Интел 4004

«4004» перенаправляется сюда. Информацию о 4004 г. до н. э. как предполагаемом начале мира см. в хронологии Ашера . О 4004 г. до н. э. в других контекстах см. 5 тысячелетие до н. э .

Интел 4004

Процессор Intel C4004 с серыми следами
Общая информация
Запущен	15 ноября 1971 г ( 15 ноября 1971 г. )
Снято с производства	1981
Продается через	Интел
Разработано	Интел
Общий производитель	Интел
Производительность
Макс. процессора Тактовая частота	от 740 кГц до 750 кГц
Ширина данных	4 бита
Ширина адреса	12 бит (мультиплексированный)
Архитектура и классификация
Приложение	Калькулятор Busicom, арифметические манипуляции
Технологический узел	10 мкм
Набор инструкций	4-битный BCD -ориентированный
Физические характеристики
Транзисторы	2,300
Упаковка	16-контактный двойной рядный корпус
Розетка	ДИП16
История
Преемник	Интел 4040
Статус поддержки
Не поддерживается

Intel 4004 — это 4-битный центральный процессор (ЦП), выпущенный корпорацией Intel в 1971 году. Продается за 60 долларов США (что эквивалентно 450 долларам США в 2023 году). ), это был первый микропроцессор , выпускавшийся серийно , и первый в длинной линейке процессоров Intel .

4004 стал первым значительным примером крупномасштабной интеграции , демонстрирующим превосходство технологии кремниевых МОП-затворов (SGT). По сравнению с существующей технологией, SGT, интегрированный в ту же область кристалла, содержал в два раза больше транзисторов и в пять раз большую рабочую скорость. Такое ступенчатое повышение производительности позволило создать однокристальный процессор, заменивший существующие многочиповые процессоры. Инновационная конструкция микросхемы 4004 послужила моделью использования SGT для сложных логических схем и схем памяти, тем самым ускорив внедрение SGT в мировой полупроводниковой промышленности. Разработчиком оригинального SGT в Fairchild был Федерико Фаггин , который разработал первую коммерческую интегральную схему (ИС), в которой использовалась новая технология, доказав ее превосходство для аналоговых/цифровых приложений ( Fairchild 3708 в 1968 году). Позже он использовал SGT в Intel, чтобы добиться беспрецедентной интеграции, необходимой для создания 4004.

История проекта началась в 1969 году, когда корпорация Busicom обратилась к Intel с просьбой разработать семейство из семи микросхем для электронного калькулятора , три из которых представляли собой центральный процессор, специализированный для создания различных вычислительных машин. ЦП был основан на данных, хранящихся в сдвиговых регистрах, и инструкциях, хранящихся в ПЗУ (постоянная память). Сложность конструкции логики трехкристального ЦП побудила Марсиана Хоффа предложить более традиционную архитектуру ЦП, основанную на данных, хранящихся в оперативной памяти (оперативной памяти). Эта архитектура была намного проще и более универсальной и потенциально могла быть интегрирована в один чип, что позволило снизить стоимость и повысить скорость. Проектирование началось в апреле 1970 года под руководством Фаггина при содействии Масатоши Сима , который внес свой вклад в архитектуру, а затем и в логический дизайн. Первая поставка полностью работоспособного 4004 состоялась в марте 1971 года компании Busicom для ее инженерного прототипа печатающего калькулятора 141-PF (сейчас выставленного в Музее истории компьютеров в Маунтин-Вью, Калифорния). Общие продажи начались в июле 1971 года.

Ряд инноваций, разработанных Фаггином во время работы в Fairchild Semiconductor, позволили производить 4004 на одном кристалле. Основной концепцией было использование самовыравнивающегося затвора , изготовленного из поликремния, а не из металла, что позволяло компонентам располагаться гораздо ближе друг к другу и работать на более высокой скорости. Чтобы сделать 4004 возможным, Фаггин также разработал «начальную нагрузку», которую считали невозможной для кремниевых затворов, и «скрытый контакт», который позволял подключать кремниевые затворы непосредственно к истоку и стоку транзисторов без использования металла. В совокупности эти инновации удвоили плотность схемы и, таким образом, вдвое снизили стоимость, позволив одному чипу содержать 2300 транзисторов и работать в пять раз быстрее, чем конструкции, использующие предыдущую технологию МОП с алюминиевыми затворами.

Конструкция 4004 была позже улучшена Фаггином как Intel 4040 в 1974 году. Соглашение об именах продолжилось в Intel 8008 и 8080 , которые являются 8-битными конструкциями.

История

Оригинальная концепция

В апреле 1969 года компания Busicom обратилась к Intel с просьбой разработать новую конструкцию электронного калькулятора . В основе своей конструкции они взяли архитектуру Olivetti Programma 101 1965 года , одного из первых в мире настольных программируемых калькуляторов . Ключевое отличие заключалось в том, что в конструкции Busicom использовались интегральные схемы вместо печатных плат, заполненных отдельными компонентами, и твердотельные сдвиговые регистры для памяти вместо дорогостоящего магнитострикционного провода в 101.

