高芯圈 芯片半导体资讯网 全球第一个微处理器之争!

全球第一个微处理器之争!

作者:匿名    来源:未知   
浏览:671    发布:2021-12-10 10:10:53

高芯圈 高芯圈

我们这个行业喜欢第一,尽管“第一”并不一定能赢得市场。但有时候第一个进入市场的人也确实会获胜。那就代表着有时不会。当谈到微处理器时,也一直有多路势力在争夺第一名的吹嘘权。


通常,争论围绕着三个竞争者展开:


Intel 4004 微处理器,MCS-4 芯片组的一部分


AiResearch MP944MP944


Four-Phase AL1,微处理器芯片组中的一个芯片


这些都是微处理器。问题是,这些中哪一个是第一个?是第一个什么?第一个微处理器?第一个单片机?什么是微处理器?其实当中设计很多问题。


自 1975 年以来,笔者一直在为微处理器设计系统。自 1978 年以来,笔者也一直在撰写有关它们的文章。在他看来,微处理器需要:


一个执行算术和逻辑运算的 ALU


一个寄存器组,包括数据寄存器、地址寄存器、控制/状态寄存器、堆栈寄存器或堆栈指针寄存器和指令寄存器


程序计数器


取指令机制和程序定序器


指令解码器(可以使用一个或多个微码级别进行解码)


一个总线接口


如果所有这六个元素都存在,我称之为微处理器。如果所有这六个元素都存在于一块硅上,我称之为单芯片微处理器。其他人似乎有其他定义,但这些是我的。


争议就在这里。按照我的定义,Intel 4004、AiResearch MP944 和四相 AL1 都是微处理器。根据我的定义,英特尔 4004 于 1969 年和 1970 年开发,但在 1971 年 11 月才公开发布,是三款符合单芯片微处理器条件的唯一一款。我相信有人会为此与我争论。但伙计们,请继续阅读,务必阅读整篇文章。


英特尔 MCS-4 的设计非常优雅,是创建嵌入式系统的理想芯片组。它的 4 位方向(orientation)非常适合 Busicom 的预期用途——制作桌面计算器——因为它是为 BCD(二进制编码的十进制)算术而设计的。英特尔 4004 架构做出的重大改变之一是将 Masatoshi Shima 的计算器设计从面向十进制(所有机械计算器都使用十进制轮进行计算,并且算术算法很好理解)转变为面向 BCD。这是 Ted Hoff 对原始问题的出色转变,需要将所有内容都放在一个芯片上。Hoff 的架构展示了对正在解决的问题的深刻数学洞察力。


因此,MCS-4 芯片组非常适合在机器/人机交互区域处理数字的任何机器。这定义了几乎所有的嵌入式系统。机器不太喜欢 BCD——他们喜欢纯二进制数——但人类需要看到十进制数字。BCD 是妥协。如果你愿意,它是一个数字世界语。


HP Loveland在1970 年代开发的,包括 HP 9825 和 9845在内的设备被称为台式计算器,。他们有 3-chip, 16-bit、混合处理器,其中 BCD 算法内置在混合芯片的第三个芯片中,即扩展数学芯片。当时,BCD 被广泛用于高精度的浮点计算。但是如果你想走得快,你需要使用有很多位的二进制数。这就是该行业努力开发 32 位和 64 位微处理器的原因之一。


英特尔做出了许多妥协,将 4004 微处理器的内部结构塞进了 16 针 DIP。也许最大的妥协是 4 位双向总线,它使用多路复用方案传输地址、指令和数据。该总线没有像后续处理器那样具有单独的地址和数据总线。它只有一个带有同步引脚的 4 位总线,用于指定每个指令周期的开始。


例如,在取指令期间,同步周期将表示指令取回的开始,接下来的三个总线周期将是地址传输,以 4 位块(4-bit chunks.)为单位。然后,ROM 将在接下来的两个周期内以 4 位块的形式将 8 位指令放置到总线上。


