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  • 大多数工程师的诞生故事:力压8008成为第一款8位微处理器

    晶体管于 1947 年被发明为电子放大器和开关,是从袖珍收音机到仓库级超级计算机等一切事物的核心。它的早期版本被称为“双极晶体管”,至今仍在使用。到 1960 年代可编程控制器第4版答案,工程师们已经找到了将多个双极晶体管组合成单个集成电路的方法。然而,由于这些晶体管的结构复杂,一个集成电路只能包含少量的双极晶体管。结果,基于双极集成电路的微型计算机虽然比早期的计算机小得多,但仍需要多个主板和数百个芯片。1960年,出现了一种新型晶体管——金属氧化物半导体(MOS)晶体管。起初,这项技术并没有显示出很大的希望。但到了 1964 年,基于MOS晶体管的集成电路比双极集成电路具有更高的密度和更低的生产成本。正如摩尔定律所述,集成电路变得越来越复杂,但今天 MOS 技术处于领先地位。

    在 1960 年代后期,单个 MOS 集成电路包含 100 个或更多逻辑门,每个逻辑门包含多个晶体管,因此这项技术对于制造计算机特别有吸引力。这些芯片及其许多组件被称为大规模集成电路(LSI)。工程师们意识到,随着 MOS 晶体管变得越来越密集,最终将实现基于单芯片的计算机处理器。但由于 MOS 晶体管比双极晶体管慢,因此 MOS 芯片计算机仅在性能要求较低或设备需要小巧轻便(如数据终端、计算器或航空电子设备)时工作。因此,正是这些计算应用领域开始了微处理器革命。今天,大多数工程师心中的印象是,这场革命始于英特尔’ s 1971 年的 4 位 4004 芯片,不久之后是 Intel 的 8 位 8008 芯片。事实上,微处理器诞生的故事要精彩得多。特别是,一些刚刚发布的文件描述了一种被遗忘已久的芯片——德州仪器的 TMX1795——它击败了英特尔的 8008 成为第一个 8 位微处理器,但在很大程度上仍然未知。

    ■■■MOS 集成电路在计算中的应用打开了第一台微处理器的大门。第一台使用 MOS-LSI 芯片制造的计算机是 1967 年由 Autonetics(总部位于加利福尼亚州阿纳海姆,是北美航空公司的一个部门)生产的 D200。这款 24 位紧凑型通用计算机最初设计用于航空和导航。它的中央处理器由24个MOS芯片组成,得益于四相逻辑设计技术,利用4个相位分离的时钟信号(每个信号有不同的开关方式或相位)来驱动晶体管的状态变化,从而电路大大简化了。该计算机仅重几公斤,用于引导波塞冬潜射弹道导弹和管理 B-1 轰炸机的燃料。有些人甚至考虑在航天飞机上使用它。很快,D200 之后是另一台航空电子计算机——中央空气数据计算机,由 Garrett Eresage(现为霍尼韦尔的一部分)制造,包含 3 个 CPU 和 28 个芯片。该计算机是为 F-14 战斗机设计的飞行控制系统,使用 Garrett Eresage 在 1968 年至 1970 年间开发的 MP944MOS-LSI 芯片组。 20 位计算机处理从传感器获得的信息,以生成用于仪表和飞机控制的输出数据. F-14 计算机的架构不同。它有 3 个并行功能单元:一个用于乘法,一个用于除法,一个用于特殊逻辑功能(包括在最高值和最低值之间选择一个值)。该计算机是为 F-14 战斗机设计的飞行控制系统,使用 Garrett Eresage 在 1968 年至 1970 年间开发的 MP944MOS-LSI 芯片组。 20 位计算机处理从传感器获得的信息,以生成用于仪表和飞机控制的输出数据. F-14 计算机的架构不同。它有 3 个并行功能单元:一个用于乘法,一个用于除法,一个用于特殊逻辑功能(包括在最高值和最低值之间选择一个值)。该计算机是为 F-14 战斗机设计的飞行控制系统,使用 Garrett Eresage 在 1968 年至 1970 年间开发的 MP944MOS-LSI 芯片组。 20 位计算机处理从传感器获得的信息,以生成用于仪表和飞机控制的输出数据. F-14 计算机的架构不同。它有 3 个并行功能单元:一个用于乘法,一个用于除法,一个用于特殊逻辑功能(包括在最高值和最低值之间选择一个值)。