В отличие от более ранних конструкций калькуляторов, компания Busicom разработала концепцию процессора общего назначения с целью внедрить ее в бюджетный настольный печатающий калькулятор, а затем использовать ту же конструкцию для других целей, таких как кассовые аппараты и банкоматы . Компания уже выпустила калькулятор с использованием TTL логических микросхем малой интеграции и была заинтересована в том, чтобы Intel сократила количество микросхем, используя методы Intel средней интеграции (MSI).

Intel назначила недавно нанятого Марсиана Хоффа , сотрудника номер 12, связующим звеном между двумя компаниями. В конце июня три инженера из Busicom, Масатоши Сима и его коллеги Масуда и Такаяма, отправились в Intel, чтобы представить проект. Хотя ему поручили только поддерживать связь с инженерами, Хофф начал изучать концепцию. В их первоначальном предложении было семь микросхем: программное управление, арифметический блок (АЛУ), синхронизация, ПЗУ программы, сдвиговые регистры для временной памяти, контроллер принтера и управление вводом/выводом .

Хофф был обеспокоен тем, что количество чипов и необходимые соединения между ними сделают невозможным достижение ценовых целей Busicom. Объединение чипов уменьшит сложность и стоимость. Он также был обеспокоен тем, что у еще маленькой компании Intel не будет достаточного количества разработчиков для одновременного производства семи отдельных чипов. Он выразил эти опасения высшему руководству, и Боб Нойс , генеральный директор, сказал Хоффу, что поддержит другой подход, если он покажется возможным.

Упрощенная конструкция

Ключевой концепцией конструкции Busicom было то, что программное управление и АЛУ не были нацелены конкретно на рынок калькуляторов, а именно программа в ПЗУ превратила его в калькулятор. Первоначальная идея заключалась в том, что компания могла бы использовать одни и те же микросхемы с разным объемом ОЗУ со сдвиговым регистром и ПЗУ программ для производства различных вычислительных машин. Busicom Хофф был поражен тем, насколько близко архитектура набора команд соответствовала архитектуре компьютеров общего назначения. Он начал размышлять над тем, можно ли сделать действительно универсальный процессор достаточно дешевым, чтобы его можно было использовать в калькуляторе. Когда позже его спросили, откуда у него появились идеи по архитектуре первого микропроцессора, Хофф рассказал, что Plessey , «британская тракторная компания», подарил Стэнфорду миникомпьютер и «немного поигрался с ним», пока был там. Тадаси Сасаки приписывает идею разбить калькулятор на четыре части неназванной женщине из женского колледжа Нара, присутствовавшей на мозговом штурме, который проводился в Японии перед его первой встречей с Intel.

Еще одной разработкой, которая позволила реализовать эту конструкцию на практике, стала работа Intel над первыми чипами динамической оперативной памяти (DRAM). Сдвиговые регистры в то время были одними из немногих недорогих устройств чтения и записи памяти. Они не допускают произвольного доступа, вместо этого с каждым тактовым импульсом перемещают хранимые данные на одну ячейку по цепочке ячеек. Время получения любых данных, например одного байта, является функцией тактовой частоты и количества ячеек в цепочке. Если бы процессору приходилось ждать, пока каждый бит пройдет через регистр, результирующая эффективная скорость была бы слишком низкой, чтобы ее можно было использовать на практике. С другой стороны, DRAM позволяла произвольный доступ к любым хранимым данным, а также имела примерно вдвое большую емкость и, следовательно, была менее дорогой.

Наконец, Хофф заметил, что большая часть сложности микросхемы программного управления объясняется тем, что каждая инструкция реализуется отдельно. Он предложил вместо этого чип поддерживать вызовы подпрограмм и инструкции, где это возможно, реализовываться как подпрограммы. Приложение, естественно, предполагало 4-битную конструкцию, поскольку это позволяло напрямую манипулировать двоично-десятичными значениями (BCD), используемыми калькуляторами. Хофф работал над общей концепцией дизайна в течение июля и августа 1969 года, но обнаружил, что руководители Busicom, похоже, не заинтересовались его предложением.

Мазор присоединяется

Хофф не знал, что команда Busicom была чрезвычайно заинтересована в его предложении. Однако их беспокоил ряд конкретных вопросов. Одна из ключевых проблем заключалась в том, что некоторые процедуры, такие как настройка десятичных чисел и обработка клавиатуры, занимали бы большие объемы пространства ПЗУ, если бы были реализованы в виде подпрограмм. Во-вторых, в проекте не было никаких прерываний , поэтому обрабатывать события в реальном времени было бы сложно. Наконец, сохранение чисел в виде 4-битного формата BCD потребует дополнительной памяти для хранения знака и десятичного знака.

В сентябре 1969 года Стэнли Мэйзор перешел в Intel из Fairchild. Хофф и Мазор быстро нашли решение проблем Busicom. Чтобы решить проблему сложности подпрограмм, которая изначально была решена в проекте Busicom с использованием однобайтовых макроинструкций и сложной схемы декодера, Мазор разработал 20-байтовый интерпретатор , который выполнял те же макроинструкции. Шима предложил добавить новое прерывание, которое будет запускаться по контакту, тем самым позволяя клавиатуре управляться прерываниями. Он также модифицировал команду перехода назад (возврата из подпрограммы), чтобы очистить аккумулятор .