由于可用引脚数量有限且总线多路复用,Intel 4004 微处理器需要三个总线周期来生成地址,并且需要两个或更多总线周期来加载 8 位或 16 位指令。地址、指令和数据都必须通过 4 位总线。


数据表现更好。因为它是一个以 BCD 为中心的机器,所以 4 位总线是理想的。然而,与 ROM 和 RAM 进行数据交易的地址仍然需要三个总线周期来进行地址传输。结果,整体系统性能受到影响。


英特尔 4004 慢得像molasses,但对于预期用途来说是可以的:电子桌面计算器。它仍然比机电前辈快得多。


这些妥协迫使英特尔创建了一个围墙花园。当时可用的标准 RAM 和 ROM 具有简单的并行总线,带有单独的地址和数据线。这些设备与 Intel 4004 的总线结构不直接兼容。英特尔 MCS-4 芯片组(分别为 4001、4002 和 4003)中的 RAM、ROM 和 I/O 芯片都需要实现特殊的总线接口逻辑,以驻留在 4004 微处理器的围墙花园中。


(注:MCS-4 芯片组有作弊码。4001 ROM 和 4002 RAM 芯片监控总线,识别和解码 I/O 指令,并执行针对其集成 I/O 端口的指令。因此有轻微的指令解码分布在三个芯片上,但 4004 微处理器仍然包含了我所有的六个关键处理器元素。4004 仍然是世界上第一个单芯片微处理器,无论设计妥协所带来的缺点。)


所以尽管有围墙花园,我很高兴将英特尔 4004 指定为第一个单芯片微处理器。它在一个芯片上拥有微处理器所需的一切:ALU、寄存器组、程序计数器、指令解码器、获取机制、程序定序器和总线接口。这一切都在一块硅上,这在很大程度上要归功于 Federico Faggin 的硅魔法。他在这个和随后的微处理器设计上的才华超越了天才。


AiResearch MP944 则在经过几年的开发后,最终于 1970 年 6 月完成。它显然是一款微处理器芯片组,起码的共同发明人 Ray Holt 是一直这样称呼它,他维护着一个很棒的网站,称为“ The World’s First Microprocessor.”。该组中的六个芯片是乘法器单元、除法器单元、特殊逻辑单元、转向单元、ROM 和 RAS(RAM)。乘法器和除法器单元是早期的协处理器化身,是Holt设计的众多创新之一。MP944 的关键处理器组件分布在芯片组中的多个芯片上。该系列中的任何一个芯片都不能作为完整的处理器工作。你要证据?阅读 Ray Holt 从 1971 年开始发表的原始论文,我们会发现直到几十年后才知道这种微处理器,因为它被用于实施中央空中数据计算机,该计算机控制美国海军 F-14 Tomcat 摆动翼战斗机的机翼俯仰。这是一个机密项目,到1998 年才解密。


您必须进行大量挖掘才能了解 1969 年首次出现的Four-Phase AL1的真相。根据现有信息,我对 AL1 的分析是,它被设计为位片(bit/byte slice )。在这种情况下,具有寄存器文件和 ALU 的 8 位切片。这比五年多后出现的 4 位 AMD 2901 复杂得多。


位片是微处理器的一部分。它不能单独作为微处理器运行。AL1 是用于构建 Four-Phase算机处理器的 12 芯片组的一部分。Four-Phase使用三个 AL1 来形成 24 位 ALU 和寄存器组,但您需要芯片组的其余 IC 来完成处理器。如果没有其他芯片,AL1 片就不能作为处理器工作,我相信这些芯片包括取指单元、指令寄存器、指令解码器、中断控制器和系统总线接口。


也许你会问,不是有一个著名的诉讼演示证明 AL1 确实是一个微处理器吗?是的,确实有。TI(德州仪器)拥有多项基于其微控制器和微处理器工作的专利。该公司收取使用这些专利的许可费,并向几家公司提起诉讼,在本案中需要提一下的是戴尔,因为TI 于 1990 年对戴尔提起专利诉讼。


