм. Эти микропроцессоры, исполненные по р-МОП технологии, были четырехразрядными, т. е. за один раз могли обрабатывать только 4 бита информации. Длина программы и набор команд были ограничены, первые процессоры не имели многих функций, обязательных для современных микропроцессоров. В 1972 году фирма Intel выпустила процессор «8008», который унаследовал основные черты «4004». Это был первый 8 разрядный процессор, который сегодня относят к процессорам первого поколения. Он уже имел аккумулятор, шесть регистров общего назначения, указатель стека, восемь регистров адреса и специальные команды для ввода/вывода данных, но и этот процессор не стал широкоупотребительным в коммерческих разработках.

В конце 1973 года фирмой Intel разрабатывается новый 8-разрядный микропроцессор «8080». Его архитектура и система команд оказались настолько удачными, что и сегодня он считается классическим.

Широкое применение микропроцессоров в технике началось именно с появлением чипа «8080», который принадлежал к процессорам третьего поколения, но был не единственным удачным 8 разрядным процессором. Спустя полгода появился микропроцессор «6800» американской фирмы Motorola, который составил жесткую конкуренцию интеловскому процессору. Как и «8080», микропроцессор «6800» был выполнен по n МОП технологии, требовал наличия отдельного тактового генератора, имел трехшинную структуру с 16 разрядной шиной адреса, хорошо развитую архитектуру и систему команд. Его главными преимуществами были более мощная, чем у «8080» система прерываний и одно (а не три, как у «8080») напряжение питания. Принципы внутренней архитектуры «6800» также значительно отличались от «8080» прежде всего отсутствием регистров общего назначения, в которых, в зависимости от поставленных задач, могла сохраняться как адресная информация, так и числовые данные. Вместо них в состав процессора добавился второй равноценный аккумулятор для обработки данных и специализированные 16 разрядные регистры, где хранилась только адресная информация. Данные для обработки выбирались из внешней памяти и туда же возвращались после обработки. Команды работы с памятью были проще и короче, но пересылка байта в память занимала больше времени, чем обмен между внутренними регистрами «8080». Архитектура ни одного из двух упомянутых процессоров не имела существенных преимуществ, и каждый из них стал родоначальником двух больших семейств микропроцессоров – Intel и Motorola, представители которых конкурируют по сей день.

В 1978 году на фирме Intel был изготовлен первый 16 разрядный микропроцессор «8086», использованный компанией International Business Machines (IBM) для создания персональных компьютеров, а 16 разрядный чип «68000» фирмы Motorola был применен в известных компьютерах Atari и Apple. Что касается «домашних» компьютеров, то они широко распространились с появлением модели ZX Spectrum (на базе процессора «Z80») английской фирмы Sinclair Research Ltd, основателем которой был талантливый инженер сэр Клайв Синклер. Идея применить телевизор вместо дорогого монитора и бытовой магнитофон для хранения программ и данных значительно удешевила домашний компьютер и сделала его доступным для среднего покупателя.

Intel 4004 – 4-битный микропроцессор, разработанный корпорацией Intel и выпущенный 15 октября 1971 года.

Эта микросхема считается первым в мире коммерчески доступным однокристальним микропроцессором.

Intel 8080 – 8-битный микропроцессор, выпущенный в 1974 году. Обеспечивал десятикратный прирост вычислительной производительности в сравнении с предыдущим процессором.

Это устройство, благодаря которому инженерное сообщество восприняло идею микропроцессоров. Этот чип спровоцировал бум персональных компьютеров.

Intel 8048 – первый в мире микроконтроллер, был выпущен в конце 70 х годов.

Это устройство получило широкое распространение благодаря использованию его в клавиатурах персональных компьютеров и в игровых приставках

Intel 8051 – микроконтроллер второго поколения, был выпущен в 1980 году.
Благодаря удачной архитектуре и системе команд стал фактически промышленным стандартом. Выпускается до сих пор известными корпорациями Америки, Кореи та Японии. Современный многоядерный процессор

Вычислительная производительность современных микропроцессоров по результатам разных тестов приблизительно в десятки тысяч раз превышает производительность первого процессора.

Через год после создания микропроцессора «8080» несколько инженеров Intel перешли в фирму Zilog и начали работать над созданием нового процессора, опираясь на свои предыдущие разработки. Вследствие этого в 1977 году появился микропроцессор «Z80», который стал лучшим представителем 8-разрядных процессоров. В сравнении с «8080» он требовал только одного напряжения питания, имел более мощную и гибкую систему прерываний, втрое более высокую тактовую частоту, два аккумулятора и двойной набор регистров общего назначения. Система команд «Z80» вмещала все 78 команд микропроцессора «8080» и почти такое же число дополнительных команд, поэтому программы, созданные для «8080», без каких либо изменений переносились на «Z80».