Чтобы достичь поставленных ценовых целей, было важно, чтобы чип был как можно меньше и использовал наименьшее количество выводов. Поскольку данные составляли 4 бита, а адресное пространство — 12 бит (4096 байт), прямой доступ не мог быть организован с использованием чего-либо меньшего, чем примерно 24 контакта. Это было недостаточно мало, поэтому в конструкции будет использоваться 16-контактный двухрядный корпус (DIP) и мультиплексирование одного набора из 4 линий. Это означало, что для указания адреса в ПЗУ для доступа требовалось три такта и еще два для чтения его из памяти. Работа на частоте 1 МГц позволит ему выполнять математические операции со значениями BCD со скоростью около 80 микросекунд на цифру.

Процессор Intel 4004 и связанные с ним микросхемы на плате калькулятора Busicom

Результатом обсуждений между Intel и Busicom стала архитектура, которая свела конструкцию Busicom с 7 микросхемами к предложению Intel с 4 микросхемами, состоящему из ЦП, ПЗУ, ОЗУ и устройств ввода-вывода (ввода-вывода). Предложение было представлено группе руководителей Busicom в октябре 1969 года. Они согласились, что новая концепция превосходит другие, и дали Intel добро на начало разработки. Хофф был расстроен, узнав, что по контракту все права на дизайн передавались Busicom, несмотря на то, что он был полностью разработан внутри Intel. Затем команда уехала в Японию, но Шима оставался в Калифорнии до декабря, разрабатывая многие подпрограммы.

Фаггин присоединяется

Ни Хофф, ни Мазор, работавшие в группе исследования приложений, не имели опыта проектирования реальных микросхем, а группа проектирования уже была перегружена разработкой устройств памяти. В апреле 1970 года Лесли Вадас , руководивший группой разработчиков MOS, нанял Федерико Фаггина из Fairchild Semiconductor , чтобы тот возглавил проект. Фаггин уже сделал себе имя, возглавив разработку технологии МОП-кремниевых затворов и разработку первой коммерческой интегральной схемы (ИС), созданной с ее помощью. Новая технология должна была изменить весь рынок полупроводников.

Интегральные схемы состоят из ряда отдельных компонентов, таких как транзисторы и резисторы, которые производятся путем смешивания основного кремния с «легирующими примесями». Обычно это достигается путем нагревания чипа в присутствии химического газа, который диффундирует в поверхность. Раньше отдельные компоненты соединялись вместе в цепь с помощью алюминиевых проводов, нанесенных на поверхность. Поскольку алюминий плавится при 600 градусах, а кремний — при 1000, следы обычно приходилось наносить на последнем этапе, что часто усложняло производственный цикл.

В 1967 году Bell Labs опубликовала статью о создании МОП-транзисторов с самовыравнивающимися затворами из кремния, а не из металла. Однако эти устройства представляли собой апробацию концепции и не могли быть использованы для создания микросхем. Фаггин и Том Кляйн взяли то, что было диковинкой, и разработали всю технологию, необходимую для изготовления надежных интегральных схем. Фаггин также разработал и произвел Fairchild 3708 . первая микросхема, изготовленная с использованием SGT, впервые проданная в конце 1968 года и представленная на обложке журнала Electronics в сентябре 1969 года. Технология кремниевых затворов также снизила ток утечки более чем в 100 раз, что сделало возможным создание сложных динамических схем, таких как DRAM (динамическая память с произвольным доступом). Это также позволило использовать высоколегированный кремний, используемый для изготовления затворов, для формирования межсоединений, что значительно улучшило плотность схемы интегральных схем со случайной логикой, таких как микропроцессоры.

Этот метод означал, что взаимосвязи можно было выполнить в любой момент процесса. Что еще более важно, проводка была наложена с использованием того же оборудования, на котором были изготовлены остальные компоненты. Это означало, что небольшие различия в компоновке между разными типами машин были устранены. Раньше межсоединения должны были быть намного больше, чем требовалось, чтобы гарантировать соприкосновение алюминия с кремниевыми компонентами, которые могли смещаться из-за неточностей в оборудовании. Если бы эта проблема была устранена, схемы можно было бы разместить гораздо ближе друг к другу, что сразу же удвоило бы плотность компонентов и, таким образом, снизило бы их стоимость на ту же сумму. Кроме того, алюминиевая проводка действовала как конденсаторы , ограничивая скорость сигнала; их удаление позволило чипам работать на более высоких скоростях.

В Intel Фаггин начал разработку нового процессора, используя этот процесс самовыравнивающегося вентиля. Всего через несколько дней после того, как Фаггин присоединился к компании Intel, Сима прибыл из Японии. Он был разочарован, узнав, что с тех пор, как он ушел в декабре, никаких работ по проекту не велось, и выразил обеспокоенность тем, что первоначальный график теперь невозможен. В ответ Феггин работал каждый день до поздней ночи, а Шима оставался там еще на шесть месяцев, чтобы помогать. Сам Феггин погрузился в рабочие недели, длившиеся от 70 до 80 часов. Для достижения требуемой плотности цепей потребовались дополнительные усовершенствования. Одним из таких достижений стало использование «скрытых контактов». это позволило напрямую подключать кремниевые соединительные провода к компонентам. Другой выяснял, как добавить «начальную загрузку» с кремниевым затвором как часть одного из этапов маскировки. исключение одного шага из обработки. Без этих двух инноваций Фаггина архитектура Хоффа не могла бы быть реализована в одном чипе.

