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Intel的第一款CPU長啥樣?

OpenFPGA ? 來源:OpenFPGA ? 作者:OpenFPGA ? 2021-05-14 09:22 ? 次閱讀

今天,當(dāng)我們坐在電腦前沉浸在游戲中,和遠(yuǎn)在他鄉(xiāng)的女友、朋友、家人聊天和語音,在互聯(lián)網(wǎng)上沖浪、查找資料,通過網(wǎng)絡(luò)購買自己喜歡的圖書和零食,這一切目前都覺得如此地愜意和自得。但是今天的一切,也許大部分都想不到,為了這一些是多少人前赴后繼,付出了可歌可泣的貢獻(xiàn)才得到地。

最近,HW HarmonyOS又沖上熱搜,大家都希望中國又一款自主可控的國產(chǎn)系統(tǒng),實現(xiàn)操作系統(tǒng)的“彎道超車”,回顧中國歷史上的操作系統(tǒng)有很多不堪回首的事件,但是曾經(jīng)發(fā)生的事情和有過的經(jīng)歷,卻可以讓我們更加珍惜這來之不易的幸福。而了解成功人/事的歷史,更可讓我們受益菲淺。 現(xiàn)在就讓我?guī)Т蠹胰セ仡櫼幌拢@有趣而又激勵人心的輝煌歷史。

古老CPU啟示錄-Intel4004

News Watch

如今8位單片機的用途越來越少了,32位單片機越來越常見,但是你見過4-bit的CPU嗎?

1969年,日本計算機公司英特爾合作,為其新的Busicom 141-PF *打印計算器設(shè)計12種定制芯片。英特爾工程師提出了一個只有四個芯片的家族,其中一個可以編程用于多種產(chǎn)品,從而激發(fā)了工程學(xué)的壯舉,極大地改變了電子學(xué)的發(fā)展方向。 當(dāng)時Intel給出的解決方案是一套四塊芯片組成的微型計算機,稱為MCS-4。

它包括一個中央處理單元(CPU)芯片-4004,以及一個用于定制應(yīng)用程序的支持的只讀存儲器(ROM)芯片,一個用于處理數(shù)據(jù)的隨機存取存儲器(RAM)芯片以及一個移位存儲-輸入/輸出(I / O)端口寄存器芯片。從上面看出和目前商用計算機組成基本沒什么變化,可是那時候是1971年,感嘆其偉大!

英特爾生產(chǎn)了三種主要的源代碼變體:C4004,D4004和P4004。在英特爾C4004是待制造的第一芯片; 它具有白色陶瓷包裝本身上可見的灰色痕跡。C4004的生產(chǎn)一直持續(xù)到1976年中,開始生產(chǎn)Intel D4004。D4004具有塑料黑色陶瓷包裝。在英特爾P4004是塑料包裝的版本。

自1975年中以來,美國國家半導(dǎo)體公司和日立公司已經(jīng)開發(fā)了一些輔助資源。美國國家半導(dǎo)體生產(chǎn)了兩個版本:INS4004J和INS4004D。所述INS4004J是16針黑,陶瓷DIP,而INS4004D版本是16引腳側(cè)面釬焊,陶瓷DIP。另一個來源是HD35404所作日立。第三個來源是國際微系統(tǒng)公司(Microsystems International),該公司實際上是從1970年中期開始制造該芯片的增強版本的(也于1971年推出)。 幾種“變形體”的區(qū)別:

Manufacturer Model Package
Intel C4004 16-pin Ceramic DIP
Intel D4004 16-pin Ceramic DIP
Intel P4004 16-pin Plastic DIP
National Semiconductor INS4004D 16-pin Ceramic DIP
National Semiconductor INS4004J 16-pin side-brazed Ceramic DIP
Hitachi HD35404 16-pin DIP
Microsystems International MF7114 ?


