Ο ΠΡΩΤΟΣ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ – ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΛΗΘΕΙΑΣ ?

Η ιστορία των μικροεπεξεργαστών ξεκινά με την γέννηση του Intel 4004, του πρώτου εμπορικά διαθέσιμου επεξεργαστή. Οι ρίζες της σχεδίασης του βρίσκονται πίσω στο χρόνο στους ίδιους τους εφευρέτες του τρανζίστορ.

Για αρχή λίγη προϊστορία

Το 1951 ο William Shockley (συνεφευρέτης του τρανζίστορ) ιδρύει την εταιρεία Shockley Semiconductor στο Πάολο Άλτο της Καλιφόρνια. Είναι η αρχή της Silicon Valley. Στην εν λόγω εταιρία θα εργαστούν κάποια στιγμή οι Gordon Moore και Robert Noyce (ο Noyce έπαιξε σημαντικό ρόλο στη δημιουργία του ολοκληρωμένου κυκλώματος, γνωστού ως IC, integrated circuit), οι οποίοι το 1957 αποχωρούν και δημιουργούν την Fairchild Semiconductor. To 1968 ο Moore και ο Noyce αφήνουν την Fairchild για να δημιουργήσουν την Intel Corporation.Την εποχή εκείνη η εταιρεία εστιάζεται στην ανάπτυξη και κατασκευή τσιπ μνήμης. Αλλά η ιστορία της Intel θα αλλάξει μια για πάντα από τα γεγονότα που θα οδηγήσουν στην δημιουργία του επεξεργαστή 4004, για λογαριασμό της Busicom, μιας γιαπωνέζικης εταιρίας κατασκευής αριθμομηχανών. Ο Intel 4004 ήταν μια τεσσάρων bit κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU). Τα πρώτα λειτουργικά μέρη του ήταν έτοιμα από τον Μάρτιο του 1971 αλλά η πρώτη δημόσια αναφορά του έγινε μέσω μιας διαφήμισης τον Νοέμβριο του ίδιου έτους. Οι επικεφαλής σχεδιαστές του τσιπ ήταν οι Federico Faggin (ο οποίος αργότερα θα δημιουργήσει την εταιρεία ZiLOG), ο Ted Hoff της Intel και ο Masatoshi Shima της Busicom.

Τεχνικές προδιαγραφές

  • 2.300 τρανζίστορ pMOS τεχνολογίας κατασκευής 10 µm
  • Μέγιστη ταχύτητα ρολογιού 740 kHz
  • Χρόνος κύκλου εντολών 10.8 µs (8 clock cycles / instruction cycle)
  • Μέγιστος αριθμός εκτέλεσης εντολών ανά δευτερόλεπτο 92600
  • Ξεχωριστός χώρος αποθήκευσης προγράμματος και δεδομένων
  • Αddress bus 12bit, οπότε μπορούσε να δει μέχρι 4096 bytes RAM
  • Data bus 4bit
  • 8-bit instructions
  • Για να κρατηθεί ο αριθμός των ακροδεκτών του 4004 μικρός, χρησιμοποιήθηκε ένα και μόνο bus των 4bit και όλα τα παραπάνω buses προέρχονται από πολυπλεξία.
  • 46 συνολικά εντολές (41x8bit + 5x16bit)
  • 16 καταχωρητές των 4bit
  • Εσωτερική στοίβα υπορουτίνας 3 επιπέδων

Η οικογένεια MCS-4

Ο 4004 ήταν μέρος μιας οικογένειας LSI τσιπ με όνομα MCS-4. Τα τσιπ αυτά ήταν απαραίτητα για την κατασκευή ενός υπολογιστή. Τα υπόλοιπα μέλη της οικογένειας ήταν μνήμες και κυκλώματα εισόδου/εξόδου.