В производство

Unicom 141P — это OEM- версия Busicom 141-PF.

В то время в схеме наименования чипов Intel для каждого компонента использовался четырехзначный номер. Первая цифра обозначала использованную технологию процесса, вторая цифра обозначала общую функцию, а последние две цифры обозначали порядковый номер разработки этого типа компонента. Согласно этому соглашению, чипы были бы известны как 1302, 1105, 1507 и 1202. Феггин посчитал, что это скроет тот факт, что они образуют единый набор, и решил назвать их «семейством 4000». Четыре фишки были следующими:

• Intel 4001 — 256-байтовое 4-битное ПЗУ;
• Intel 4002 , DRAM с четырьмя 20- байтовыми регистрами (общий размер 40 байт);
• Intel 4003 , микросхема ввода-вывода, содержащая 10-битный статический регистр сдвига с последовательным и параллельным выходами; и
• процессор Intel 4004 .

Полностью расширенная система может поддерживать 16 процессоров Intel 4001 на общую сумму 4 КБ ПЗУ, 16 процессоров Intel 4002 на общую сумму 1280 полубайтов (640 байт) ОЗУ и неограниченное количество процессоров 4003. 4003 были подключены к программируемым входным и выходным контактам 4001 и к выходным контактам 4002, а не напрямую к ЦП.

Завершив проектирование, Сима вернулся в Японию, чтобы приступить к созданию прототипа калькулятора. Первые пластины 4001 были обработаны в октябре 1970 года. за ними последовали 4003 и 4002 в ноябре. У 4002 оказалась небольшая проблема, которую легко исправить. Первые 4004 прибыли в конце декабря и оказались совершенно нефункциональными. Исследуя чип, Фаггин обнаружил, что этап изготовления скрытых контактов был опущен. Вторая партия была изготовлена ​​в январе 1971 года, и модель 4004 работала отлично, за исключением двух незначительных проблем.

Фаггин отправлял Симе образцы этих чипов по мере их прибытия. В апреле они узнали, что прототип калькулятора работает. Позже в том же месяце Шима отправил Intel окончательные маски для ПЗУ 4001, и теперь проектирование было завершено. Он состоял из одного чипа 4004, двух 4002, трёх 4003 и четырёх 4001. Дополнительный 4001 предоставил дополнительную функцию квадратного корня. Последнее изменение было добавлено после того, как Фаггин обнаружил неприятную проблему в 4001, которая возникала только тогда, когда чипы были горячими. Решением Фаггина было добавление новой схемы декодера регистров. Та же проблема наблюдалась и в 4002, и было использовано то же решение. Серийное производство началось в августе 1971 года.

Маркетинг 4004

Реклама Intel 4004 в журнале Electronic News 1971 года.

Во время звонка Шиме Фаггин узнал, что Busicom испытывает финансовые трудности и, скорее всего, потерпит неудачу, если цена чипа не будет снижена. Затем Феггин убедил Нойса снизить цену в обмен на освобождение Intel от соглашения об эксклюзивности. В мае 1971 года Busicom согласился на это при условии, что он не будет использоваться для какого-либо другого проекта калькулятора и что Intel возместит затраты на разработку в размере 60 000 долларов. С этим изменением маркетингового фокуса название семейства чипов было изменено на MCS-4 , сокращение от Micro Computer System, 4-bit.

Руководство Intel скептически относилось к тому, что их отдел продаж сможет объяснить продукт своим клиентам. Поскольку Intel теперь добилась успеха на рынке памяти, они были обеспокоены тем, что 4004 может запутать рынок, и не решались рекламировать ее. Они опасались, что нынешние клиенты Intel могут рассматривать новый продукт как конкуренцию и вместо этого будут покупать память у конкурентов. Хофф и Мазор также были обеспокоены тем, что ограничения конструкции сделают ее менее интересной для пользователей, которые привыкли к новым 16-битным мини-компьютерам, выходившим на рынок в то время.

Все изменилось летом 1971 года, когда Эд Гелбах, ранее работавший в Texas Instruments , возглавил отдел маркетинга и немедленно начал планы по публичному анонсу продукта. Это произошло в ноябре 1971 года, когда Intel запустила рекламу «Объявляя о новой эре интегрированной электроники». впервые появилось в выпуске Electronic News от 15 ноября .

8008

4004 стал первым коммерческим микропроцессором, доступным для общего использования. Этого почти не было.

В декабре 1969 года компания Computer Terminal Corporation (CTC) обратилась к Intel с просьбой создать специальную микросхему биполярной памяти для компьютерного терминала проектируемого ими Datapoint 2200 . Мазор и Хофф рассмотрели конструкцию своего процессора и пришли к выводу, что он не намного сложнее, чем 4004, и что его можно реализовать как однокристальный 8-битный процессор. За несколько недель до того, как они наняли Фаггина, в марте 1970 года Intel наняла Хэла Фини для разработки Intel 8008 , который в то время назывался 1201, в соответствии с соглашением об именах Intel. Однако CTC решила сначала приступить к традиционной реализации TTL своего ЦП, и приоритет проекта был снижен. Фини был назначен на другие проекты, и в конечном итоге он помог Фаггину в тестировании чипов семейства 4000.

