Если бы вы занимались производством конкретного устройства на основе ИС, вероятно, использовали бы печатную плату. В былые времена ее мог изготовить даже любитель. Плата — это пластина с отверстиями, покрытая тонким слоем медной фольги. Те участки фольги, которые требуется сохранить, покрываются кислотостойким веществом, после чего остальная часть протравливается кислотой. Затем вы можете припаять гнезда ИС (или сами ИС) непосредственно к медному покрытию. Однако из-за большого количества взаимосвязей между ИС оставшейся области медной фольги обычно оказывается недостаточно, поэтому изготавливаемые промышленным способом печатные платы имеют несколько уровней межсоединений.
К началу 1970-х стало возможным использовать ИС для сборки компьютерного процессора целиком на единой плате. А размещение всего процессора в одном чипе было лишь вопросом времени. Несмотря на то что компания Texas Instruments запатентовала однокристальный компьютер в 1971 году, честь его создания принадлежит компании Intel, основанной в 1968 году бывшими сотрудниками Fairchild Semiconductors Робертом Нойсом и Гордоном Муром. Первым важным продуктом компании Intel в 1970 году стал чип памяти с наибольшей на тот момент емкостью 1024 бит.
Компания Intel занималась разработкой микросхем для программируемого калькулятора, который собиралась производить японская Busicom, когда ее инженеры решили использовать другой подход. Как отметил инженер Intel Тед Хофф, «вместо калькулятора с возможностью программирования я хотел создать компьютер общего назначения, запрограммированный на выполнение функций калькулятора». Это привело к разработке Intel 4004, первого «компьютера в чипе», или микропроцессора. Продажи микросхемы 4004 начались в ноябре 1971 года, она содержала 2300 транзисторов. (Согласно закону Мура, микропроцессоры, созданные 18 лет спустя, должны содержать примерно в 4000 раз больше транзисторов, или около десяти миллионов. Это предсказание оказалось довольно точным.)
Теперь, когда вам известно количество транзисторов в микросхеме 4004, опишу еще три важные характеристики.
Во-первых, схема 4004 — это 4-разрядный микропроцессор, следовательно, ширина шины данных процессора составляла всего четыре бита. При сложении или вычитании чисел он был способен обрабатывать только четыре бита за один такт. Напротив, компьютер, разработанный в главе 17, имеет 8-разрядные шины данных и является 8-разрядным процессором. Как мы вскоре увидим, 8-разрядные микропроцессоры быстро превзошли 4-разрядные. Однако на этом никто не остановился. В конце 1970-х годов появились 16-разрядные микропроцессоры. Если вы вспомните компьютер из главы 17 и несколько команд, необходимых для сложения двух 16-разрядных чисел с помощью 8-разрядного процессора, то оцените преимущество 16-разрядного процессора. В середине 1980-х были разработаны 32-разрядные микропроцессоры, которые с тех пор остаются стандартом для домашних компьютеров.
Во-вторых, максимальная тактовая частота микросхемы 4004 составляла 108 тысяч циклов в секунду, или 108 килогерц. Тактовая частота — это максимальная скорость тактового генератора, который можно подключить к микропроцессору, чтобы заставить его работать. Более высокая скорость может привести к некорректной работе. К 1999 году тактовая частота микропроцессоров, предназначенных для домашних компьютеров, достигла отметки 500 мегагерц, что примерно в 5000 раз быстрее по сравнению с аналогичным показателем микросхемы 4004.
В-третьих, объем адресуемой памяти микросхемы 4004 составлял 640 байт. Хотя это значение кажется смехотворно маленьким, оно соответствовало емкости микросхем памяти того времени. Как вы увидите далее, уже спустя два года микропроцессоры могли обращаться к 64 килобайтам памяти, что соответствует возможностям компьютера из главы 17. В 1999 году микропроцессоры Intel могли обращаться к 64 терабайтам памяти, однако это слишком много, учитывая, что оперативная память большинства домашних компьютеров не превышала 256 мегабайт.
Эти три показателя ничего не говорят о возможностях компьютера. Например, 4-разрядный процессор может складывать 32-разрядные числа, просто разделяя их на 4-разрядные фрагменты. В некотором отношении все цифровые компьютеры одинаковы. Если аппаратное обеспечение одного процессора может решить задачу, которая не под силу другому, третий способен справиться с задачей с помощью программного обеспечения; в конечном итоге все они делают одно и то же. Именно это подразумевалось в статье Алана Тьюринга 1937 года о вычислимости.