4004具有16個引腳,用于I / O,存儲控制器時鐘相位,電源和復(fù)位。

引腳和說明
別針 # 引腳名稱 目的 解釋
1個 D0 雙向數(shù)據(jù)總線引腳 與ROM和RAM的地址和數(shù)據(jù)通信發(fā)生在D0-D3上。
2個 D1
3 D2
4 D3
5 VSS 主要供應(yīng)
6 時鐘階段1 時鐘輸入
7 時鐘階段2
8 同步 ROM和RAM同步 通過發(fā)信號通知時鐘在上升沿來同步ROM和RAM。
9 重啟 重置標(biāo)志 邏輯1清除所有處理器狀態(tài)寄存器,并強制程序計數(shù)器跳到地址0x0。RESET信號必須至少打開64個時鐘周期才能生效。
10 測試 測試邏輯狀態(tài) 信號可以通過JCN指令進(jìn)行測試。
11 光盤 CM-ROM輸出 ROM選擇信號,用于從內(nèi)存中檢索數(shù)據(jù)。
12 VDD VSS-15±5%
13 CM-RAM3 CM-ROM輸出 系統(tǒng)中4002 RAM芯片的存儲體選擇信號。
14 CM-RAM2
15 CM-RAM1
16 CM-RAM0

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

News Watch

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寄存器組

News Watch

名稱 大小(bits)
Accumulator 4
Carry/Link 1
索引寄存器 Index Registers ( IR ) (4+4)*8
程序寄存器 Program Counter ( PC ) 12
程序寄存器 Program Counter ( PC ) 12
堆棧指針 Stack Pointer ( Stack ) 12*3
臨時寄存器 TEMP.REG 4
INSTRUCTION REGISTER 8

指令集

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(帶 * 號的是雙字指令,需要兩個指令周期(1指令周期 = 8時鐘周期))

基礎(chǔ)指令
HEX 助記符 指令字1 指令字2 功能
00 NOP 0000 0000
1 *JCN 0001 CCCC AAAA AAAA 當(dāng)條件C成立,跳轉(zhuǎn)到當(dāng)前ROM頁的A地址
2 *FIM 0010 RRR0 DDDD DDDD 取當(dāng)前頁D地址處的數(shù)據(jù),送至IR的R號寄存器對內(nèi)
3 FIN 0011 RRR0 取IR中第0寄存器對數(shù)據(jù)作為ROM頁內(nèi)地址,將數(shù)據(jù)送至IR寄存器的R號寄存器對內(nèi)
3 JIN 0011 RRR1 將IR中R號寄存器對內(nèi)數(shù)據(jù)作為間接跳轉(zhuǎn)地址進(jìn)行跳轉(zhuǎn)
4 *JUN 0100 AAAA AAAA AAAA 無條件跳轉(zhuǎn)至地址A
5 *JMS 0101 AAAA AAAA AAAA 無條件跳轉(zhuǎn)至地址A,將原地址保存在堆棧SP中
6 INC 0110 RRRR RRRR寄存器+1
7 *ISZ 0111 RRRR AAAA AAAA RRRR寄存器+1,如果結(jié)果不為0,跳轉(zhuǎn)至頁內(nèi)地址A
8 ADD 1000 RRRR AC=AC+RRRR+C
9 SUB 1001 RRRR AC=AC-RRRR-C
A LD 1010 RRRR AC=RRRR
B XCH 1011 RRRR AC與RRRR交換
C BBL 1100 DDDD 借助堆棧地址返回,AC=DDDD
D LDM 1101 DDDD AC=DDDD
F0 CLB 1111 0000 AC=0,C=0
F1 CLC 1111 0001 C=0
F2 IAC 1111 0010 AC=AC+1
F3 CMC 1111 0011 C=~C
F4 CMA 1111 0100 AC=~AC
F5 RAL 1111 0101 {C,AC}向左循環(huán)平移一位
F6 RAR 1111 0110 {C,AC}向右循環(huán)平移一位
F7 TCC 1111 0111 AC=C, C=0
F8 DAC 1111 1000 AC=AC-1
F9 TCS 1111 1001 當(dāng)C=0,AC=1001當(dāng)C=1,AC=1010
FA STC 1111 1010 C=1
FB DAA 1111 1011 對AC執(zhí)行BCD修正
FC KBP 1111 1100 對AC進(jìn)行獨熱碼到二進(jìn)制轉(zhuǎn)換若輸入非法值,AC=1111
FD DCL 1111 1101 使用AC的低3位進(jìn)行轉(zhuǎn)換頁AC=000時選擇CM0其他情況以三位分別控制
I/O與RAM指令
2 SRC 0010 RRR1 分別在指令周期的X2與X3處將R寄存器保存的頁內(nèi)地址送至ROM和RAM
E0 WRM 1110 0000 將AC寫入選中的RAM主字符( 4位 )中
E1 WMP 1110 0001 將AC寫入選中的RAM端口中( 注:MCS-4中,RAM/ROM亦用作IO端口 )
E2 WRR 1110 0010 將AC寫入選中的ROM端口中
E3 WPM 1110 0011 將AC寫入選中的可讀寫程序存儲器中( 搭配4008/4009/4289使用 )
E4 WR0 1110 0100 將AC寫入選中的RAM的0號狀態(tài)字符中
E5 WR1 1110 0101 將AC寫入選中的RAM的1號狀態(tài)字符中
E6 WR2 1110 0110 將AC寫入選中的RAM的2號狀態(tài)字符中
E7 WR3 1110 0111 將AC寫入選中的RAM的3號狀態(tài)字符中
E8 SBM 1110 1000 {C,AC}=AC-C-選中的RAM主字符
E9 RDM 1110 1001 將選中的RAM主字符寫入AC
EA RDR 1110 1010 將選中的ROM輸入端口數(shù)據(jù)寫入AC
EB ADM 1110 1011 {C,AC}=AC+C+選中的RAM主字符
EC RD0 1110 1100 將選中的RAM的0號狀態(tài)字符寫入AC
ED RD1 1110 1101 將選中的RAM的1號狀態(tài)字符寫入AC
EE RD2 1110 1110 將選中的RAM的2號狀態(tài)字符寫入AC
EF RD3 1110 1111 將選中的RAM的3號狀態(tài)字符寫入AC