Four-Phase Systems 的创始人之一 Lee Boysel 在诉讼中担任戴尔的专家证人。他用 AL1 开发了一个物理演示来证明现有技术,并于 1992 年向法庭演示了该系统。Four-Phase 演示使 AL1 芯片看起来和工作起来像一个微处理器,以建立现有技术。


Boysel 演示系统中的 40 针 AL1 芯片通过 40 针带状电缆连接到塑料封装的 RAM、ROM 和 I/O 块。这是一个屏幕截图,摘自 Boysel 2016 年题为“为有抱负的企业家创造第一百万和其他技巧”的演讲,该演讲是在他的母校密歇根大学的课堂上制作的,其中显示了一张 Boysel 用于诉讼的演示系统的照片:

 

Four-Phase 创始人兼专家证人 Lee Boysel 在 TI v Dell 微处理器诉讼中展示的 AL1 Demo 系统照片


这张照片中演示系统的 RAM/ROM 和 I/O 块在我看来就像早期的任天堂视频游戏卡带。它们由灰色塑料制成——不透明的灰色塑料。事实上,真正的 Demo 系统在计算机历史博物馆的档案中,这个神器上的文件说墨盒壳实际上来自一个超级任天堂的视频游戏。我认为这些卡带的不透明度,尤其是 ROM 卡带,对于这个 Demo 系统的目的来说可能非常重要。


我无法证明,但我猜测 AL1 演示是一个技术魔术技巧  。我不能说这是故意误导,因为我不知道动机,但在我看来确实很粗略。由 Four-Phase 的创始人之一和 AL1 的发明者 Lee Boysel 出版的题为“法庭演示系统:1969 年 AL1 微处理器”的文件在计算机历史博物馆的收藏中,其中包含演示系统的框图,其中显示了 AL1 芯片的连接演示系统的 RAM、ROM 和 I/O 块。这是图表:


我从这个框图和Demo系统的照片中看到了一个经典的魔法装置。


任何魔术都有两部分:装置和表演。魔术师在舞台上表演魔术,但魔术行业也有一群高薪的幕后人员,他们只是梦想并制造使魔术成为可能的设备。


魔术表演的主要工具之一是视觉误导:欺骗人们看错东西,并认为他们看到了一些没有发生的事情。如果你看到一个标有“ROM”的大贴纸的塑料盒,你自然会认为里面有一个ROM。如果您在单调的灰色盒子旁边看到带有闪亮金色引线的白色芯片,则您将注意力集中在闪亮的物体上,而很少注意灰色盒子。这是人性,魔术靠它。


该框图清楚地显示了从外部 ROM 检索的 24 位指令字如何进入标有“AL1 指令寄存器”的块。存储在“AL1 指令寄存器”中的指令然后驱动寄存器的输出引脚,这些引脚直接控制芯片的 ALU 并选择寄存器文件的源和目标。


这是我在这张图中没有看到的:指令解码器、程序计数器或获取机制。


从这张图中,我得出的结论是,标有“AL1指令寄存器”的框实际上是一个微码寄存器,Demo系统中外挂的ROM实际上是作为一个微码ROM运行的。这可信吗?至少有一些四相计算机是微编码机器吗?带着这个问题,谷歌很快找到了答案。是的,四相的 4000 系列和 6000 系列计算机确实是带有 48 位微码 ROM 的微码机器。


这是 Lee Boysel传记的引述,该传记出现在密歇根大学的网站上:


“Boysel 在 1960 年代和 1970 年代开发了一些最早的概念并发表了一些关于计算机体系结构的第一篇文章,包括 MOS ROM CPU 微码控制、RAM 信息的直接视频显示和单双向总线结构——今天微处理器的所有主要部分设计。他还参与了半导体行业第一个 A/D 芯片、第一个静态和动态 MOS ROM、第一个并行 ALU 和第一个 DRAM 的设计和制造。有些技术是在 Fairchild 完成的,有些是在 Four Phase Systems 完成的。”