Позднее (середина 70-х) возникла еще одна тенденция в развитии микропроцессоров, имеющая непосредственное отношение к автоматизации и появлению процессоров для встраиваемых решений. Начало ей положил процессор «8085» фирмы Intel. Сначала он задумывался как продолжение чипа «8080», но через некоторое время появился «Z80» и новый микропроцессор «6809» фирмы Motorola. Оба они значительно превосходили «8085» в производительности, что побудило Intel взяться за разработку первого 16- разрядного микропроцессора «8086», но с разработкой периферийных микросхем «8156» и «8755» процессор «8085» получил новые перспективы. Первая микросхема содержала статическое ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) объемом 256 байт, два 8 разрядных, побитно настраиваемых на ввод/вывод порта и программируемый таймер-счетчик. В состав второй входили три многоразрядных порта ввода/вывода и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) емкостью 2 Кбайта с ультрафиолетовым стиранием. Объединив соответствующим образом выводы этих трех микросхем, разработчики электронной аппаратуры получали функционально завершенный модуль – микроконтроллер, который можно встроить в любой прибор: вольтметр, частотомер, в разного рода усилительные устройства или преобразователи. Несколько фирм выпустили экономичные по питанию k МОП версии этого семейства. Это дало возможность создавать микропроцессорные приборы с автономным батарейным питанием. Наконец, в конце 70 х годов Intel «объединила» эти три микросхемы в один чип и создала однокристальную микро ЭВМ (микроконтроллер) «8048», в состав которой вошли ОЗУ и ПЗУ, арифметико-логическое устройство, встроенный тактовый генератор, таймер-счетчик, порты ввода/вывода. Далее были разработаны подобные сорок восьмому микроконтроллеры «8035» и «8748». Система команд однокристальных микроконтроллеров была значительно слабее, чем у процессора «8085», объем ОЗУ и ПЗУ, количество портов ввода/вывода также было меньшим, чем у выше упомянутого трехкорпусного модуля, но все это размещалось в одном чипе, что значительно упрощало разработку и производство новых устройств на базе однокристальных микро ЭВМ. Идея создания универсальных аппаратных средств с программной настройкой на конкретные задачи, которая стала толчком к появлению микропроцессоров, получила наивысшую степень реализации именно в однокристальных микроконтроллерах.

В начале 80 х годов Intel выпустила более мощный микроконтроллер «8051, а вскоре – и его модификации «8031» и «8751». Ядро микро ЭВМ этой серии стало классическим для микроконтроллеров. С точки зрения технологии микроконтроллер «8051» был для своего времени очень сложным устройством MCS 51 – безусловный лидер по числу разновидностей и компаний, выпускающих его модификации. На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров MCS 51, которые выпускаются почти 20 ведущими фирмами-производителями электронных компонентов (Atmel, Infineon Technologies, Philips, Hyundai, Dallas Semiconductor, Temic, TDK, Oki, AMD, MHS, LG, Winbond, Silicon Labs, и др.). Получили свою нишу также и микроконтроллеры оригинальной архитектуры фирм Motorola, Zilog, Analog Devices, Microchip, Scenix, Holtec.

Боб Нойс (Bob Noyce)

Известен своими новаторскими взглядами на пути развития полупроводниковых технологий. Именно Роберт Нойс в 1959 году изобрел интегральную микросхему. В середине 60 х Нойс был менеджером влиятельной фирмы Fairchild Semiconductor. В дальнейшем – один из основателей фирмы Intel.

Гордон Мур (Gordon Moore)

Талантливый и трудолюбивый инженер, пользовавшийся большим авторитетом среди коллег. Один из основателей фирмы Intel.
«Мы – настоящие революционеры. Ведь эти новейшие до-стижения электроники изменяют мир значительно быстрее, чем всякие политические события».

Енді Гроув (Andy Grove)

Энергичный и предприимчивый Эндрю Гроув работал в фирме Fairchild Semiconductor специалистом по разработке технологических процессов. Гроув пришел в Fairchild после того, как получил в университете Беркли ученую степень доктора в области химических технологий. Один из основателей Intel.

Тед Хофф (Ted Hoff)

Тедди Хофф – один из изобретателей микропроцессора. Именно он предложил концепцию универсальной микро-схемы и разработал архитектуру первого процессора.
«Больше всего лично мне импонирует то, что, благодаря микропроцессорам, компьютеры стали массовым доступ-ным продуктом».

Создание микропроцессора признано одним из выдающихся достижений ХХ века. Ежегодно в мире продаются сотни миллионов микропроцессоров и миллиарды микроконтроллеров. По данным журнала «мир компьютерной автоматизации», средний американец на протяжении дня около 300 раз (!) имеет дело с микроконтроллерами, встроенными буквально повсюду – от стиральных машин, лифтов и телефонов до светофоров, автомобилей и промышленных станков.

