4-битные вычисления

4-битные вычисления — это использование компьютерных архитектур, в которых целые числа и другие единицы данных имеют ширину 4 бита . Архитектуры 4-битного центрального процессора (ЦП) и арифметико-логического устройства (АЛУ) основаны на регистрах или шинах данных такого размера. Группа из четырех битов также называется полубайтом и имеет 2 ⁴ = 16 возможных значений в диапазоне от 0 до 15.

4-битные процессоры широко использовались в электронных калькуляторах и других устройствах, где использовалась десятичная математика, таких как электронные кассовые аппараты , таймеры для микроволновых печей и т. д. Это связано с тем, что 4-битное значение содержит одну цифру в двоично-десятичном формате (BCD), что делает его естественным размером для непосредственной обработки десятичных значений. Поскольку 4-битное значение обычно слишком мало для хранения адреса памяти для реальных программ или данных, адресная шина этих систем обычно была больше. Например, канонический 4-битный микропроцессор Intel 4004 имел 12-битный формат адреса.

4-битные конструкции использовались только в течение короткого периода, когда интегральные схемы все еще были дорогими, и в основном использовались в чувствительных к стоимости целях. Хотя 4-битные вычисления в основном устарели, 4-битные значения по-прежнему используются в тех же десятичных функциях, для которых они были разработаны, а современные реализации, как правило, намного шире и обрабатывают несколько 4-битных значений параллельно. Примером такой системы является конструкция HP Saturn 1980-х годов. К 1990-м годам большинство таких применений были заменены двоичными конструкциями общего назначения.

История

4-битный процессор может показаться ограниченным, но он хорошо подходит для калькуляторов, где каждая десятичная цифра умещается в четыре бита. ^{[ 1 ]}

Некоторые из первых микропроцессоров имели 4-битную длину слова и были разработаны примерно в 1970 году. Первым коммерческим микропроцессором был двоично-десятичный (на основе BCD) Intel 4004 , ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} разработан для приложений калькуляторов в 1971 году; у него была длина слова 4 бита, но были 8-битные инструкции и 12-битные адреса. На смену ему пришел Intel 4040 , в котором была добавлена поддержка прерываний и множество других новых функций.

Первым коммерческим однокристальным компьютером стал 4-битный компании Texas Instruments TMS 1000 (1974 г.). ^{[ 1 ]} Он содержал 4-битный ЦП с гарвардской архитектурой и 8-битными инструкциями, встроенное ПЗУ инструкций и встроенное ОЗУ данных с 4-битными словами. ^{[ 4 ]}

Rockwell PPS-4 был еще одним ранним 4-битным процессором, представленным в 1972 году, который долгое время использовался в портативных играх и аналогичных целях. Он постоянно совершенствовался, и к 1975 году его объединили с несколькими вспомогательными микросхемами, чтобы создать одночиповый компьютер. ^{[ 5 ]}

4-битные процессоры были запрограммированы на языке ассемблера или Forth , например «Семейство MARC4 4-битных процессоров Forth». ^{[ 6 ]} (который сейчас снят с производства) из-за крайнего ограничения размера программ и того, что распространенные языки программирования (для микроконтроллеров , 8-битные и более), такие как язык программирования C , не поддерживают 4-битные типы данных (C и C++). и другие языки требуют, чтобы размер char тип данных должен быть не менее 8 бит, ^{[ 7 ]} и что все типы данных, кроме битовых полей, имеют размер, кратный размеру символа. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}).

В 1970-е годы появились 4-битные программные приложения для массового рынка, такие как карманные калькуляторы. использовались 4-битные микропроцессоры, В 1980-х годах в портативных электронных играх чтобы снизить затраты.

В 1970-х и 1980-х годах ряд исследовательских и коммерческих компьютеров использовали битовую нарезку (АЛУ) ЦП , при которой арифметико-логическое устройство было построено из нескольких секций шириной 4 бита, каждая секция включала в себя микросхему, такую как Am2901 или 74181 .