Быстродействие — одна из самых важных причин, по которой мы вообще используем компьютеры. Максимальная тактовая частота оказывает очевидное влияние на общую скорость работы процессора, поскольку определяет быстроту выполнения каждой команды. Ширина шины данных процессора также влияет на его быстродействие. Несмотря на то что 4-разрядный процессор способен складывать 32-разрядные числа, при решении этой задачи он сильно уступает 32-разрядному. Тем не менее вы можете не сразу осознать, какое влияние на быстродействие оказывает максимальный объем адресуемой памяти процессора. Поначалу может показаться, что адресуемая память не имеет ничего общего со скоростью работы, а вместо этого указывает на ограничение способности процессора выполнять определенные функции, которые могут потребовать большого объема памяти. Однако процессор всегда может обойти этот предел, используя некоторые адреса памяти, чтобы управлять другими средствами для сохранения и извлечения информации. (Представьте, что каждый байт, записанный в конкретную ячейку памяти, — это фактически отверстие, пробитое в бумажной ленте, а каждый байт, считанный из этой ячейки, считывается с ленты.) Однако этот процесс замедляет работу всего компьютера. Снова проблема в быстродействии. Конечно, эти три показателя лишь примерно отражают скорость работы микропроцессора. Они ничего не сообщают о внутренней архитектуре микропроцессора или об эффективности и возможностях команд, написанных на машинном языке. По мере усложнения процессоров многие распространенные задачи, ранее выполнявшиеся программным обеспечением, включались в функционал самого процессора. В следующих главах приведу примеры, отражающие эту тенденцию.
Все цифровые компьютеры обладают одинаковыми возможностями. Они не могут делать ничего, что выходило бы за пределы потенциала примитивной вычислительной машины, разработанной Аланом Тьюрингом. При этом скорость процессора, конечно же, влияет на общую полезность компьютерной системы. Например, любой компьютер, который считает медленнее, чем человеческий мозг, является бесполезным. И мы вряд ли сможем посмотреть фильм на экране современного компьютера, если процессору потребуется целая минута для того, чтобы нарисовать один кадр.
Вернемся в середину 1970-х. Несмотря на свои ограничения, микросхема 4004 стала началом новой эпохи. К апрелю 1972 года компания Intel выпустила микросхему 8008 — 8-разрядный микропроцессор с тактовой частотой 200 килогерц и адресуемой памятью объемом 16 килобайта. (Видите, как легко описать процессор с помощью всего лишь трех параметров?) А в 1974 году в течение пятимесячного периода компании Intel и Motorola выпустили микропроцессоры, превосходящие по своим характеристикам микросхему 8008. Эти два микропроцессора изменили мир.
Глава 19Два классических микропроцессора
Микропроцессор, представляющий собой совокупность всех компонентов центрального процессорного устройства (ЦПУ), объединенных на одной кремниевой микросхеме, появился в 1971 году. Начало было скромным: первый микропроцессор Intel 4004 содержал около 2300 транзисторов. Сегодня количество транзисторов в микропроцессорах, предназначенных для домашних компьютеров, приблизилось к отметке в десять миллионов.
Тем не менее принцип его работы на фундаментальном уровне остался прежним. Огромное количество дополнительных транзисторов в современных чипах может выполнять интересные функции; на первых этапах изучения оно скорее отвлекает, чем проясняет ситуацию. Для четкого представления работы микропроцессора рассмотрим его первые версии.
Микропроцессоры, о которых пойдет речь, появились в 1974 году. В апреле Intel представила свою микросхему 8080, а в августе Motorola, которая с начала 1950-х годов занималась производством полупроводников и транзисторных устройств, выпустила микросхему 6800. В тот год на рынке появились не только эти микропроцессоры. Тогда же компания Texas Instruments представила свою 4-разрядную микросхему TMS1000, которая устанавливалась во многие калькуляторы, игрушки и другие устройства, а National Semiconductor выпустила первый 16-разрядный микропроцессор PACE. Оглядываясь назад, можно сказать, что микросхемы 8080 и 6800, безусловно, сыграли наиболее значимую роль в истории развития вычислительной техники.
Компания Intel начала продавать микросхему 8080 по цене 360 долларов США, как бы подтрунивая над мейнфреймами System/360 компании IBM, на которые крупные корпорации тратили миллионы долларов. Нельзя сказать, что микросхема 8080 могла тягаться с мейнфреймом System/360, однако в последующие несколько лет IBM не могла обойти вниманием эти миниатюрные компьютеры.
Чип 8080 — это 8-разрядный микропроцессор, который содержит около 6000 транзисторов, работает с тактовой частотой два мегагерца и может адресовать 64 килобайта памяти. Микросхема 6800 содержит около 4000 транзисторов и тоже может адресовать 64 килобайта памяти. Первые чипы 6800 работали на частоте один мегагерц, но к 1977 году Motorola представила их усовершенствованные версии, работавшие с частотой 1,5 и 2 мегагерца.
Микросхемы 8080 и 6800 называются однокристальными микропроцессорами, или однокристальными компьютерами. Процессор — это только один из компонентов компьютера. В дополнение к нему требуются по крайней мере некоторое оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), какой-то способ, позволяющий пользователю записать информацию в компьютер (устройство ввода), а также извлечь ее из него (устройство вывода). Кроме того, необходимо еще несколько других микросхем для объединения всех компонентов. Я опишу их подробнее в главе 21.