Журнал «Обзор состояния дел в полупроводниковой промышленности и торговле» («Semiconductor Industry and Business Survey») считает: если бы автомобилестроение и авиационная промышленность развивались такими же темпами, как производство полупроводников на протяжении 30 лет, то автомобиль «Роллс-ройс» стоил бы 2 доллара 75 центов и, используя всего лишь один литр бензина, мог бы проехать почти полторы тысячи километров, а самолет «Боинг 767» стоил бы 500 долларов и мог бы облететь вокруг земного шара за 20 минут, истратив лишь канистру керосина. В 1996 году имена создателей микропроцессора доктора Тедда Хоффа, доктора Федерико Феджина и Стена Мейзора были занесены в Национальный зал славы изобретателей США (г. Эйкрон, Огайо) и встали в ряд с именами Томаса Эдисона, братьев Райт и Александра Белла.

Еще одно направление развития микропроцессорных систем зародилось в 1969 году, что было обусловлено необходимостью замены на промышленных предприятиях сложных, громоздких и ненадежных релейно-контакторных схем автоматического управления. Именно в этом году компания General Motors подготовила тендерный запрос на разработку универсального микропроцессорного устройства для нужд промышленного производства.

Тендер виграла компания Bedford Associates из штата Массачусетс, которую на то время возглавлял Ричард Морли. Они разработали микропроцессорное устройство (контроллер), которое позволяло коммутировать присоединенные к нему сигнальные провода в разных комбинациях. Эти комбинации задавались программой управления, которая составлялась на компьютере, а потом загружалась в память контроллера. Таким образом, с помощью одного микропроцессорного устройства с загруженной в него программой стало возможно реализовать систему управления, для разработки которой ранее приходилось коммутировать десятки или даже сотни разнообразных электромеханических компонентов, таких как реле, таймеры, счетчики, регуляторы и т. п. При этом один и тот же контроллер можно было бы использовать для управления разнообразными машинами и механизмами только лишь изменяя загруженную в него программу. Так в мире появился первый программируемый логический контроллер (ПЛК), который компания Bedford Associates окрестила «Проектом 084».

Компания стала развивать производство промышленных контроллеров и позднее была переименована в «Modicon» (сокращение от «Modular Digital Controller», т. е. модульный цифровой контроллер). В 1977 году бренд “Modicon” был продан компании Gold Electronics, позднее его выкупила известная немецкая фирма “AEG”. В итоге, бренд «Modicon» перешел в собственность французской компании “Schneider Electric”, которая владеет им до сего дня. Следует отметить, что «Schneider Electric» является одним из мировых лидеров в сфере разработки, производства и внедрения технических средств электроснабжения, электропривода и автоматизации.

В тендере по заявке General Motors также принимала участие еще одна фирма, которая и сейчас занимает высокие позиции среди лидеров производителей компонентов для автоматизации. Речь идет про Allen Bradley. Хотя фирма и проиграла тендер, работы в этом направлении выполнялись дальше. Руководство Allen Bradley приобрело контрольные пакеты акций компании Information Instruments и корпорации Bunker-Ramo, которые на то время уже разработали контроллер «PDQ II» (сокращение от «Program Data Quantizer», программный модулятор данных). Эта модель контроллера оказалась слишком громоздкой и сложной в программировании. Однако Allen Bradley проявила настойчивость и в 1970 году на базе «PDQ II» был разработан контроллер «PMC» («Programmable Matrix Controller», или программируемый матричный контроллер). Однако и эта модель не слишком соответствовала требованиям заказчиков для управления технологическими агрегатами. После доработки на свет появилась модель, названная PLC 1 («Programmable Logic Controller», программируемый логический контроллер). Именно это название и аббревиатура PLC утвердились в сфере автоматизации и используются специалистами для обозначения такого класса устройств.

а)	б)

В середине 70 х годов прошлого века рынок программируемых логических контроллеров начал стремительно расти и у Modicon и Allen Bradley появился ряд конкурентов, среди которых следует отметить General Electric, Siemens, Square D, Industrial Solid State Controls, и др.

Значительным шагом к упрощению применения программируемых логических контроллеров стало введение международного стандарта IEC 61131 3, который декларирует языки программирования для ПЛК. Благодаря этому инженер любого профиля (технолог, электрик, химик, и т. п.) может с легкостью создавать программы для управления технологическими установками даже без знания тонкостей программирования. Также обозначенные языки универсальны для ПЛК разных производителей.

В лабораториях (1, 2) микропроцессорных средств и автоматики кафедры электропривода Национального горного университета студенты имеют возможность изучить самые современные средства автоматизации (микроконтроллеры, программируемые логические контроллеры, интеллектуальные реле, панели визуализации, датчики, и др.), отработать навыки их программирования и применения.