Zilog Z80 хоть и является 8-битным микропроцессором, но имеет 4-битное АЛУ. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Хотя Data General Nova представляет собой серию 16-битных миникомпьютеров, оригинальные Nova и Nova 1200 обрабатывали номера по 4 бита за раз с помощью 4-битного АЛУ. ^{[ 13 ]} иногда называемый «ниббл-сериалом». ^{[ 14 ]}

Процессоры HP Saturn , используемые во многих калькуляторах Hewlett-Packard в период с 1984 по 2003 год (включая серию научных калькуляторов HP 48 ), представляют собой «4-битные» (или гибридные 64-/4-битные) машины; как и Intel 4004, они объединяют несколько 4-битных слов вместе, например, для формирования 20-битного адреса памяти, а большинство регистров имеют ширину 64 бита и хранят 16 4-битных цифр. ^{[ 15 ]}^{[ 16 ]}^{[ 17 ]}

Кроме того, некоторые ранние калькуляторы, такие как Casio AL-1000 1967 года , Sinclair Executive 1972 года и вышеупомянутый HP Saturn 1984 года , имели 4-битные пути передачи данных , которые обращались к своим регистрам по 4 бита (одна цифра BCD) за раз. ^{[ 18 ]}

Использование

В одном велосипедном компьютере указано, что он использует «4-битный одночиповый микрокомпьютер». ^{[ 19 ]} Другие типичные области применения включают кофеварки , инфракрасные пульты дистанционного управления , ^{[ 20 ]} и охранная сигнализация . ^{[ 21 ]}

Процессор пишущих машинок Барби, способный шифровать, представляет собой 4-битный микроконтроллер. ^{[ 22 ]}

Подробности

С помощью 4 битов можно создать 16 различных значений. Все однозначные шестнадцатеричные числа можно записать четырьмя битами.

Двоично-десятичное число — это метод цифрового кодирования чисел с использованием десятичной записи, при котором каждая десятичная цифра представлена четырьмя битами.

Список 4-битных процессоров

Intel 4004 (первый 4-битный микропроцессор 1971 года, хотя Four-Phase Systems AL1 1969 года старше, снят с производства в 1981 году)
Intel 4040 (снято с производства в 1981 г.)
TMS 1000 (первый крупносерийный коммерческий микроконтроллер 1974 года, после Intel 4004; сейчас снят с производства)
Atmel MARC4 Ядро ^{[ 23 ]}^{[ 24 ]} (снято с производства из-за низкого спроса. «Дата последней отправки: 7 марта 2015 г.» ^{[ 25 ]})
4-битные микроконтроллеры Samsung S3C7 (серия KS57) (ОЗУ: от 512 до 5264 полубайтов, тактовая частота 6 МГц)
Toshiba TLCS-47 Серия
HP Сатурн
НЭК μPD75X
НЭК μCOM-4
NEC (теперь Renesas ) µPD612xA (снято с производства), µPD613x, µPD6x ^{[ 20 ]}^{[ 26 ]} и μPD1724x ^{[ 27 ]} Микроконтроллеры-передатчики инфракрасного дистанционного управления ^{[ 28 ]}^{[ 29 ]}
EM Microelectronic-Marin EM6600, Семейство ^{[ 30 ]} ЕМ6580, ^{[ 31 ]}^{[ 32 ]} ЕМ6682, ^{[ 33 ]} и т. д.
Epson S1C63 Семейство
National Semiconductor «COPS I» и «COPS II» (« COP400 »). Семейства 4-битных микроконтроллеров ^{[ 34 ]}
Национальная полупроводниковая компания MAPS MM570X
Острый SM590/SM591/SM595 ^{[ 35 ]}^: 26–34
Острый SM550/SM551/SM552 ^{[ 35 ]}^: 36–48
Острый SM578/SM579 ^{[ 35 ]}^: 49–64
Острый SM5E4 ^{[ 35 ]}^: 65–74
Острый LU5E4POP ^{[ 35 ]}^: 75–82
Острый SM5J5/SM5J6 ^{[ 35 ]}^: 83–99
Острый SM530 ^{[ 35 ]}^{: 100–109}
Острый SM531 ^{[ 35 ]}^{: 110–118}
Острый SM500 ^{[ 35 ]}^{: 119–127} (ПЗУ 1197×8 бит, ОЗУ 40×4 бит, делитель и схема драйвера 56-сегментного ЖК-дисплея)
Острый SM5K1 ^{[ 35 ]}^{: 128–140}
Острый SM4A ^{[ 35 ]}^{: 141–148}
Острый SM510 ^{[ 35 ]}^{: 149–158} (ПЗУ 2772×8 бит, ОЗУ 128×4 бит, делитель и схема драйвера 132-сегментного ЖК-дисплея)
Острый SM511/SM512 ^{[ 35 ]}^{: 159–171} (ПЗУ 4032×8 бит, ОЗУ 128/142×4 бит, делитель и схема драйвера ЖК-дисплея на 136/200 сегментов)
Острый SM563 ^{[ 35 ]}^{: 172–186}