Boysel 显然对微码了解很多。


这个Demo系统中的程序计数器在哪里?它没有出现在AL1框图中,我不认为它在AL1芯片上。我想它一定是在别的地方。在这里,我想说一下,我认为程序计数器必须位于标有“ROM”的灰色塑料盒内。


指令解码器在哪里?它也不在 AL1 框图中。我无法证明,但我认为 Boysel 用于为 Demo 系统生成软件的汇编程序必须直接为 ROM 生成微码。当位片处理器设计流行时,微码汇编器曾经更加普遍。那是 1980 年代,就在 Boysel 构建此演示之前。我认为演示的灰色塑料“ROM”盒中的 ROM 包含微代码,基本上是预解码的指令。


请不要误会。使用微码解码微处理器指令是完全合法的。许多非常成功的微处理器使用基于微码的指令解码器。例如,摩托罗拉 68000 微处理器使用多个微码级别来解码机器指令。但是,如果该微代码存在于芯片外,那么根据我的定义,该芯片就不能是单芯片微处理器。


Ken Shirriff 在其题为“德州仪器 TMX 1795:(几乎)第一个被遗忘的微处理器”的极其详尽的博客中证实了我的怀疑。通过仔细阅读他的网站,我可以看出 Shirriff 显然是一位经验丰富的计算机历史学家和逆向工程芯片方面的专家。给他一张骰子照片,他可以告诉你骰子上有什么。


Shirriff 分析了 TI/Dell 诉讼期间提交的 AL1 芯片显微照片,并发现了另一个惊喜。框图中显示的“AL1 指令寄存器”实际上并不存在于芯片中。寄存器应该驻留在芯片上的只有电线,这进一步证实了 AL1 没有指令寄存器。这是完全有道理的。根据上面的框图,进出 AL1 的唯一途径是通过“AL1 指令寄存器”。这意味着来自 AL1 的 ALU 部分的数据必须通过所谓的指令寄存器传入和传出芯片。然而,指令寄存器从来都不是双向的。电线当然是。我得出的结论是,演示系统中的 ROM 盒直接通过带状电缆将微代码驱动到 ALU 和寄存器文件。


这些分析都没有削弱Boysel的许多成就。AL1 芯片组无疑提升了最先进的计算技术。Boysel 在他的演讲中声称四相在其竞争中领先三年。这大概是很准确的。


我强烈建议您观看 Boysel 2016 年的有趣演示。本演示的最后一部分涉及四相微处理器中使用的 AL1 和相关芯片。Boysel 在他的演讲中说,英特尔 4004 无疑是第一个商业微处理器。那是因为 Four-Phase 只在电路板上销售其处理器芯片,封装在完整的计算机系统中。处理器本身不出售。Boysel 拒绝向竞争对手出售如此有价值的技术。


“微处理器不是凭空出现的,”Boysel在他的演讲中说。他是对的,当然。Boysel 还说,TI 的专家证人在他们发现 AL1 演示系统时折叠了他们的帐篷并且不会作证。


案件结案。


Boysel 是否足够敏锐以唤起我怀疑的那种宏伟的技术幻觉?他有足够的动力去做那件事吗?Lee Boysel 在今年2021 年 4 月 25 日去世。所以我不能直接问他。然而,这里引用了他在旧金山纪事报上的讣告:


“这些年来确保这项技术掌握在他的手中,用他的话来说,'John Q Public' 是 Buff 最引以为豪的,也是他最怀念的。” (他的朋友称他为“Buff”。)


我建议您观看视频,然后自己决定。我知道我如何投票。毫无疑问,Boysel 在微处理器领域几乎没有得到应有的赞誉。

需要找芯片半导体行业人才或者芯片半导体行业职位,请直接站内注册登录或者站内联系我们。高芯圈是芯片半导体行业的人才求职招聘网站平台,提供求职招聘、人才筛选、薪酬报告、人事外包等服务与解决方案,芯片半导体行业人才与职位尽在高芯圈。
高芯圈
芯片半导体职位来 高芯圈
登录 / 注册