Микропроце́ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы [1] или комплекта из нескольких специализированных микросхем [2] (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели).

Первые микропроцессоры появились в 1970-х годах и применялись в электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичная арифметика 4-битных слов. Вскоре их стали встраивать и в другие устройства, например, терминалы, принтеры и различную автоматику. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией позволили в середине 1970-х годов создать первые бытовые микрокомпьютеры.

Долгое время центральные процессоры создавались из отдельных микросхем большой и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Разместив целый процессор на одном чипе сверхбольшой интеграции, удалось значительно снизить его стоимость. Несмотря на скромное начало, непрерывное увеличение сложности микропроцессоров привело к почти полному устареванию других форм компьютеров. В настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всём, от мельчайших встраиваемых систем и мобильных устройств до огромных мейнфреймов и суперкомпьютеров.

В космических программах полётов к Луне «Аполлон» в 1960-х и 1970-х годах все бортовые вычисления для первичного наведения, навигации и управления были предоставлены небольшими специализированными процессорами бортового компьютера Аполлон [4] .

С начала 1970-х годов широко известно, что рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов на интегральной микросхеме удваивается каждые 24 месяца. В конце 1990-х главным препятствием для разработки новых микропроцессоров стало тепловыделение (TDP) [5] .

Некоторые авторы относят к микропроцессорам только устройства, реализованные строго на одной микросхеме. Такое определение расходится как с академическими источниками [6] , так и с коммерческой практикой (например, варианты микропроцессоров Intel и AMD в корпусах типа SECC и подобных, такие, как Pentium II, были реализованы на нескольких микросхемах).

В настоящее время, в связи с очень незначительным распространением процессоров, не являющихся микропроцессорами, в бытовой лексике термины «микропроцессор» и «процессор» практически равнозначны.

Содержание

Первые микропроцессоры [ править | править код ]

Почти одновременно появились три проекта по созданию микропроцессора: Central Air Data Computer (CADC) в Garrett AiResearch (1968), TMS 1000 в Texas Instruments (1971) и 4004 в Intel (1971).

О том, кто изобрел микропроцессор, знает каждый сотрудник компании Intel. В 1969 году в этой, тогда еще не известную, фирму пришли работать японские разработчики, которые раньше занимались проектированием калькуляторов. Инженеры использовали двенадцать интегральных схем, чтобы создать обычный настольный вычислитель. Главную роль в данном проекте играл Масатоши Шима. В то время Тед Хофсор управлял одним из отделов Intel. Он, как будущий создатель микропроцессора, понял вместо калькулятора с возможностью программирования лучше сделать компьютер, который будет программировать работу калькулятора.

Создание первого процессора в мире началось с разработки его архитектуры. В 1969 году один из сотрудников Интел предложил назвать первую серию микропроцессоров как семейство 4000. Каждая модель семейства имело шестнадцать выходных микросхем. Это помогает понять, какой был первый микропроцессор. Модель 4001 имело память на 2 Кб. В модели 4003 был десятибитовый расширитель со связью для клавиатуры и различными индикаторам. А версия 4004 уже было четырехбитовым процессорным устройством. Многие считают, что и был самый первый микропроцессор. В модели 4004 работало две тысячи триста транзисторов. Устройство работало на частоте 108 кГц.

Сегодня можно встретить разные мнения касательно того, когда был создан первый процессора Однако большинство считает, что 15 ноября 1971 года это дата и год создания первого микропроцессора в мире. Первоначально эту разработку выкупила японская фирма Busicom за шестьдесят тысяч долларов, но Интел позже вернула деньги, чтобы оставаться единственными правообладателями изобретения.

Первый процессор использовали в системах управления дорожными движением, в частности в светофорах. Кроме того, устройство применялось в анализаторах крови. Чуть позже 4004 нашел место в космическом зонде Пионер-10, который запустили в 1972 году.

Первый отечественный микропроцессор был создан в начале семидесятых годах в Специальном Вычислительном Центре под руководством Д.И. Юдицкого.

Таким образом, в 70-е года микропроцессоры стали постепенно проникать в самые разные области деятельности человека. Все процессоры позже разделились на непосредственно микропроцессоры и микроконтроллеры. Первые используются в персональных компьютерах, а микроконтроллеры нашли применение в управлении разными системами. В них более слабое вычислительное ядро, но имеется множество дополнительных узлов. Микроконтроллеры иногда называют микро-ЭВМ, поскольку все узлы и модули у них расположены прямо на кристалле.

