microprocessador -Microprocessor

Texas Instruments TMS1000
Motorola 6800 (MC6800)
Um moderno processador x86-64 de 64 bits (AMD Ryzen 5 2600, baseado em Zen+ , 2017)
Processador AMD Ryzen 7 1800X (2016, baseado no Zen ) em um soquete AM4 em uma placa-mãe

Um microprocessador é um processador de computador onde a lógica e o controle de processamento de dados estão incluídos em um único circuito integrado ou em um pequeno número de circuitos integrados. O microprocessador contém os circuitos aritméticos, lógicos e de controle necessários para executar as funções da unidade central de processamento de um computador. O circuito integrado é capaz de interpretar e executar instruções de programa e realizar operações aritméticas. O microprocessador é um circuito integrado digital multifuncional, acionado por relógio , baseado em registradores , que aceita dados binários como entrada, processa-os de acordo com as instruções armazenadas em sua memória., e fornece resultados (também em formato binário) como saída. Os microprocessadores contêm lógica combinacional e lógica digital sequencial e operam em números e símbolos representados no sistema numérico binário .

A integração de uma CPU inteira em um único ou alguns circuitos integrados usando Very-Large-Scale Integration (VLSI) reduziu muito o custo do poder de processamento. Os processadores de circuito integrado são produzidos em grande número por processos de fabricação de semicondutores de óxido de metal (MOS) altamente automatizados , resultando em um preço unitário relativamente baixo . Os processadores de chip único aumentam a confiabilidade porque há muito menos conexões elétricas que podem falhar. À medida que os projetos de microprocessadores melhoram, o custo de fabricação de um chip (com componentes menores construídos em um chip semicondutor do mesmo tamanho) geralmente permanece o mesmo de acordo com a lei de Rock .

Antes dos microprocessadores, os computadores pequenos eram construídos usando racks de placas de circuito com muitos circuitos integrados de média e pequena escala , tipicamente do tipo TTL . Os microprocessadores combinaram isso em um ou alguns CIs de grande escala . O primeiro microprocessador comercialmente disponível foi o Intel 4004 introduzido em 1971.

Os aumentos contínuos na capacidade do microprocessador tornaram outras formas de computadores quase completamente obsoletas (veja a história do hardware de computação ), com um ou mais microprocessadores usados ​​em tudo, desde os menores sistemas embarcados e dispositivos portáteis até os maiores mainframes e supercomputadores .

Estrutura

Um diagrama de blocos da arquitetura do microprocessador Z80 , mostrando a seção aritmética e lógica , arquivo de registro , seção lógica de controle e buffers para endereço externo e linhas de dados

A complexidade de um circuito integrado é limitada por limitações físicas no número de transistores que podem ser colocados em um chip, no número de terminações de pacotes que podem conectar o processador a outras partes do sistema, no número de interconexões que é possível fazer no chip e o calor que o chip pode dissipar . O avanço da tecnologia torna viável a fabricação de chips mais complexos e poderosos.

Um microprocessador hipotético mínimo pode incluir apenas uma unidade lógica aritmética (ALU) e uma seção lógica de controle . A ALU realiza adição, subtração e operações como AND ou OR. Cada operação da ULA configura um ou mais flags em um registrador de status , que indicam os resultados da última operação (valor zero, número negativo, estouro , ou outros). A lógica de controle recupera os códigos de instrução da memória e inicia a sequência de operações necessárias para que a ULA execute a instrução. Um único código de operação pode afetar muitos caminhos de dados individuais, registros e outros elementos do processador.

À medida que a tecnologia de circuitos integrados avançava, era viável fabricar processadores cada vez mais complexos em um único chip. O tamanho dos objetos de dados ficou maior; permitir mais transistores em um chip permitiu que o tamanho das palavras aumentasse de palavras de 4 e 8 bits até as palavras atuais de 64 bits . Recursos adicionais foram adicionados à arquitetura do processador; mais registradores no chip aceleravam os programas, e instruções complexas podiam ser usadas para fazer programas mais compactos. A aritmética de ponto flutuante , por exemplo, muitas vezes não estava disponível em microprocessadores de 8 bits, mas tinha que ser realizada em software . A integração da unidade de ponto flutuante , primeiro como um circuito integrado separado e depois como parte do mesmo chip microprocessador, acelerou os cálculos de ponto flutuante.

Ocasionalmente, as limitações físicas dos circuitos integrados tornavam necessárias práticas como uma abordagem de bit slice . Em vez de processar toda uma palavra longa em um circuito integrado, vários circuitos em paralelo processavam subconjuntos de cada palavra. Embora isso exigisse lógica extra para lidar, por exemplo, com carry e overflow dentro de cada slice, o resultado foi um sistema capaz de lidar, por exemplo, com palavras de 32 bits usando circuitos integrados com capacidade para apenas quatro bits cada.