См. также

ГМК-4
ЖК-контроллер Hitachi HD44780
Шина/интерфейс Intel LPC (с малым количеством контактов) для 4-битной связи
- Intel Его преемник для современных компьютеров, усовершенствованный последовательный периферийный интерфейс (eSPI), обеспечивает 1-битную, 2-битную и 4-битную связь.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Кен Ширрифф. «Реверс-инжиниринг оперативной памяти в ранних микросхемах калькуляторов Texas Instruments» .
^ Мак, Памела Э. (30 ноября 2005 г.). «Микрокомпьютерная революция» . Проверено 23 декабря 2009 г.
^ «История в учебной программе по информатике» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 19 июля 2011 г. Проверено 22 июня 2017 г.
^ Руководство по данным серии TMS 1000 (PDF) . Техасские инструменты . Декабрь 1976 года . Проверено 20 июля 2013 г.
^ «Роквелл ППС-4» .
^ «Форт Чипсы» . www.ultratechnology.com .
^ Спецификация ISO/IEC 9899:1999 . п. 20, § 5.2.4.2.1 . Проверено 24 июля 2023 г.
^ Спецификация ISO/IEC 9899:1999 . п. 37, § 6.2.6.1 (4) . Проверено 24 июля 2023 г.
^ Клайн, Маршалл. «Часто задаваемые вопросы по C++: правила относительно байтов, символов и символов» .
^ «4-битное целое число» . cplusplus.com . Проверено 21 ноября 2014 г.
^ Сима, Масатоши; Фаггин, Федерико; Унгерманн, Ральф; Слейтер, Майкл (27 апреля 2007 г.). «Группа устной истории Zilog, посвященная основанию компании и разработке микропроцессора Z80» (PDF) .
^ Ширрифф, Кен. «У Z-80 4-битное АЛУ» .
^ Хендри, Гарднер (22 ноября 2002 г.). «Устная история Эдсона (Эд) Д. де Кастро» (PDF) (интервью). п. 44.
^ "Нова 1200"
^ «Процессор Сатурна» . Проверено 23 декабря 2015 г.
^ «Руководство по процессору Сатурна» . Проверено 14 января 2014 г.
^ «Введение в язык ассемблера Saturn» . Проверено 14 января 2014 г.
^ "Настольные электронные калькуляторы: Casio AL-1000"
^ «Руководство Cateye Commuter» (PDF) . Проверено 11 февраля 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б «μPD67, 67A, 68, 68A, 69 4-битный однокристальный микроконтроллер для передачи инфракрасного дистанционного управления» (PDF) . document.renesas.com . Архивировано из оригинала (PDF) 6 января 2016 г.
^ Хаскелл, Ричард. «Введение в цифровую логику и микропроцессоры (лекция 12.2)» . Архивировано из оригинала 22 февраля 2014 г. Проверено 11 февраля 2014 г.
^ Пол Реуверс и Марк Саймонс. Крипто-музей. «Пишущая машинка Барби», 2015 г.
^ «4-битные микроконтроллеры MARC4 – Руководство программиста» (PDF) . Атмел . Архивировано из оригинала (PDF) 15 декабря 2014 г. Проверено 14 января 2014 г.
^ «4-битная архитектура MARC4» . Атмел . Архивировано из оригинала 31 мая 2009 г.
^ «Уведомление об окончании срока службы продукта (EOL)» (PDF) . Атмел . 07.03.2014. Архивировано из оригинала (PDF) 7 августа 2016 г.
^ «4-битный однокристальный микроконтроллер μPD6P9 для передачи инфракрасного дистанционного управления» (PDF) . document.renesas.com . Архивировано из оригинала (PDF) 27 марта 2016 г.
^ «μPD17240, 17241, 17242, 17243, 17244, 17245, 17246 4-битные однокристальные микроконтроллеры для небольших инфракрасных передатчиков дистанционного управления общего назначения» (PDF) . document.renesas.com . Архивировано из оригинала (PDF) 27 марта 2016 г.
^ «Микроконтроллеры для пультов дистанционного управления» (PDF) . document.renesas.com . Архивировано из оригинала (PDF) 19 декабря 2013 г.
^ «Продукты с масками ROM/ROMless, 4/8-битное дистанционное управление» . Архивировано из оригинала 28 октября 2008 г.
^ Кравотта, Роберт. «Встроенный каталог обработки» .
^ «ЕМ6580» . Архивировано из оригинала 19 декабря 2013 г. Проверено 12 мая 2013 г.
^ «ЕМ6580» .
^ «ЕМ6682» .
^ Калвер, Джон (27 сентября 2014 г.). «National Semiconductor: КС перед КС» . www.cpushack.com . Проверено 28 мая 2020 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н Справочник по микрокомпьютерам Sharp (PDF) . Сентябрь 1990 года . Проверено 5 января 2018 г.