В январе 1971 года Фини снова был переведен на 1201 под руководством Фаггина, а серийные чипы были доступны в марте 1972 года. В мае Хофф и Мазор отправились в турне с лекциями, чтобы представить две конструкции процессоров по США. Компромисс между двумя конструкциями заключался в том, что с 4004 и его микросхемами памяти и ввода-вывода было намного проще построить полную компьютерную систему, в то время как 8008 был более гибким, имел большее адресное пространство (16 КБ) и предлагал больше инструкций. Существенная разница заключается в том, что хотя минимальная система 4004 может быть построена с использованием только двух чипов, одного 4004 и одного 4001 (256-байтовое ПЗУ), для 8008 потребуется как минимум 20 дополнительных TTL-компонентов для взаимодействия с памятью и функциями ввода-вывода.

Эти две конструкции использовались в разных ролях. 4004 использовался там, где стоимость внедрения была основной проблемой, и стал широко использоваться во встроенных контроллерах для таких приложений, как микроволновые печи , светофоры и тому подобные функции. Вместо этого 8008 в основном использовался в программируемых пользователем приложениях, таких как компьютерные терминалы , микрокомпьютеры и тому подобные функции. Такое разделение функций сохраняется и по сей день, причем первый из них известен как микроконтроллер .

Современные процессорные чипы

Примерно в то же время были произведены еще три конструкции микросхем ЦП: Four-Phase Systems AL1, созданная в 1969 году; MP944 , построенный в 1970 году и использовавшийся в истребителе F-14 Tomcat; и чип Texas Instruments TMS-0100, анонсированный 17 сентября 1971 года. MP944 представлял собой набор из шести чипов, образующих один процессорный блок. Микросхема TMS0100 была представлена ​​как «калькулятор на кристалле» с оригинальным обозначением TMS1802NC. Этот чип содержит очень примитивный процессор и может использоваться только для реализации различных простых четырехфункциональных калькуляторов. Это предшественник TMS1000 , представленного в 1974 году и считающегося первым микроконтроллером, то есть компьютером на кристалле, содержащим не только ЦП, но также ПЗУ, ОЗУ и функции ввода-вывода. Семейство MCS-4 из четырех чипов, разработанных Intel, из которых 4004 является центральным процессором или микропроцессором, было гораздо более универсальным и мощным, чем однокристальный TMS1000, что позволяло создавать множество небольших компьютеров для различных приложений.

Zilog , первая компания, полностью специализирующаяся на микропроцессорах и микроконтроллерах, была основана Федерико Фаггином и Ральфом Унгерманном в конце 1974 года.

Описание

National Semiconductor была сторонним производителем 4004 под номером детали INS4004.

В 4004 используется 10-микронная с кремниевым затвором и улучшенной нагрузкой технология pMOS на 12-мм матрице. ² тот и может выполнять примерно 92 000 инструкций в секунду ; один цикл инструкции составляет 10,8 микросекунды . Первоначальная тактовая частота составляла 1 МГц, как и у IBM 1620 Model I.

Intel 4004 был изготовлен с использованием масок, полученных путем физического вырезания каждого рисунка с 500-кратным увеличением на большом листе рубилита , фотоуменьшения и повторения процесса, который устарел из-за современных возможностей компьютерного графического дизайна.

Для тестирования выпускаемых чипов компания Faggin разработала тестер кремниевых пластин семейства MCS-4, который сам управлялся чипом 4004. Тестер также послужил доказательством для руководства того, что микропроцессор Intel 4004 можно использовать не только в продуктах, подобных калькуляторам, но и в управляющих приложениях.

4004 включает в себя функции для прямого низкоуровневого управления выбором микросхем памяти и вводом-выводом, которые обычно не обрабатываются микропроцессором; однако его функциональность ограничена тем, что он не может выполнять код из ОЗУ и ограничивается любыми инструкциями, предоставляемыми в ПЗУ (или независимо загружаемым ОЗУ, работающим как ПЗУ - в любом случае процессор сам не может записывать или передавать данные в ПЗУ). исполняемая область памяти). Чипы частей ОЗУ и ПЗУ также необычны своей интеграцией функций ввода-вывода вместе с основной функцией памяти. Такое разделение значительно уменьшило минимальное количество частей в системе MCS-4, но потребовало включения определенного количества процессороподобной логики в сами микросхемы памяти для приема, декодирования и выполнения инструкций по передаче данных относительно высокого уровня.

Стандартная компоновка системы 4004 — это до 16 микросхем ПЗУ 4001 (в одном банке) и 16 микросхем ОЗУ 4002 (в четырех банках по четыре), которые вместе обеспечивают хранилище программ объемом 4 КБ, 1024 + 256 полубайтов данных. хранилище данных/состояния, а также 64 выходных и 64 входных/выходных внешних линии данных/управления (которые сами могут использоваться для работы, например, 4003). Однако в документации Intel MCS-4 утверждается, что до 48 микросхем ПЗУ и ОЗУ (обеспечивающих до 192 внешних линий управления) «в любой комбинации» можно подключить к 4004 «с помощью простого вентильного оборудования», но отказывается предоставить какие-либо дополнительные сведения. детали или примеры того, как это на самом деле будет достигнуто.

