【E課堂】從誕生到無(wú)處不在 一文看懂四位微處理器

　　微處理器由一片或少數(shù)幾片大規(guī)模集成電路組成，能完成讀取指令、執(zhí)行指令，以及與外界存儲(chǔ)器和邏輯部件交換信息等操作，所以其基本組成部分有算術(shù)邏輯單元(ALU，Arithmetic Logical Unit);累加器(accumulator)和通用寄存器(register);程序計(jì)數(shù)器(也叫指令指標(biāo)器);時(shí)序和控制邏輯部件;數(shù)據(jù)與地址鎖存器/緩沖器;內(nèi)部總線。

　　微處理器從20世紀(jì)60年代未開(kāi)始出現(xiàn)，到今天已經(jīng)無(wú)處不在，無(wú)論是手機(jī)、可穿戴設(shè)備等智能電子產(chǎn)品，還是汽車，數(shù)控機(jī)床，導(dǎo)彈，航空航天，等都要嵌入各類不同的微處理器。

　　根據(jù)微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域，可以分為三類：通用高性能微處理器、嵌入式微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器、微控制器(MCU)。

　　根據(jù)微處理器處理信息的字長(zhǎng)，有4位、8位、16位、32位、64位微處理器。早期的微處理器(16位及以前)生產(chǎn)廠商魚(yú)龍混雜，不只INTEL，還有Mitre、Garrett AiResearch、Intel、TI、Fairchild、Rockwell、NEC、National Semiconductor、Western Electric、Motorola、Zilog、INMOS、DEC、SUN。到了32位，主要是Intel的天下，從Pentium到其PRO版，II代、III代，IV代等等，AMD和VIA等雖然好好學(xué)習(xí)，但還是難以撼動(dòng)Intel的霸主地位。

　　下面我們開(kāi)始踏上4位微處理器時(shí)代之旅，讓我們了解一下4位時(shí)代的精典產(chǎn)品。

　　雖然微處理器直到1970年才出現(xiàn)，但是1969年7月美國(guó)登月飛船“阿波羅11號(hào)”就采用了復(fù)雜的計(jì)算系統(tǒng)，包括姿態(tài)控制、制導(dǎo)導(dǎo)航系統(tǒng)以及船載計(jì)算機(jī)等。這些復(fù)雜的計(jì)算系統(tǒng)吸引了美國(guó)各大公司投身其中，紛紛力爭(zhēng)推出自己的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品來(lái)取代對(duì)方。

　　在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)4位微處理器的公司有Mitre、Garrett AiResearch、Intel、TI、Fairchild、Rockwell、NEC、National Semiconductor等。

　　2140

　　1968年多名從Mitre公司離職的工程師創(chuàng)建了Viatron計(jì)算機(jī)公司，于1969年發(fā)明了第一個(gè)基于LSI技術(shù)的4位微處理器2140。

　　MP944

　　MP944是第一個(gè)航空航天微處理器，也是第一個(gè)軍用微處理器，還是第一個(gè)完全集成芯片組微處理器。

　　1968年Garrett AiResearch開(kāi)始研制一種數(shù)字計(jì)算機(jī)，以同正在開(kāi)發(fā)中的用于美國(guó)海軍F-14雄貓戰(zhàn)斗機(jī)的主飛行控制電腦的電機(jī)系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)。1970年6月，美國(guó)Garrett AiResearch的Steve Geller和Ray Holt發(fā)明了基于MOS-LSI技術(shù)的產(chǎn)品，由6顆芯片組成(兩個(gè)頂級(jí)的石英傳感器，一個(gè)20位高精度的模數(shù)字轉(zhuǎn)換器A/D，一個(gè)20位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A，一個(gè)MOS-LSI芯片組，一個(gè)高效的電源單元)，命名為MP944。該芯片僅約40平方英寸(約25000平方毫米)，頻率達(dá)375KHz，以更小的體積和更高的可靠性打敗了基于電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，被運(yùn)用于美國(guó)海軍早期的所有雄貓戰(zhàn)斗機(jī)(TomCat fighter，包括F-14雄貓戰(zhàn)機(jī))，1970年第一架使用MP944的F-14飛機(jī)試飛;由于美國(guó)軍方認(rèn)為這種技術(shù)太過(guò)先進(jìn)而不允許將其設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)公開(kāi)，直到1998年才得以揭開(kāi)其面紗。

　　TMS1000

　　1971年9月17日，TI(TexasInstruments，德州儀器)的Gary Boone和Michael Cochran開(kāi)發(fā)出以預(yù)編程嵌入式應(yīng)用(pre-programmed embedded applications)為主打技術(shù)的4位微處理器TMS 1000，采用DIP28封裝;1973年9月4日Gary Boone獲得了單片微處理器的美國(guó)專利，專利號(hào)是3757306;1974年TI(德州儀器)再推單芯片4位微處理器-TMS1802NC，廣泛應(yīng)用于公司的袖珍計(jì)算器中，為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域帶來(lái)新的動(dòng)力。

　　4004

　　1971年11月15日，Intel(英特爾)推出第一款商用4位微處理器-4004，采用硅柵PMOS 10μm工藝生產(chǎn)，Die Size芯片面積只有13.5mm2，集成了2.25K個(gè)晶體管，采用CDIP16封裝，4004包括一個(gè)四位的平行加法器、十六個(gè)四位的緩存器、一個(gè)儲(chǔ)存器(accumulator)與一個(gè)下推堆棧(push-down stack)，由Federico Faggin(1970年加入英特爾，后來(lái)創(chuàng)立了ZILOG公司)和Marcian E.Hoff(霍夫，昵稱Ted Hoff)設(shè)計(jì)。該芯片于1981年停產(chǎn)。

　　用4004芯片，配上4001(40字節(jié)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存DRAM)、4002(256字節(jié)的只讀存儲(chǔ)器ROM)、4003(10位的移位寄存器芯片Register)，再加上鍵盤和數(shù)碼管，就構(gòu)成了一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)MCS-4。

　　最初的Intel 4004微處理器采用金頂白色陶瓷封裝，后期才出現(xiàn)了普通黑陶瓷以及塑料封裝(Intel生產(chǎn)早期微處理器的慣例：)金頂白陶4004又分為普通白陶、灰色痕跡白陶、5系白陶三類。其中，灰色痕跡白陶瓷版最為珍貴。

　　PPS-25

　　其他1972年Fairchild推出4位微處理器PPS-25，是一款多芯片微處理器，頻率200KHz，采用PMOS工藝。

　　PPS-4

　　1972年8月Rockwell發(fā)布4位微處理器PPS-4，頻率200KHz，采用PMOS工藝，封裝采用QUIP(Quad-In-Line)，42引腳封裝。被用于計(jì)算，控制和游戲應(yīng)用。

　　μCOM 4

　　1973年日本NEC公司推出4位微處理器，頻率達(dá)1MHz，采用NMOS技術(shù)生產(chǎn)，集成了2500個(gè)晶體管。

　　IMP-4

　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(NSC)推出的首款微處理器，頻率500 kHz，采用NMOS技術(shù)生產(chǎn)。

　　4040

　　1974年11月Intel(英特爾)推出4位微處理器-4040，使用PMOS硅柵10制程，集成3，000 個(gè)晶體管，頻率740kHz，使用 4 到 5.185 MHz 石英震蕩器，運(yùn)行速度0.06 MIPS， 4040采用陶瓷和塑料DIP24封裝。

　　總結(jié)報(bào)告：初期的四位微處理器都是采用NMOS或PMOS工藝，線寬都在8-10μm ，200K-1M之間，且以多芯片。