以上就是Intel公司首款商用處理器,Intel原本只是造存儲器的一家小公司,因為日本Busicom公司(造計算器)的小看,從此Intel慢慢轉(zhuǎn)型進(jìn)入微處理器的市場,一發(fā)不可收拾成。4004是Intel歷史性的標(biāo)志。

MCS-4就是4004處理器+4001ROM+4002RAM+4003SR的組合,微型計算機就是多塊芯片的集合,中央處理器用來負(fù)責(zé)控制和管理,下一講我們將講解MCS-4微型計算機,看看這一牛逼的微型計算機。

總結(jié)

News Watch

總結(jié)一下,Intel 4004有什么先進(jìn)性值得學(xué)習(xí)?

1、英特爾4004成為市場上第一個通用可編程處理器—工程師可以購買并使用軟件進(jìn)行定制以在各種電子設(shè)備中執(zhí)行不同功能的“基石”; 2、體積小巧,盡管在1971年,這款革命性的微處理器只有一個指甲大小,具有與1946年制造的第一臺電子計算機相同的計算能力,該電子計算機占據(jù)了整個房間。

3、與當(dāng)今產(chǎn)品通常使用的12英寸晶圓相比,第一個Intel4004微處理器是在2英寸晶圓上生產(chǎn)的。英特爾4004微處理器的獨特之處在于,它是有史以來投入商業(yè)生產(chǎn)的最小的微處理器設(shè)計之一。

4、1971年,英特爾4004處理器裝有2,300個晶體管。到2010年,具有32納米處理管芯和第二代高k金屬柵極硅技術(shù)的英特爾酷睿處理器可容納5.6億個晶體管。

5、英特爾4004微處理器電路的線寬為10微米或10,000納米。如今,英特爾微處理器的電路功能范圍在45至10納米之間。相比之下,人的平均頭發(fā)寬度為100,000納米。

位數(shù)/頻率:4bit/6萬次

頻率/前端總線:108KHZ/0.74MHz (4bit)

封裝/針腳數(shù)量:陶瓷DIP,塑封DIP / 16針

核心技術(shù)/晶體管數(shù)量:10微米 / 225

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參考鏈接:https://www.4004.com/busicom-replica.html

http://www.intel4004.com/

http://e4004.szyc.org/

https://en.wikichip.org/wiki/intel/mcs-4

編輯:jq

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原文標(biāo)題:Intel的第一款CPU長啥樣?Intel 4-Bit的CPU簡介

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