  • 4001: 256-byte ROM
  • 4002: 40-byte RAM
  • 4003: 10-bit parallel output shift register
  • 4008: 8-bit address latch for access to standard memory chips
  • 4009: program and I/O access converter to standard memory and I/O chips
  • 4269: keyboard/display interface
  • 4289: memory interface (combined functions of 4008 and 4009)

Η ονοματολογία των τσιπ οφείλετε στον Federico Faggin, ο οποίος έσπασε το σύστημα αρίθμησης που χρησιμοποιούσε η Intel μέχρι τότε και ήταν της μορφής 1302, 1105, 1507, 1202 αντίστοιχα για τα 4001, 4002, 4003, 4004. Αν ακολουθούσε την αρίθμηση της Intel θα χανόταν η ιδέα ότι τα τσιπ ήταν μέρος μιας οικογένειας εξαρτημάτων που προορίζονται να λειτουργούν απρόσκοπτα μεταξύ τους.

Αλλά…

Αυτή λοιπόν είναι η ιστορία του πρώτου μικροεπεξεργαστή σε γενικές γραμμές. Ή μήπως όχι?
Την πατρότητα του πρώτου μικροεπεξεργαστή την διεκδικούν και άλλοι μεταξύ των οποίων:

  • η εταιρία Texas Instruments με τον δικό της 4-bit επεξεργαστή, με το όνομα TMS 1000

  • οι εταιρίες Pico/General Instrument με το δικό τους IC, GI 250, για την αριθμομηχανή Monroe/Litton Royal Digital III

  • ο Gilbert P. Hyatt για μια πατέντα που χρονολογείται προ Texas Instruments και Intel και στην οποία περιγράφεται η αρχιτεκτονική και η λογική σχεδίαση ενός μικροελεγκτή
  • και ο Lee Boysel για το Four-Phase Systems AL1 ένα 8-bit τσιπ

Ωστόσο υπάρχει ακόμη ένας που ισχυρίζεται ότι είναι ο δημιουργός του πρώτου επεξεργαστή. Το όνομα του? Raymond Holt. Οι λεπτομέρειες της εργασίας του ήταν απόρρητες και έγιναν γνωστές μόλις το 1998, αφού τότε και μετά από αίτημα του το Ναυτικό των ΗΠΑ αποχαρακτήρισε τα σχετικά έγγραφα.

Η ιστορία ξαναγράφεται

Ας πάμε πίσω στο όχι και τόσο μακρινό 1968. Η Intel μόλις έχει δημιουργηθεί, ο όρος προσωπικός υπολογιστής δεν υπάρχει ούτε κατά φαντασία και οι υπολογιστές καταλαμβάνουν χώρο μερικών τετραγωνικών μέτρων.  Η Grumman έχει κερδίσει το διαγωνισμό για το νέο μαχητικό του Ναυτικού των ΗΠΑ. Πρόκειται για το γνωστό σε όλους μας F-14A.

Η εταιρία Garrett AiResearch (στην οποία εργάζονταν οι Ray Holt και Steve Geller) κλήθηκε να κατασκευάσει έναν ψηφιακό υπολογιστή που θα ανταγωνιζόταν τα υπό ανάπτυξη ηλεκτρομηχανικά συστήματα για το κεντρικό σύστημα ελέγχου πτήσης του νέου μαχητικού αεροσκάφους. Ο υπολογιστής ονομαζόταν Central Air Data Computer ή CADC. Τι ακριβώς έκανε αυτός ο υπολογιστής?

Ο CADC εκτελούσε 2 κυρίως λειτουργίες. Τον έλεγχο των κινούμενων επιφανειών του αεροσκάφους και την απεικόνιση πληροφοριών στον πιλότο. Ο CADC λάμβανε δεδομένα από 5 κυρίως πηγές:

  1. στατικό αισθητήρα πίεσης
  2. δυναμικό αισθητήρα πίεσης
  3. αισθητήρα θερμοκρασίας
  4. εισαγωγή αναλογικών πληροφοριών από τον πιλότο
  5. εισαγωγή ψηφιακών πληροφοριών από τον πιλότο.