Современные решения в сфере автоматизации, роботизации и электропривода невозможно представить без использования микропроцессорных средств и систем. Весомый вклад в развитие полупроводниковой микросхемотехники внесла известная американская компания Intel, основанная в 1968 году. Это было время появления новых технологий, благодаря которым появилась возможность создавать миниатюрные полупроводниковые устройства – микросхемы. Их применение открывало новые перспективы во всех областях техники, в т. ч. и в автоматизации. Начиналась эра цифровой машинной обработки информации. Первый компьютер ENIAC, созданный в 1946 году, весил около 30 т и занимал большое помещение. В 1968 году в мире насчитывалось уже 30 тыс. компьютеров. Это были преимущественно большие универсальные ЭВМ (электронные вычислительные машины) и «мини-компьютеры» размером со шкаф. Неприятной особенностью этих ЭВМ были частые аварийные ситуации из-за перегрева ламп и большого числа разъемов. Поэтому появление интегральной электроники было обусловлено объективными причинами.

Основателями фирмы Intel были талантливые ученые и изобретатели Роберт Нойс, Гордон Мур и Эндрю Гроув. Именно Роберт Нойс в 1959 году изобрел интегральную микросхему. В середине 60 х годов Нойс работал менеджером американской компании Fairchild Semiconductor, известной своими разработками в сфере электронных технологий. Гордон Мур возглавлял научные исследования и конструкторские разработки в Fairchild Semiconductor, был одним из восьми основателей Fairchild. Энди Гроув, уроженец Венгрии, был специалистом по разработке технологических процессов. Он пришел в компанию Fairchild Semiconductor после того, как получил в университете Беркли степень доктора наук в области химических технологий.

В конце 60 х много талантливых инженеров увольнялись из Fairchild Semiconductor и создавали собственные фирмы. Роберт Нойс и Гордон Мур основали Intel и стали ее первыми сотрудниками. Со временем к ним присоединился и Энди Гроув. Стартовый капитал (2,5 млн. долларов) фирме предоставил финансист из Сан-Франциско Артур Рок.

Фирма Intel специализировалась на производстве полупроводниковых запоминающих устройств. Первым серийным устройством была микросхема «3101» 64 разрядной Шоттки-биполярной статической оперативной памяти. Особенное же место, которое заняла Intel в мире электроники, связано с другими устройствами – микропроцессорами. Именно они стали технической базой нынешней компьютерной научно-технической революции.

Толчком к созданию микропроцессора оказался контракт с японской фирмой Busicom, специализировавшейся на выпуске калькуляторов. Busicom заказала Intel разработку двенадцати специализированных микросхем, однако для выполнения такого крупного заказа Intel не имела достаточно человеческих, финансовых и производственных ресурсов. Тогда талантливый инженер Тед Хофф предложил вместо двенадцати специализированных микросхем создать одну универсальную, которая сможет их заменить. Р. Нойс и Г. Мур оценили утонченность предложенного Т. Хоффом решения. Идея удовлетворила и компанию Busicom, которая финансировала работу. Таким образом, Intel начала разработку универсальной микросхемы, которую можно запрограммировать на выполнение тех или иных команд. Впервые отпала необходимость в аппаратной реализации алгоритма работы устройства: все операции по обработке числовых данных теперь велись в соответствии с определенной программой, что обещало экономию средств и времени. Над реализацией задуманного Т. Хоффом работала группа инженеров и конструкторов Intel, которую возглавлял Федерико Феджин. Через 9 месяцев напряженного труда появился первый в мире микропроцессор «4004». Он насчитывал 2300 полупроводниковых транзисторов, но спокойно умещался на ладони. В производительности же новый процессор не уступал компьютеру ENIAC, занимавшему 85 кубических метров и состоявшему из 18000 вакуумных ламп. Тед Хофф разработал архитектуру первого процессора, Стен Мейзор – систему его команд, а Федерико Феджин спроектировал кристалл процессора.

Оценив преимущества использования микропроцессоров, руководство Intel пошло на переговоры с компанией Busicom, вследствие которых Intel приобрела все права на процессор «4004» за 60 тысяч долларов (следует отметить, что вскоре Busicom обанкротилась). После этого началась широкая рекламная компания, целью которой было донести инженерному сообществу большой потенциал программируемых устройств в разных сферах – от управления дорожным движением до автоматизации сложных производственных процессов. Intel проводила семинары для инженеров, публиковала рекламные материалы и справочные пособия по использованию микропроцессоров. В некоторые недели фирма продавала больше справочной документации, чем самих микропроцессоров. Через определенное время они получили очень широкое распространение.