Технические характеристики

Архитектурная блок-схема Intel 4004

чипа Intel 4004 DIP Распиновка

Открытый процессор Intel 4004

Регистры Intel 4004

1 1 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 (битовая позиция) аккумулятор     А аккумулятор ​ Коды условий   С Нести флаг Индексные регистры   Р0 Р1     Р2 Р3     Р4 Р5     Р6 Р7     Р8 Р9     10 рэндов Р11     Р12 Р13     Р14 15 рэндов   Счетчик программ ПК Программный счетчик ​ ​ Стек вызовов адресов с понижением ПК1 Уровень вызова 1 ПК2 Уровень вызова 2 ПК3 Уровень вызова 3

• Максимальная тактовая частота составляет 740 кГц . Эта максимальная тактовая частота была у 4004 при первом выпуске в 1971 году.
• Время цикла инструкции: минимум 10,8 мкс (8 тактов на машинный цикл).
• Время выполнения инструкций 1 или 2 машинных цикла (10,8 или 21,6 мкс), от 46 250 до 92 500 инструкций в секунду.
  • Сложение двух 8-значных десятичных чисел (32 бита каждое, при условии, что 4-битные цифры BCD) занимает заявленные 850 мкс, или примерно 79 машинных циклов (632 такта), что в среднем составляет чуть менее 10 циклов (80 тактов) на цифру. пара и рабочая скорость 1176 × 8-значных сложений в секунду.
• Раздельное хранение программ и данных. в отличие от архитектуры Гарварда Однако, , в которой используются отдельные шины , 4004, поскольку ему необходимо вести счет количества выводов, использует одну мультиплексированную 4-битную шину для передачи:
  • 12-битные адреса,
  • 8-битные инструкции,
  • 4-битные слова данных .
• Способен напрямую обращаться к 5120 битам (эквивалентным 640 байтам) ОЗУ, хранящимся в виде 1280 4-битных «символов» и организованным в группы, представляющие 1024 «данных» и 256 символов «состояния» (512 и 128 байт).
• Способен напрямую обращаться к 32 768 битам ПЗУ, что эквивалентно 4096 8-битным словам (т. е. байтам) и организовано в них.
• Набор инструкций содержал 46 инструкций (из них 41 имела ширину 8 бит и 5 — 16 бит).
• Набор регистров содержит 16 регистров по 4 бита каждый.
• Внутренний подпрограмм стек , глубиной 3 уровня.

Логические уровни

Символ	Мин.	Макс
В СС–ДД	+15 V − 5%	+15 V + 5%
В ИЛ	В ДД	V SS − 5.5 V
В ИХ	V SS − 1.5 V	V SS + 0.3 V
В ОЛ	V SS − 12 V	V SS − 6.5 V
VВОХ	V SS − 0.5 V	В СС

Поддержка чипов

• 4001: 256- байтовое ПЗУ (256 8-битных программных инструкций) и один встроенный 4-битный порт ввода-вывода . Чип ПЗУ+В/В 4001 нельзя использовать в системе вместе с парой 4008/4009.
• 4002: 40-байтовая ОЗУ (80 4-битных слов данных ) и один встроенный 4-битный выходной порт; Часть ОЗУ чипа организована в 4 «регистра» по 20 4-битных слов:
  • 16 слов данных (используемых для цифр мантиссы в оригинальном дизайне калькулятора), доступ к которым осуществляется относительно стандартным способом.
  • 4 слова состояния (используются для цифр и знаков экспоненты в исходной конструкции калькулятора), доступ к которым осуществляется с помощью команд типа ввода-вывода вместо входного канала ПЗУ.
• 4003: 10-битный сдвиговый регистр параллельного вывода для сканирования клавиатур, дисплеев, принтеров и т. д.
• 4008: 8-битная защелка адреса для доступа к стандартным микросхемам памяти и один встроенный 4-битный порт выбора микросхемы и порт ввода-вывода.
• 4009: преобразователь доступа к программе и вводу-выводу в стандартную память и микросхемы ввода-вывода.
• 4269: интерфейс клавиатуры/дисплея.
• 4289: интерфейс памяти (комбинированные функции 4008 и 4009).

Минимальная системная спецификация, описанная Intel, состоит из 4004 с одним 256-байтовым программным ПЗУ 4001; нет явной необходимости в отдельной оперативной памяти в приложениях минимальной сложности благодаря большому количеству встроенных индексных регистров 4004, которые представляют собой эквивалент 16 × 4-битных или 8 × 8-битных символов (или смеси) рабочей оперативной памяти, ни для простых интерфейсных микросхем благодаря встроенным в ПЗУ линиям ввода-вывода. Однако по мере увеличения сложности проекта различные другие вспомогательные микросхемы начинают становиться полезными.