    每个功能单元由许多不同的 MOS 芯片组成,例如只读存储器 (ROM) 芯片(其中包含决定该单元如何工作的数据)、数据控制芯片、各种算术芯片和用于临时存储随机存取存储器 (RAM) 芯片。由于 F-14 计算机属于机密,几乎没有人知道 MP944 芯片组。但 Autonetics 广泛宣传其 D200,后来又推出了另一款更紧凑的 MOS 计算机 System IV。该计算机的发明者是 Lee Boysel,他于 1968 年离开 Fairchild 共同创立了四相系统(以 Autonetics 的四相逻辑命名)。24 位 SystemIV 计算机的 CPU 仅由 9 个 MOS 芯片组成:3 个算术逻辑单元 (ALU) 芯片,名为 AL1(用于加减法等运算,以及 AND、OR 和 NOT 等逻辑运算),3个ROM芯片,3个随机逻辑芯片。大约在同一时间,马萨诸塞州的一家初创公司 Viatron Computer Systems 也加入了这场游戏。公司成立于 1967 年 11 月,仅仅一年后,就推出了 System21,这是一款配备各种辅助设备的 16 位微机,全部由定制的 MOS 芯片构成。我们要感谢 Viatron 的某个人创造了“微处理器”一词。

    该公司在 1968 年 10 月推出产品 2101 时首次使用该名称。但这款微处理器不是芯片。在 Viatron 的字典中,这个词是指智能终端的一部分,它配备了键盘和磁带驱动器,并连接到单独的微型计算机上。Viatron 的“微处理器”控制终端,由 3 个不同主板上的 18 个定制 MOS 芯片组成。与此同时,在 1960 年代后期,日本计算器制造商 BusinessComputer Corp.(也称为 Busicom)与英特尔签署了一项协议,为多芯片计算器定制芯片。最终产品被简化为单芯片 CPU,现在称为 Intel 4004,带有用于存储和输入/输出 (I/O) 的辅助芯片。这种 4 位 4004 芯片(意味着它只能处理 4 位宽的数据)通常被认为是第一个微处理器。1971年初,这款带有4004芯片的计算器开始销售。当时,它有很多竞争对手。一家名为 Mostek 的半导体公司制造了第一款芯片计算器 MK6010。PicoElectronics 和 General Instruments 也在开发他们的芯片计算器 G250。不到半年时间,德州仪器的TMS1802芯片计算器也推出了,成为德州仪器大获成功的0100产线的第一颗芯片。

    虽然这些电路可以很好地用作计算器,但它们不能做任何其他事情,而且 4004 能够执行存储在外部 ROM 上的指令。因此 4004 可用于通用计算机。那时,正是电子计算器业务飞速发展的时代。经历金融危机后,必吉康放弃了4004芯片的专有权。1971 年 11 月,英特尔开始将 4004 及其配套芯片作为适用于通用计算应用的独立产品进行营销。但仅仅几个月后,4004就被其他更强大的微处理器抢走了它的荣耀,因此几乎没有找到商业应用,包括只有几台弹球机、一个文字处理器和一个投票系统。. ■●■在这个意义上,是电子计算器驱动了第一个微处理器,即英特尔的 4 位 4004 芯片。很快就成功的 8 位微处理器有一个非常不同的起源。故事始于 1969 年计算机终端公司(CTC,德克萨斯州圣安东尼奥市)Datapoint2200“可编程终端”的开发。

    Datapoint2200 不仅仅是一个终端,而是一台真正的通用计算机。它的 8 位处理器最初由大约 100 个双极芯片组成。它的设计者一直在寻找使处理器消耗更少功率同时产生更少热量的方法。1970年初,CTC安排英特尔打造单颗MOS芯片来代替Datapoint的处理器板,但目前尚不清楚使用单颗芯片的想法是来自英特尔还是CTC。1970年6月,英特尔在Datapoint2200架构的基础上制定了芯片的功能参数,随后将该项目搁置了6个月。这个设计后来变成了 Intel 8008。所以你认为第一个真正有用的单芯片通用微处理器是受计算器启发的 4004,还是受终端启发的 8008,是 Intel 创造了它们,对吧?其实并不是。你看,在 1970 年,当英特尔开始开发 8008 时,它还是一家拥有大约 100 名员工的初创公司。在得知英特尔的处理器项目后可编程控制器第4版答案,德州仪器(一家拥有 4.50,000 名员工的大公司)询问 CTC 是否也可以为 Datapoint2200 制造处理器。CTC把相关的电脑参数交给了德州仪器的工程师,让他们走了。但当 TI 返回三芯片设计时,CTC 直接询问 TI 是否可以像英特尔那样在单芯片上进行设​​计。然后,大约在 1970 年 4 月,德州仪器开始为 CTC 开发单芯片 CPU。000 名员工——询问 CTC 是否也可以为 Datapoint2200 制造处理器。CTC把相关的电脑参数交给了德州仪器的工程师,让他们走了。但当 TI 返回三芯片设计时,CTC 直接询问 TI 是否可以像英特尔那样在单芯片上进行设​​计。然后,大约在 1970 年 4 月,德州仪器开始为 CTC 开发单芯片 CPU。000 名员工——询问 CTC 是否也可以为 Datapoint2200 制造处理器。CTC把相关的电脑参数交给了德州仪器的工程师,让他们走了。但当 TI 返回三芯片设计时,CTC 直接询问 TI 是否可以像英特尔那样在单芯片上进行设​​计。然后,大约在 1970 年 4 月,德州仪器开始为 CTC 开发单芯片 CPU。