Επεξεργαζόταν τα δεδομένα αυτά  και η έξοδος του είχε ως αποτέλεσμα τον έλεγχο της κίνησης των κινούμενων μερών του αεροσκάφους, δηλαδή των φτερών, των φλάπς και των glove vanes (μικρά πτερύγια που εμφανίζονταν μόνο σε υπερηχητικές ταχύτητες). Επίσης έλεγχε και 4 πίνακες οργάνων στο πιλοτήριο που αφορούσαν την ταχύτητα του αεροσκάφους, το υψόμετρο, την ταχύτητα αέρα και την κάθετη ταχύτητα. Ο CADC είχε ενσωματωμένο σύστημα αυτοελέγχου πραγματικού χρόνου. Υπήρχε και δεύτερος εφεδρικός υπολογιστής. Οποιοδήποτε σφάλμα στον έναν είχε ως αποτέλεσμα τη μεταπήδηση στον άλλο.

Ο CADC ως στρατιωτικής χρήσης υπολογιστής θα έπρεπε να ακολουθεί κάποιες προδιαγραφές:

  •  να χωράει σε μια 4” x 10” ιντσών κάρτα
  • να είναι αρκετά ευέλικτος ώστε να μπορεί να ανταποκριθεί στις υπολογιστικές ανάγκες του αεροσκάφους κατά την διάρκεια ζωής του
  • να μπορεί εύκολα να επαναπρογραμματισθεί και να εκτελεί διαφορετικές λειτουργίες
  • να είναι ικανός να εντοπίζει σφάλματα στην λειτουργία του και να τα αναφέρει
  • να μπορεί να λειτουργεί σε υψηλά G και σε ταχύτητες ανώτερες του ενός mach
  • και τέλος, η κατανάλωση του δεν έπρεπε να ξεπερνά τα 10 watts σε θερμοκρασία δωματίου

Όπως είπαμε και πριν βρισκόμαστε στο έτος 1968. Με βάση την τεχνολογία της εποχής οι σχεδιαστές του CADC είχαν 3 επιλογές για την κατασκευή του.

  1. TTL bi-polar
  2. MOS chip modules (and, or gates και flip-flops)
  3. LSI ολοκληρωμένα

Η τεχνολογία TTL bi-polar απορρίφτηκε εξαιτίας του μεγάλου αριθμού τους που χρειαζόταν και της υψηλής κατανάλωσης. Τα MOS τσιπ επίσης απορρίφτηκαν εξαιτίας του μεγάλου αριθμού και χώρου που χρειάζονταν για να πετύχουν την απαραίτητη υπολογιστική ισχύ. Τελικά αναγκάστηκαν να χρησιμοποιήσουν μια σχετικά νέα, για την εποχή, τεχνολογία P-Channel MOS, που θεωρούνταν τότε “state-of-the-art “. Οι λόγοι που οδήγησαν σε αυτήν την επιλογή ήταν η υψηλή πυκνότητα των P-Channel MOS, η χαμηλή απαίτηση ισχύος και το χαμηλό κόστος τους. Για την κατασκευή των ολοκληρωμένων τελικά επιλέχτηκε η εταιρεία American Microsystems λόγο της εμπειρίας της στην σχεδίαση ολοκληρωμένων για πελάτες,  της ικανότητας της να προσφέρει εξαιρετικά ικανούς μηχανικούς, της αποδεδειγμένης ικανότητας της στην τεχνολογία P-MOS και τέλος της προθυμίας για συνεργασία.

Το τελικό αποτέλεσμα ήταν ένας γενικής χρήσης υπολογιστής 20bit, πολλαπλών επεξεργαστών τεχνολογίας pipelined. Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) του CDDC αποτελούνταν από 6 διαφορετικά τσιπ. Το chipset, με το όνομα MP944, αποτελούνταν από τα παρακάτω:

  1. Parallel Multiplier Unit (PMU)
  2. Parallel Divider Unit (PDU)
  3. Random Access Storage (RAS)
  4. Read Only Memory (ROM)
  5. Special Logic Function (SLF)
  6. Steering Logic Unit (SLU)

Το πλήρες σύστημα περιείχε μια PMU, μια PDU, μια SLF, τρεις RASs, τρεις SLUs και 19 ROMs.
Ο συνολικός αριθμός των τρανζίστορ του υπολογιστή έφτασε τα 74.442 από τα οποία τα 62.092 χρησιμοποιήθηκαν για τις αποθηκευμένες εντολές του προγράμματος στην ROM. Τα υπόλοιπά μέρη που συνέθεταν τον CADC ήταν 2 αισθητήρες quartz, ένας 20-bit υψηλής ακρίβειας analog-to-digital μετατροπέας, ένας 20-bit υψηλής ακρίβειας digital-to-analog μετατροπέας και μία πολύ αποδοτική μονάδα ισχύος.