Таким образом, микросхема «4004» стала первым микропроцессором. Приблизительно через полгода о появлении подобных устройств объявили еще несколько фирм. Эти микропроцессоры, исполненные по р-МОП технологии, были четырехразрядными, т. е. за один раз могли обрабатывать только 4 бита информации. Длина программы и набор команд были ограничены, первые процессоры не имели многих функций, обязательных для современных микропроцессоров. В 1972 году фирма Intel выпустила процессор «8008», который унаследовал основные черты «4004». Это был первый 8 разрядный процессор, который сегодня относят к процессорам первого поколения. Он уже имел аккумулятор, шесть регистров общего назначения, указатель стека, восемь регистров адреса и специальные команды для ввода/вывода данных, но и этот процессор не стал широкоупотребительным в коммерческих разработках.

В конце 1973 года фирмой Intel разрабатывается новый 8-разрядный микропроцессор «8080». Его архитектура и система команд оказались настолько удачными, что и сегодня он считается классическим.

Широкое применение микропроцессоров в технике началось именно с появлением чипа «8080», который принадлежал к процессорам третьего поколения, но был не единственным удачным 8 разрядным процессором. Спустя полгода появился микропроцессор «6800» американской фирмы Motorola, который составил жесткую конкуренцию интеловскому процессору. Как и «8080», микропроцессор «6800» был выполнен по n МОП технологии, требовал наличия отдельного тактового генератора, имел трехшинную структуру с 16 разрядной шиной адреса, хорошо развитую архитектуру и систему команд. Его главными преимуществами были более мощная, чем у «8080» система прерываний и одно (а не три, как у «8080») напряжение питания. Принципы внутренней архитектуры «6800» также значительно отличались от «8080» прежде всего отсутствием регистров общего назначения, в которых, в зависимости от поставленных задач, могла сохраняться как адресная информация, так и числовые данные. Вместо них в состав процессора добавился второй равноценный аккумулятор для обработки данных и специализированные 16 разрядные регистры, где хранилась только адресная информация. Данные для обработки выбирались из внешней памяти и туда же возвращались после обработки. Команды работы с памятью были проще и короче, но пересылка байта в память занимала больше времени, чем обмен между внутренними регистрами «8080». Архитектура ни одного из двух упомянутых процессоров не имела существенных преимуществ, и каждый из них стал родоначальником двух больших семейств микропроцессоров – Intel и Motorola, представители которых конкурируют по сей день.

В 1978 году на фирме Intel был изготовлен первый 16 разрядный микропроцессор «8086», использованный компанией International Business Machines (IBM) для создания персональных компьютеров, а 16 разрядный чип «68000» фирмы Motorola был применен в известных компьютерах Atari и Apple. Что касается «домашних» компьютеров, то они широко распространились с появлением модели ZX Spectrum (на базе процессора «Z80») английской фирмы Sinclair Research Ltd, основателем которой был талантливый инженер сэр Клайв Синклер. Идея применить телевизор вместо дорогого монитора и бытовой магнитофон для хранения программ и данных значительно удешевила домашний компьютер и сделала его доступным для среднего покупателя.

Intel 4004 – 4-битный микропроцессор, разработанный корпорацией Intel и выпущенный 15 октября 1971 года.

Эта микросхема считается первым в мире коммерчески доступным однокристальним микропроцессором.

Intel 8080 – 8-битный микропроцессор, выпущенный в 1974 году. Обеспечивал десятикратный прирост вычислительной производительности в сравнении с предыдущим процессором.

Это устройство, благодаря которому инженерное сообщество восприняло идею микропроцессоров. Этот чип спровоцировал бум персональных компьютеров.

Intel 8048 – первый в мире микроконтроллер, был выпущен в конце 70 х годов.

Это устройство получило широкое распространение благодаря использованию его в клавиатурах персональных компьютеров и в игровых приставках

Intel 8051 – микроконтроллер второго поколения, был выпущен в 1980 году.
Благодаря удачной архитектуре и системе команд стал фактически промышленным стандартом. Выпускается до сих пор известными корпорациями Америки, Кореи та Японии. Современный многоядерный процессор

Вычислительная производительность современных микропроцессоров по результатам разных тестов приблизительно в десятки тысяч раз превышает производительность первого процессора.

Через год после создания микропроцессора «8080» несколько инженеров Intel перешли в фирму Zilog и начали работать над созданием нового процессора, опираясь на свои предыдущие разработки. Вследствие этого в 1977 году появился микропроцессор «Z80», который стал лучшим представителем 8-разрядных процессоров. В сравнении с «8080» он требовал только одного напряжения питания, имел более мощную и гибкую систему прерываний, втрое более высокую тактовую частоту, два аккумулятора и двойной набор регистров общего назначения. Система команд «Z80» вмещала все 78 команд микропроцессора «8080» и почти такое же число дополнительных команд, поэтому программы, созданные для «8080», без каких либо изменений переносились на «Z80».