    现代控制理论第2版答案张嗣瀛_plc编程及应用第3版课后答案_可编程控制器第4版答案

    次年,设计完成,被称为 TMX1795(X 表示“实验”),后来在宣布芯片原型状态的时候演变成 TMC 1795。1971 年 6 月,德州仪器 (TI) 发起了 TMC1795 媒体宣传活动,描述了这种“单芯片中央处理器”如何使新的 Datapoint 2200 成为“原始机器无法比拟的强大计算机”。尽管如此,TMC1795 还是未能进入 Datapoint 2200:CTC 在测试 TMC 1795 后拒绝了该芯片,选择继续使用双极芯片板作为处理器。英特尔芯片也直到 1971 年底才完成。许多技术史学家认为,当时 TMC 1795 已流产。但在 TMC 1795 被 CTC 拒绝后,德州仪器试图将芯片(经过一些小的改进后成为 TMC1795A)出售给更多公司。1971 年,福特汽车公司表示对该芯片作为发动机控制器的兴趣,布恩写道:“我觉得我们已经进入了一个迫切需要我们的‘单芯片 CPU’的大众市场。”然而,这些努力也落空了,德州仪器停止了 TMC1795 的营销,转而专注于更有利可图的计算器芯片。然而,虽然德州仪器错失良机,但第一款 8 位微处理器的王冠仍应放在其头上。我们已经进入了一个迫切需要我们的“单芯片 CPU”的大众市场。“然而,这些努力也落空了,德州仪器停止了 TMC1795 的营销,转而专注于更有利可图的计算器芯片。然而,虽然德州仪器错过了机会,但第一款 8 位微处理器的王冠仍应归于其头。我们已经进入了一个迫切需要我们的“单芯片 CPU”的大众市场。“然而,这些努力也落空了,德州仪器停止了 TMC1795 的营销,转而专注于更有利可图的计算器芯片。然而,虽然德州仪器错过了机会,但第一款 8 位微处理器的王冠仍应归于其头。

    1971 年底,英特尔仍在研发 8008,但 CTC 对单芯片 CPU 失去了兴趣,放弃了设计的专有权。英特尔继续将 8008 商业化,于 1972 年 4 月将其推向市场,最终生产了数十万台 8008。两年后,从8008衍生出英特尔8080微处理器,对8086产生了巨大影响,打开了英特尔目前x86芯片生产线的大门。因此,如果您现在正坐在一台配备 x86 处理器的计算机前,那么您使用的计算机的设计可以追溯到 1969 年的 Datapoint 2200 可编程终端。

    ■●■正如这段历史告诉我们的那样,微处理器的发展并不是一条直线。许多是机会和各种业务决策的结果,并且很可能偏离轨道。以 CTC 为 Datapoint 2200 设计的 8 位处理器架构为例,它有 4 种不同的实现方式。CTC 两次使用双极芯片板,第一次串行通信数据,第二次并行通信,从而提高了速度。德州仪器和英特尔都满足CTC使用单芯片的要求,指令集几乎相同,但两款芯片在封装、控制信号、指令时序、内部电路等方面完全不同。英特尔使用比德州仪器更先进的技术,最著名的是由多晶硅制成的自对准栅极,这既提高了晶体管的速度和输出,同时也允许晶体管排列得更紧密。结果,即使是 4004 和 8008 加起来也比 TMC1795 小。事实上,英特尔工程师也认为 TI 的芯片对于实际应用来说太大了,但事实并非如此:后来很快推出的 TI 的 TMS 0100 计算器芯片甚至比 TMC1795 还要大,但也取得了巨大的成功。