Внешние ссылки

Сатурн ЦП
«Продукция: Высокопроизводительные 4-битные микроконтроллеры (семейство S1C63)» . Эпсон . Архивировано из оригинала 29 июля 2013 г.
Рекомендации по 4-битной обработке

[Shirriff_TMS1000-1] Jump up to: ^а ^б Кен Ширрифф. «Реверс-инжиниринг оперативной памяти в ранних микросхемах калькуляторов Texas Instruments» .

[Mack_2005-2] Мак, Памела Э. (30 ноября 2005 г.). «Микрокомпьютерная революция» . Проверено 23 декабря 2009 г.

[Hofstra_History-3] «История в учебной программе по информатике» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 19 июля 2011 г. Проверено 22 июня 2017 г.

[TI_1976_TMS1000-4] Руководство по данным серии TMS 1000 (PDF) . Техасские инструменты . Декабрь 1976 года . Проверено 20 июля 2013 г.

[5] «Роквелл ППС-4» .

[UT_Forth-6] «Форт Чипсы» . www.ultratechnology.com .

[ISOIEC9899_1999_1-7] Спецификация ISO/IEC 9899:1999 . п. 20, § 5.2.4.2.1 . Проверено 24 июля 2023 г.

[ISOIEC9899_1999_2-8] Спецификация ISO/IEC 9899:1999 . п. 37, § 6.2.6.1 (4) . Проверено 24 июля 2023 г.

[Cline-9] Клайн, Маршалл. «Часто задаваемые вопросы по C++: правила относительно байтов, символов и символов» .

[CPP-10] «4-битное целое число» . cplusplus.com . Проверено 21 ноября 2014 г.

[Shima_Z80-11] Сима, Масатоши; Фаггин, Федерико; Унгерманн, Ральф; Слейтер, Майкл (27 апреля 2007 г.). «Группа устной истории Zilog, посвященная основанию компании и разработке микропроцессора Z80» (PDF) .