Ο CADC σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στην Garrett AiResearch από μια ομάδα 25 ατόμων με επικεφαλείς τους Steve Geller και Ray Holt και με την υποστήριξη της American Microsystems. Η σχεδίαση ξεκίνησε το 1968 και ολοκληρώθηκε τον Ιούνιο του 1970, κερδίζοντάς τον ανταγωνισμό από μια σειρά ηλεκτρομηχανικών συστημάτων που σχεδιάστηκαν επίσης για το F-14A. Η πρώτη πτήση του πρωτότυπου Νο.1 έγινε στις 21 Δεκεμβρίου 1970. Συνολικά κατασκευάστηκαν 557 F14A.

Για το τέλος αυτής της παρουσίασης αφήσαμε την γνώμη ενός εκ των 2 σχεδιαστών του CADC, του Raymond Holt.

Η λεπτή γραμμή ανάμεσα σε ένα μίνι υπολογιστή, έναν μικροϋπολογιστή ή έναν μικροεπεξεργαστή αποτέλεσε σημείο τριβής για πολλά χρόνια καθώς η ποσότητα των μονάδων που πληρούσαν τους παραπάνω ορισμούς ήταν μικρή και οι άνθρωποι που ασχολούνταν με αυτούς ακόμα λιγότεροι. Καθώς η αγορά των μικρών υπολογιστικών συσκευών άρχισε να επεκτείνεται, η Intel κατάφερε να κυριαρχήσει σε αυτήν. Κατά συνέπεια, η αντίληψη που υπάρχει σήμερα, είναι ότι πριν την έλευση του 4004, το 1971, δεν υπήρχαν υπολογιστές ή άλλες συσκευές υψηλής ολοκλήρωσης. Στην πραγματικότητα το 1971 ήταν σχεδόν 2 χρόνια μετά την έναρξη της σχεδίασης του CADC και ως σχεδιαστής του παίρνω το θάρρος να τον ονομάσω ως τον πρώτο μικροεπεξεργαστή, διότι στην πραγματικότητα έτσι τον αποκαλούσαμε.
Ένα σημαντικό επίτευγμα, κάτω από πολύ αυστηρούς περιορισμούς, με μια τεράστια ομάδα, για ένα αεροσκάφος παγκόσμιας κλάσης.

nkary

nkary

Κλάιν μάιν που λέμε και στη Θεσσαλονίκη. Άντε να γράψω για μένα. Μεγάλωσα με τα πισίζ αν και μεγάλη μου αγάπη ήταν και παραμένει η κούκλα A500. Ασχολούμαι μόνο με strategy games (ναι υπάρχουμε και εμείς!! ακόμη) μιας και η ηλικία δεν επιτρέπει πλέον συγκινήσεις του τύπου FPS. Απεχθάνομαι τις κονσόλες εκτός από μια. Αυτήν που ήταν πισί ;)

2 thoughts on “Ο ΠΡΩΤΟΣ ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ – ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΛΗΘΕΙΑΣ ?

  • NiCkeD
    October 1, 2012 at 1:28 pm
    Permalink

    Δηλαδή ότι μαθαίναμε απο σχολές, περιοδικά, βιβλία κλπ για τον 4004 μπορεί να είναι “κατόπιν εορτής”!
    Ιδιαίτερο και απολαυστικό άρθρο!

  • dR_wH0
    October 1, 2012 at 1:53 pm
    Permalink

    Όχι μπορεί. Είναι σχεδόν σίγουρο. Απλά ο άνθρωπος πραγματικά αδικήθηκε λόγω του Στρατιωτικού Απορρήτου.

Leave a Reply