Упаковка

Было выпущено множество версий процессоров Intel MCS-4. Самые ранние версии с маркировкой C (например, C4004) были керамическими и использовали белый и серый узор зебры на обратной стороне чипов, часто называемый «серыми следами». Следующее поколение чипов представляло собой простую белую керамику (также с маркировкой C), а затем темно-серую керамику (D). Многие из последних версий семейства MCS-4 также производились из пластика (P).

• 
  Керамический вариант C4004 без следов серого цвета.
• 
  Керамический вариант D4004.
• 
  Пластиковый вариант P4004.

Использовать

Первым коммерческим продуктом, в котором использовался микропроцессор, был калькулятор Busicom 141-PF. Модель 4004 также использовалась в первой игре в пинбол с микропроцессорным управлением — прототипе, созданном Dave Nutting Associates для Bally в 1974 году.

В 1996 году Патентное ведомство США официально признало г-на Гэри У. Буна и его работодателя, компанию Texas Instruments, изобретателями однокристального микроконтроллера, отменив выдачу патента Гилберту П. Хаятту в 1990 году. Несмотря на то, что срок действия патента истек. Считалось, что это может иметь потенциальные финансовые последствия в зависимости от деталей предыдущих контрактов с Гилбертом Хаяттом. По словам Ника Треденника , разработчика микропроцессоров и свидетеля-эксперта по делу о патенте Boone/Hyatt:

Вот мое мнение по результатам исследования, которое я провел по патентному делу. Первым микропроцессором в коммерческом продукте был Four Phase Systems AL1 . Первым коммерчески доступным (продаваемым как компонент) микропроцессором был 4004 от Intel.

Популярный миф гласит, что «Пионер-10» , первый космический корабль, покинувший Солнечную систему, использовал микропроцессор Intel 4004. По словам доктора Ларри Лэшера из Исследовательского центра Эймса , команда Pioneer действительно оценивала 4004, но решила, что на тот момент он был слишком новым, чтобы включать его в какой-либо из проектов Pioneer. Миф повторил сам Федерико Фаггин на лекции для Музея истории компьютеров в 2006 году.

Наследие и ценность

В правом нижнем углу процессора находятся инициалы «FF».

Часы Intel 4004 – 25-летие модели 4004

Федерико Фаггин подписал 4004 своими инициалами, потому что знал, что его конструкция кремниевого затвора воплощает «суть микропроцессора». В углу кубика написано «FF».

В ноябре 1996 года, к 25-летию микропроцессора, Intel подарила своим сотрудникам в США латунные часы с микропроцессорным чипом 4004.

15 ноября 2006 года, 35-летие 4004, Intel отпраздновала выпуском схемы чипа , масок и руководства пользователя . Полнофункциональный 41 × 58 см, Реплика Intel 4004 в 130-кратном масштабе была построена с использованием дискретных транзисторов и выставлена ​​в 2006 году в Музее Intel в Санта-Кларе , Калифорния.

15 октября 2010 года Фаггин, Хофф и Мазор были награждены Национальной медалью технологий и инноваций президентом Бараком Обамой за новаторскую работу над 4004.

См. также

• Интел Интеллек 4

Источники

Библиография

• Фаггин, Федерико; Хофф, Марсиан младший; Мазор, Стэнли; Сима, Масатоши (декабрь 1996 г.). «История 4004 года». IEEE микро . 16 (6): 10–20. дои : 10.1109/40.546561 .
• Федерико Фаггин: Технология кремниевых затворов МОП и первые микропроцессоры, опубликованные в журнале La Rivista del Nuovo Cimento Итальянским физическим обществом и Европейским физическим обществом, 8 октября 2015 г., том .38, № 12 (стр. 575–619).
• Федерико Фаггин: КРЕМНИЙ: От изобретения микропроцессора до новой науки о сознании. Автобиография лидера и ключевого разработчика технологии кремниевых затворов и первых проектов микропроцессоров, основателя Zilog и разработчика процессора Z80. от Waterside Productions в 2020 году.

Патенты

• US 3753011   , 14 августа 1973 г. Фаггин, Федерико: Настраиваемая бистабильная схема источника питания.
• США 3821715   , 28 июня 1974 г. Хофф, Марсиан; Мазор, Стэнли; Фаггин, Федерико: Система памяти для многочипового цифрового компьютера.

Исторические документы

Самые ранние документы по технологии ворот, которые позволили 4004

• Фаггин Ф., Кляйн Т. и Вадас Л.: Интегральные схемы полевых транзисторов с изолированным затвором и кремниевыми затворами. Обложка и аннотация программы IEDM (Международное собрание электронных устройств) (октябрь 1968 г.) . Технология кремниевых затворов (SGT), созданная в Fairchild Semiconductor в 1968 году, была впервые представлена ​​ее соавтором и разработчиком Федерико Фаггином на выставке IEDM 23 октября 1968 года в Вашингтоне, округ Колумбия. Это была единственная коммерческая технология производства изготовление МОП-интегральных схем с самовыравнивающимся затвором, которые позже были повсеместно приняты в полупроводниковой промышленности. SGT была первой технологией для производства коммерческих динамических ОЗУ, датчиков изображения CCD, энергонезависимой памяти и микропроцессора, впервые предоставив все основные элементы компьютера общего назначения с интегральными схемами LSI.
• Федерико Фаггин и Томас Кляйн: «Более быстрое поколение МОП-устройств с низкими порогами находится на гребне новой волны - ИС с кремниевым затвором». Обложка журнала Electronics Magazine (29 сентября 1969 г.) . В статье «Электроника» рассказывается о Fairchild 3708, разработанном Федерико Фаггином в 1968 году. Это была первая в мире коммерческая интегральная схема, использующая технологию кремниевых затворов, доказавшая свою жизнеспособность, и первое применение новой технологии.
• Ф. Фаггин, Т. Кляйн: Технология кремниевых затворов. «Твердотельная электроника», 1970, т. 1. 13, стр. 1125–1144.