[Shirriff_Z80-12] Ширрифф, Кен. «У Z-80 4-битное АЛУ» .

[13] Хендри, Гарднер (22 ноября 2002 г.). «Устная история Эдсона (Эд) Д. де Кастро» (PDF) (интервью). п. 44.

[14] "Нова 1200"

[HPM_Saturn-15] «Процессор Сатурна» . Проверено 23 декабря 2015 г.

[Grack_Saturn-16] «Руководство по процессору Сатурна» . Проверено 14 января 2014 г.

[HPCalc_Saturn-17] «Введение в язык ассемблера Saturn» . Проверено 14 января 2014 г.

[18] "Настольные электронные калькуляторы: Casio AL-1000"

[Cateye-19] «Руководство Cateye Commuter» (PDF) . Проверено 11 февраля 2014 г.

[RenesasPD67-20] Jump up to: ^а ^б «μPD67, 67A, 68, 68A, 69 4-битный однокристальный микроконтроллер для передачи инфракрасного дистанционного управления» (PDF) . document.renesas.com . Архивировано из оригинала (PDF) 6 января 2016 г.

[Haskell_MC-21] Хаскелл, Ричард. «Введение в цифровую логику и микропроцессоры (лекция 12.2)» . Архивировано из оригинала 22 февраля 2014 г. Проверено 11 февраля 2014 г.

[22] Пол Реуверс и Марк Саймонс. Крипто-музей. «Пишущая машинка Барби», 2015 г.

[Atmel_MARC4_Image-23] «4-битные микроконтроллеры MARC4 – Руководство программиста» (PDF) . Атмел . Архивировано из оригинала (PDF) 15 декабря 2014 г. Проверено 14 января 2014 г.

[Atmel_MARC4_Product-24] «4-битная архитектура MARC4» . Атмел . Архивировано из оригинала 31 мая 2009 г.

[Atmel_EOL-25] «Уведомление об окончании срока службы продукта (EOL)» (PDF) . Атмел . 07.03.2014. Архивировано из оригинала (PDF) 7 августа 2016 г.

[Renesas_uPD6P9-26] «4-битный однокристальный микроконтроллер μPD6P9 для передачи инфракрасного дистанционного управления» (PDF) . document.renesas.com . Архивировано из оригинала (PDF) 27 марта 2016 г.

[Renesas_uPD17240-27] «μPD17240, 17241, 17242, 17243, 17244, 17245, 17246 4-битные однокристальные микроконтроллеры для небольших инфракрасных передатчиков дистанционного управления общего назначения» (PDF) . document.renesas.com . Архивировано из оригинала (PDF) 27 марта 2016 г.

[Renesas_Remote-28] «Микроконтроллеры для пультов дистанционного управления» (PDF) . document.renesas.com . Архивировано из оригинала (PDF) 19 декабря 2013 г.

[Necel_ROMless-29] «Продукты с масками ROM/ROMless, 4/8-битное дистанционное управление» . Архивировано из оригинала 28 октября 2008 г.

[Cravotta-30] Кравотта, Роберт. «Встроенный каталог обработки» .

[EM6580_1-31] «ЕМ6580» . Архивировано из оригинала 19 декабря 2013 г. Проверено 12 мая 2013 г.

[EM6580_2-32] «ЕМ6580» .

[EM6682-33] «ЕМ6682» .

[34] Калвер, Джон (27 сентября 2014 г.). «National Semiconductor: КС перед КС» . www.cpushack.com . Проверено 28 мая 2020 г.

[Sharp_1990-35] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н Справочник по микрокомпьютерам Sharp (PDF) . Сентябрь 1990 года . Проверено 5 января 2018 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]

[ 27 ]

[ 28 ]

[ 29 ]

[ 30 ]

[ 31 ]

[ 32 ]

[ 33 ]

[ 34 ]

[ 35 ]