Позднее (середина 70-х) возникла еще одна тенденция в развитии микропроцессоров, имеющая непосредственное отношение к автоматизации и появлению процессоров для встраиваемых решений. Начало ей положил процессор «8085» фирмы Intel. Сначала он задумывался как продолжение чипа «8080», но через некоторое время появился «Z80» и новый микропроцессор «6809» фирмы Motorola. Оба они значительно превосходили «8085» в производительности, что побудило Intel взяться за разработку первого 16- разрядного микропроцессора «8086», но с разработкой периферийных микросхем «8156» и «8755» процессор «8085» получил новые перспективы. Первая микросхема содержала статическое ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) объемом 256 байт, два 8 разрядных, побитно настраиваемых на ввод/вывод порта и программируемый таймер-счетчик. В состав второй входили три многоразрядных порта ввода/вывода и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) емкостью 2 Кбайта с ультрафиолетовым стиранием. Объединив соответствующим образом выводы этих трех микросхем, разработчики электронной аппаратуры получали функционально завершенный модуль – микроконтроллер, который можно встроить в любой прибор: вольтметр, частотомер, в разного рода усилительные устройства или преобразователи. Несколько фирм выпустили экономичные по питанию k МОП версии этого семейства. Это дало возможность создавать микропроцессорные приборы с автономным батарейным питанием. Наконец, в конце 70 х годов Intel «объединила» эти три микросхемы в один чип и создала однокристальную микро ЭВМ (микроконтроллер) «8048», в состав которой вошли ОЗУ и ПЗУ, арифметико-логическое устройство, встроенный тактовый генератор, таймер-счетчик, порты ввода/вывода. Далее были разработаны подобные сорок восьмому микроконтроллеры «8035» и «8748». Система команд однокристальных микроконтроллеров была значительно слабее, чем у процессора «8085», объем ОЗУ и ПЗУ, количество портов ввода/вывода также было меньшим, чем у выше упомянутого трехкорпусного модуля, но все это размещалось в одном чипе, что значительно упрощало разработку и производство новых устройств на базе однокристальных микро ЭВМ. Идея создания универсальных аппаратных средств с программной настройкой на конкретные задачи, которая стала толчком к появлению микропроцессоров, получила наивысшую степень реализации именно в однокристальных микроконтроллерах.

В начале 80 х годов Intel выпустила более мощный микроконтроллер «8051, а вскоре – и его модификации «8031» и «8751». Ядро микро ЭВМ этой серии стало классическим для микроконтроллеров. С точки зрения технологии микроконтроллер «8051» был для своего времени очень сложным устройством MCS 51 – безусловный лидер по числу разновидностей и компаний, выпускающих его модификации. На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров MCS 51, которые выпускаются почти 20 ведущими фирмами-производителями электронных компонентов (Atmel, Infineon Technologies, Philips, Hyundai, Dallas Semiconductor, Temic, TDK, Oki, AMD, MHS, LG, Winbond, Silicon Labs, и др.). Получили свою нишу также и микроконтроллеры оригинальной архитектуры фирм Motorola, Zilog, Analog Devices, Microchip, Scenix, Holtec.

Боб Нойс (Bob Noyce)

Известен своими новаторскими взглядами на пути развития полупроводниковых технологий. Именно Роберт Нойс в 1959 году изобрел интегральную микросхему. В середине 60 х Нойс был менеджером влиятельной фирмы Fairchild Semiconductor. В дальнейшем – один из основателей фирмы Intel.

Гордон Мур (Gordon Moore)

Талантливый и трудолюбивый инженер, пользовавшийся большим авторитетом среди коллег. Один из основателей фирмы Intel.
«Мы – настоящие революционеры. Ведь эти новейшие до-стижения электроники изменяют мир значительно быстрее, чем всякие политические события».

Енді Гроув (Andy Grove)

Энергичный и предприимчивый Эндрю Гроув работал в фирме Fairchild Semiconductor специалистом по разработке технологических процессов. Гроув пришел в Fairchild после того, как получил в университете Беркли ученую степень доктора в области химических технологий. Один из основателей Intel.

Тед Хофф (Ted Hoff)

Тедди Хофф – один из изобретателей микропроцессора. Именно он предложил концепцию универсальной микро-схемы и разработал архитектуру первого процессора.
«Больше всего лично мне импонирует то, что, благодаря микропроцессорам, компьютеры стали массовым доступ-ным продуктом».

Создание микропроцессора признано одним из выдающихся достижений ХХ века. Ежегодно в мире продаются сотни миллионов микропроцессоров и миллиарды микроконтроллеров. По данным журнала «мир компьютерной автоматизации», средний американец на протяжении дня около 300 раз (!) имеет дело с микроконтроллерами, встроенными буквально повсюду – от стиральных машин, лифтов и телефонов до светофоров, автомобилей и промышленных станков.