    那么,谁是第一个发明微处理器的人呢?一个答案是微处理器不是一项发明,而是我们都知道迟早会出现的东西。等待技术和市场结合。我觉得这个观点最有说服力。另一种观点认为,“微处理器”基本上是英特尔、德州仪器等芯片公司按需使用的营销术语,指代他们的新产品。Boone 虽然是 TMC1795 的开发者,但后来归功于英特尔将微处理器变成了实用产品。在一封未注明日期的信中(显然是针对谁首先发明了微处理器的法律讨论),他写道:“在……他们在设计、软件和营销方面的创新使这个行业成为可能,或者至少加速了它。” 这也要看你怎么定义这句话是谁创造了第一个微处理器。有些人认为微处理器只是芯片上的 CPU;有些人认为芯片上只需要一个算术逻辑单元就足够了;微处理器。在我看来,微处理器的主要特点是它是一个单芯片上的CPU(包括ALU、控制功能和程序计数器等寄存器),并且是可编程的。然而,微处理器并不是一台完整的计算机:内存、I/O 和其他支持功能需要额外的芯片。根据这个定义,大多数人认为 Intel 4004 是第一个微处理器,因为它将中央处理单元的所有组件都放在一个芯片上。Boone 和 Federico Faggin(英特尔 4004 团队成员)都同意 4004 比最早的 TMX 1795 样品早一两个月出现。后者是第一个 8 位微处理器,而英特尔的 8008 是第一个商业上成功的 8 位微处理器。

    但是如果你对“微处理器”的定义比较宽松,很多系统可以被认为是第一个微处理器。那些认为在芯片上具有算术逻辑单元是微处理器的人认为,Bothell 于 1968 年制造了第一个微处理器,不久之后离开 Fairchild 共同创立了四相系统。也有人认为四相系统的AL1是第一,因为它将寄存器和ALU结合在一个芯片上,而控制电路在外部。如果您认为一个微处理器可以包含多个 LSI 芯片,那么 Autonetics D200 也可以称为第一款微处理器。专利提供了另一个判断微处理器发明的视角。德州仪器快速实现专利盈利,获得 TMX1795 和 TMS 0100 的多项专利,并在诉讼和许可协议中利用它们。根据这些专利,德州仪器可以被认为是微处理器和微控制器(结合了 CPU、内存和各种支持功能的单芯片)的发明者。也许不会。因为在 1990 年,Gilbert Hyatt 为他在 1969 年用多个双极芯片板制造的 16 位串行计算机申请了单芯片处理器的专利。这导致一些人相信海特是微处理器的发明者,直到 1996 年德州仪器在一场复杂的法律诉讼后以一项专利击败海特。另一个被认为是微处理器发明者的人是博塞尔。1995 年,在一场法律战中(后来被戈登·贝尔称为“Texas Instruments vs. Everyone”),Bothell 使用 1969 年的单个 AL1ALU 芯片在法庭上展示了一台工作计算机,以对抗德州仪器的单芯片处理器专利进行反击。他的行为有效地打击了 TI,但我认为他的演讲并不是特别有说服力,因为他使用了一些技术技巧赢得了官司。无论我们认为哪个是第一个微处理器,我们都必须接受会有竞争者争夺这个头衔。遗憾的是,大多数人试图在这场比赛中只认出一个获胜者,而许多优秀的亚军产品现在几乎被遗忘了。但对于我们这些对微计算早期历史感兴趣的人来说,这段丰富的历史将继续存在。并不认为他的陈述特别有说服力,因为他使用了一些技术技巧赢得了官司。无论我们认为哪个是第一个微处理器,我们都必须接受会有竞争者争夺这个头衔。遗憾的是,大多数人试图在这场比赛中只认出一个获胜者,而许多优秀的亚军产品现在几乎被遗忘了。但对于我们这些对微计算早期历史感兴趣的人来说,这段丰富的历史将继续存在。并不认为他的陈述特别有说服力,因为他使用了一些技术技巧赢得了官司。无论我们认为哪个是第一个微处理器,我们都必须接受会有竞争者争夺这个头衔。遗憾的是,大多数人试图在这场比赛中只认出一个获胜者,而许多优秀的亚军产品现在几乎被遗忘了。但对于我们这些对微计算早期历史感兴趣的人来说,这段丰富的历史将继续存在。

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