芯思想 | 一文带你了解四位微处理器

微处理器由一片或少数几片大规模集成电路组成，能完成读取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，所以其基本组成部分有算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logical Unit）；累加器（accumulator）和通用寄存器（register）；程序计数器（也叫指令指标器）；时序和控制逻辑部件；数据与地址锁存器 / 缓冲器；内部总线。
 

微处理器从 20 世纪 60 年代未开始出现，到今天已经无处不在，无论是手机、可穿戴设备等智能电子产品，还是汽车，数控机床，导弹，航空航天，等都要嵌入各类不同的微处理器。
 

根据微处理器的应用领域，可以分为三类：通用高性能微处理器、嵌入式微处理器和数字信号处理器、微控制器(MCU)。
 

根据微处理器处理信息的字长，有 4 位、8 位、16 位、32 位、64 位微处理器。早期的微处理器（16 位及以前）生产厂商鱼龙混杂，不只 INTEL，还有 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，从 Pentium 到其 PRO 版，II 代、III 代，IV 代等等，AMD 和 VIA 等虽然好好学习，但还是难以撼动 Intel 的霸主地位。

下面我们开始踏上 4 位微处理器时代之旅，让我们了解一下 4 位时代的精典产品。
 

虽然微处理器直到 1970 年才出现，但是 1969 年 7 月美国登月飞船“阿波罗 11 号”就采用了复杂的计算系统，包括姿态控制、制导导航系统以及船载计算机等。这些复杂的计算系统吸引了美国各大公司投身其中，纷纷力争推出自己的计算机产品来取代对方。
 

在 20 世纪 70 年代开发 4 位微处理器的公司有 Mitre、Garrett AiResearch、Intel、TI、Fairchild、Rockwell、NEC、National Semiconductor 等。
 

2140
1968 年多名从 Mitre 公司离职的工程师创建了 Viatron 计算机公司，于 1969 年发明了第一个基于 LSI 技术的 4 位微处理器 2140。

MP944
MP944 是第一个航空航天微处理器，也是第一个军用微处理器，还是第一个完全集成芯片组微处理器。

1968 年 Garrett AiResearch 开始研制一种数字计算机，以同正在开发中的用于美国海军 F-14 雄猫战斗机的主飞行控制电脑的电机系统竞争。1970 年 6 月，美国 Garrett AiResearch 的 Steve Geller 和 Ray Holt 发明了基于 MOS-LSI 技术的产品，由 6 颗芯片组成（两个顶级的石英传感器，一个 20 位高精度的模数字转换器 A/D，一个 20 位高精度数模转换器 D/A，一个 MOS-LSI 芯片组，一个高效的电源单元），命名为 MP944。该芯片仅约 40 平方英寸（约 25000 平方毫米），频率达 375KHz，以更小的体积和更高的可靠性打败了基于电机系统的设计，被运用于美国海军早期的所有雄猫战斗机(TomCat fighter，包括 F-14 雄猫战机)，1970 年第一架使用 MP944 的 F-14 飞机试飞；由于美国军方认为这种技术太过先进而不允许将其设计细节公开，直到 1998 年才得以揭开其面纱。
 

TMS1000
1971 年 9 月 17 日，TI(TexasInstruments，德州仪器)的 Gary Boone 和 Michael Cochran 开发出以预编程嵌入式应用(pre-programmed embedded applications)为主打技术的 4 位微处理器 TMS 1000，采用 DIP28 封装；1973 年 9 月 4 日 Gary Boone 获得了单片微处理器的美国专利，专利号是 3757306；1974 年 TI(德州仪器)再推单芯片 4 位微处理器 -TMS1802NC，广泛应用于公司的袖珍计算器中，为计算机领域带来新的动力。

4004
1971 年 11 月 15 日，Intel(英特尔)推出第一款商用 4 位微处理器 -4004，采用硅栅 PMOS 10μm 工艺生产，Die Size 芯片面积只有 13.5mm2，集成了 2.25K 个晶体管，采用 CDIP16 封装，4004 包括一个四位的平行加法器、十六个四位的缓存器、一个储存器(accumulator)与一个下推堆栈(push-down stack)，由 Federico Faggin(1970 年加入英特尔，后来创立了 ZILOG 公司)和 Marcian E．Hoff(霍夫，昵称 Ted Hoff)设计。该芯片于 1981 年停产。

用 4004 芯片，配上 4001（40 字节的动态内存 DRAM）、4002（256 字节的只读存储器 ROM）、4003（10 位的移位寄存器芯片 Register），再加上键盘和数码管，就构成了一台完整的微型计算机 MCS-4。
 

最初的 Intel 4004 微处理器采用金顶白色陶瓷封装，后期才出现了普通黑陶瓷以及塑料封装（Intel 生产早期微处理器的惯例：）金顶白陶 4004 又分为普通白陶、灰色痕迹白陶、5 系白陶三类。其中，灰色痕迹白陶瓷版最为珍贵。

PPS-25
其他 1972 年 Fairchild 推出 4 位微处理器 PPS-25，是一款多芯片微处理器，频率 200KHz，采用 PMOS 工艺。

PPS-4
1972 年 8 月 Rockwell 发布 4 位微处理器 PPS-4，频率 200KHz，采用 PMOS 工艺，封装采用 QUIP(Quad-In-Line)，42 引脚封装。被用于计算，控制和游戏应用。

μCOM 4
1973 年日本 NEC 公司推出 4 位微处理器，频率达 1MHz，采用 NMOS 技术生产，集成了 2500 个晶体管。

IMP-4
美国国家半导体(NSC)推出的首款微处理器，频率 500 kHz，采用 NMOS 技术生产。

4040
1974 年 11 月 Intel(英特尔)推出 4 位微处理器 -4040，使用 PMOS 硅栅 10 制程，集成 3,000 个晶体管，频率 740kHz，使用 4 到 5.185 MHz 石英震荡器，运行速度 0.06 MIPS， 4040 采用陶瓷和塑料 DIP24 封装。

总结报告：初期的四位微处理器都是采用 NMOS 或 PMOS 工艺，线宽都在 8-10μm ，200K-1M 之间，且以多芯片。

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