Журнал «Обзор состояния дел в полупроводниковой промышленности и торговле» («Semiconductor Industry and Business Survey») считает: если бы автомобилестроение и авиационная промышленность развивались такими же темпами, как производство полупроводников на протяжении 30 лет, то автомобиль «Роллс-ройс» стоил бы 2 доллара 75 центов и, используя всего лишь один литр бензина, мог бы проехать почти полторы тысячи километров, а самолет «Боинг 767» стоил бы 500 долларов и мог бы облететь вокруг земного шара за 20 минут, истратив лишь канистру керосина. В 1996 году имена создателей микропроцессора доктора Тедда Хоффа, доктора Федерико Феджина и Стена Мейзора были занесены в Национальный зал славы изобретателей США (г. Эйкрон, Огайо) и встали в ряд с именами Томаса Эдисона, братьев Райт и Александра Белла.

Еще одно направление развития микропроцессорных систем зародилось в 1969 году, что было обусловлено необходимостью замены на промышленных предприятиях сложных, громоздких и ненадежных релейно-контакторных схем автоматического управления. Именно в этом году компания General Motors подготовила тендерный запрос на разработку универсального микропроцессорного устройства для нужд промышленного производства.

Тендер виграла компания Bedford Associates из штата Массачусетс, которую на то время возглавлял Ричард Морли. Они разработали микропроцессорное устройство (контроллер), которое позволяло коммутировать присоединенные к нему сигнальные провода в разных комбинациях. Эти комбинации задавались программой управления, которая составлялась на компьютере, а потом загружалась в память контроллера. Таким образом, с помощью одного микропроцессорного устройства с загруженной в него программой стало возможно реализовать систему управления, для разработки которой ранее приходилось коммутировать десятки или даже сотни разнообразных электромеханических компонентов, таких как реле, таймеры, счетчики, регуляторы и т. п. При этом один и тот же контроллер можно было бы использовать для управления разнообразными машинами и механизмами только лишь изменяя загруженную в него программу. Так в мире появился первый программируемый логический контроллер (ПЛК), который компания Bedford Associates окрестила «Проектом 084».

Компания стала развивать производство промышленных контроллеров и позднее была переименована в «Modicon» (сокращение от «Modular Digital Controller», т. е. модульный цифровой контроллер). В 1977 году бренд “Modicon” был продан компании Gold Electronics, позднее его выкупила известная немецкая фирма “AEG”. В итоге, бренд «Modicon» перешел в собственность французской компании “Schneider Electric”, которая владеет им до сего дня. Следует отметить, что «Schneider Electric» является одним из мировых лидеров в сфере разработки, производства и внедрения технических средств электроснабжения, электропривода и автоматизации.

В тендере по заявке General Motors также принимала участие еще одна фирма, которая и сейчас занимает высокие позиции среди лидеров производителей компонентов для автоматизации. Речь идет про Allen Bradley. Хотя фирма и проиграла тендер, работы в этом направлении выполнялись дальше. Руководство Allen Bradley приобрело контрольные пакеты акций компании Information Instruments и корпорации Bunker-Ramo, которые на то время уже разработали контроллер «PDQ II» (сокращение от «Program Data Quantizer», программный модулятор данных). Эта модель контроллера оказалась слишком громоздкой и сложной в программировании. Однако Allen Bradley проявила настойчивость и в 1970 году на базе «PDQ II» был разработан контроллер «PMC» («Programmable Matrix Controller», или программируемый матричный контроллер). Однако и эта модель не слишком соответствовала требованиям заказчиков для управления технологическими агрегатами. После доработки на свет появилась модель, названная PLC 1 («Programmable Logic Controller», программируемый логический контроллер). Именно это название и аббревиатура PLC утвердились в сфере автоматизации и используются специалистами для обозначения такого класса устройств.

а)	б)

В середине 70 х годов прошлого века рынок программируемых логических контроллеров начал стремительно расти и у Modicon и Allen Bradley появился ряд конкурентов, среди которых следует отметить General Electric, Siemens, Square D, Industrial Solid State Controls, и др.

Значительным шагом к упрощению применения программируемых логических контроллеров стало введение международного стандарта IEC 61131 3, который декларирует языки программирования для ПЛК. Благодаря этому инженер любого профиля (технолог, электрик, химик, и т. п.) может с легкостью создавать программы для управления технологическими установками даже без знания тонкостей программирования. Также обозначенные языки универсальны для ПЛК разных производителей.

В лабораториях (1, 2) микропроцессорных средств и автоматики кафедры электропривода Национального горного университета студенты имеют возможность изучить самые современные средства автоматизации (микроконтроллеры, программируемые логические контроллеры, интеллектуальные реле, панели визуализации, датчики, и др.), отработать навыки их программирования и применения.