Самые ранние документы об Intel 4004

• Инициалы FF (Федерико Фаггин) на дизайне 4004 (1971 г.) . На одном углу чипа 4004 выгравированы инициалы FF его дизайнера Федерико Фаггина. Подписание чипа было спонтанным жестом гордого авторства, а также оригинальной идеей, которой после него подражали многие дизайнеры Intel.
• Ф. Фаггин и М. Э. Хофф: «Стандартные детали и нестандартная конструкция сливаются в четырехчиповый процессорный комплект». Электроника/24 апреля 1972 г., стр. 112–116. Перепечатано на стр. 6–27–6–31 книги Intel Memory Design Handbook: август 1973 г.
• Ф. Фаггин, М. Шима, М. Е. Хофф младший, Х. Фини, С. Мазор: «MCS-4 — микрокомпьютерная система LSI». Конференция IEEE '72 в шестом регионе. Перепечатано на стр. 6–32–6–37 книги Intel Memory Design Handbook: август 1973 г.
• Инженерный прототип печатного калькулятора Busicom 141-PF (1971 г.) . (Подарок Федерико Фаггина Музею компьютерной истории, Маунтин-Вью, Калифорния). В каталоге коллекции CHM представлены фотографии инженерного прототипа настольного калькулятора Busicom 141-PF. В инженерном прототипе использовался первый в мире микропроцессор, который когда-либо был произведен. Этот единственный в своем роде прототип был личным подарком президента Busicom г-на Ёсио Кодзимы Федерико Фаггину за его успешное руководство проектированием и разработкой 4004 и трех других микросхем памяти и ввода-вывода (набор микросхем MCS-4). ). Продержав его в своем доме 25 лет, Фаггин подарил его CHM в 1996 году.
• Фаггин, Ф.; Капокачча, Ф. «Новый интегрированный МОП-регистр сдвига», Труды XV Международного научного конгресса по электронике, Рим, апрель 1968 г., стр. 143–152. В этой статье описывается новый статический регистр сдвига МОП, разработанный в компании SGS-Fairchild (ныне ST Micro) в конце 1967 года, до того как Федерико Фаггин присоединился к научно-исследовательскому отделу Fairchild в Пало-Альто (Калифорния) в феврале 1968 года. Позже Фаггин использовал этот новый регистр сдвига в чипы MCS-4, включая 4004 (1970).

Дальнейшее чтение

• 35-летие микропроцессора Intel 4004 — прямая запись презентаций Теда Хоффа и Федерико Фаггина в Музее истории компьютеров, посвященных 35-летию первого микропроцессора. ( youtube.com )
• Журнал IEEE Solid State Circuits, зима 2009 г., том 1, № 1. «Микропроцессор 4004 Фаггина, Хоффа, Мазора и Шимы».
• Технология МОП-кремниевых затворов и первые микропроцессоры , Федерико Фаггин, опубликованная в La Rivista del Nuovo Cimento, Итальянское физическое общество, Vol. 38, № 12, 2015.
• «Как мы создали микропроцессор», Федерико Фаггин. Природная электроника, Том. 1 января 2018 г. Опубликовано онлайн: 8 января 2018 г.

Внешние ссылки

• Первый микропроцессор Intel — Intel 4004: запись в музее Intel (корпоративные архивы Intel)
• Intel 4004: отзыв Федерико Фаггина, дизайнера 4004 и разработчика его технологии
• Новая методология проектирования случайной логики, используемая в 4004 и во всех ранних микропроцессорах Intel
• Интервью с Масатоши Симой
• Техническое описание микрокомпьютера MCS-4 (12 стр.)
• Intel 4004 — проект к 45-летию , схемы на неофициальном сайте 4004 и симулятор на Java. Полнофункциональная копия модели 4004 в 130-кратном масштабе, построенная с использованием дискретных транзисторов.
• Решающая роль кремниевой конструкции в изобретении микропроцессора
• Фотографии кристалла Intel 4004, сделанные с помощью светового микроскопа, вместе с базовым объяснением логики КМОП.
• Эмулятор, ассемблер и дизассемблер Intel 4004: простые инструменты программирования для Intel 4004 на Javascript
• Технический паспорт Intel 4004
• Техническое описание Intel MCS-4
• Схема BuscomV2p1
• Руководство по программированию на языке ассемблера MSC-4
• Зал славы чипов: микропроцессор Intel 4004 ( веб-сайт IEEE Spectrum )
• История Intel 4004