A capacidade de colocar um grande número de transistores em um chip torna viável a integração de memória na mesma matriz do processador. Esse cache da CPU tem a vantagem de acesso mais rápido do que a memória off-chip e aumenta a velocidade de processamento do sistema para muitas aplicações. A frequência do clock do processador aumentou mais rapidamente do que a velocidade da memória externa, portanto, a memória cache é necessária se o processador não for atrasado por uma memória externa mais lenta.

Projetos para fins especiais

Um microprocessador é uma entidade de propósito geral. Vários dispositivos de processamento especializados seguiram:

Considerações sobre velocidade e potência

Intel Core i9-9900K (2018, baseado em Coffee Lake )

Os microprocessadores podem ser selecionados para diferentes aplicações com base em seu tamanho de palavra, que é uma medida de sua complexidade. Tamanhos de palavras mais longos permitem que cada ciclo de clock de um processador realize mais computação, mas correspondem a matrizes de circuitos integrados fisicamente maiores com maior espera e consumo de energia operacional . Processadores de 4, 8 ou 12 bits são amplamente integrados em microcontroladores que operam sistemas embarcados. Quando se espera que um sistema lide com volumes maiores de dados ou exija uma interface de usuário mais flexível , são usados ​​processadores de 16, 32 ou 64 bits. Um processador de 8 ou 16 bits pode ser selecionado em vez de um processador de 32 bits para aplicações de sistema em um chip ou microcontrolador que requerem eletrônica de potência extremamente baixa ou fazem parte de um circuito integrado de sinal misto com chip sensível a ruído eletrônicos analógicos , como conversores analógicos para digitais de alta resolução, ou ambos. A execução de aritmética de 32 bits em um chip de 8 bits pode acabar usando mais energia, pois o chip deve executar software com várias instruções.

Aplicativos incorporados

Milhares de itens que tradicionalmente não eram relacionados a computadores incluem microprocessadores. Estes incluem eletrodomésticos , veículos (e seus acessórios), ferramentas e instrumentos de teste, brinquedos, interruptores/dimmers e disjuntores elétricos , alarmes de fumaça, baterias e componentes audiovisuais de alta fidelidade (de DVD players a toca- discos fonográficos ) . Produtos como telefones celulares, sistemas de vídeo DVD e sistemas de transmissão HDTV requerem fundamentalmente dispositivos de consumo com microprocessadores poderosos e de baixo custo. Padrões de controle de poluição cada vez mais rigorosos exigem efetivamente que os fabricantes de automóveis usem sistemas de gerenciamento de motores microprocessados ​​para permitir o controle ideal das emissões nas condições operacionais amplamente variadas de um automóvel. Controles não programáveis ​​exigiriam implementação volumosa ou cara para alcançar os resultados possíveis com um microprocessador.

Um programa de controle de microprocessador ( software embarcado ) pode ser adaptado para atender às necessidades de uma linha de produtos, permitindo atualizações de desempenho com o mínimo de reprojeto do produto. Recursos exclusivos podem ser implementados em vários modelos da linha de produtos a um custo de produção insignificante.

O controle por microprocessador de um sistema pode fornecer estratégias de controle que seriam impraticáveis ​​de implementar usando controles eletromecânicos ou controles eletrônicos específicos. Por exemplo, o sistema de controle de um motor de combustão interna pode ajustar o ponto de ignição com base na velocidade do motor, carga, temperatura e qualquer tendência observada de detonação, permitindo que o motor opere em uma variedade de tipos de combustível.

História

O advento de computadores de baixo custo em circuitos integrados transformou a sociedade moderna . Microprocessadores de uso geral em computadores pessoais são usados ​​para computação, edição de texto, exibição de multimídia e comunicação pela Internet . Muitos outros microprocessadores fazem parte de sistemas embarcados , fornecendo controle digital sobre uma miríade de objetos, de eletrodomésticos a automóveis, telefones celulares e controle de processos industriais . Os microprocessadores executam operações binárias baseadas na lógica booleana , em homenagem a George Boole . A capacidade de operar sistemas de computador usando lógica booleana foi comprovada pela primeira vez em uma tese de 1938 pelo aluno de mestrado Claude Shannon , que mais tarde se tornou professor. Shannon é considerado "O Pai da Teoria da Informação".

Após o desenvolvimento de chips de circuito integrado MOS no início da década de 1960, os chips MOS atingiram maior densidade de transistores e custos de fabricação mais baixos do que os circuitos integrados bipolares em 1964. Os chips MOS aumentaram ainda mais em complexidade a uma taxa prevista pela lei de Moore , levando à integração em larga escala (LSI) com centenas de transistores em um único chip MOS no final dos anos 1960. A aplicação de chips MOS LSI à computação foi a base para os primeiros microprocessadores, pois os engenheiros começaram a reconhecer que um processador de computador completo poderia estar contido em vários chips MOS LSI. Designers no final dos anos 1960 estavam se esforçando para integrar as funções da unidade de processamento central (CPU) de um computador em um punhado de chips MOS LSI, chamados chipsets de unidade de microprocessador (MPU).

O primeiro microprocessador produzido comercialmente foi o Intel 4004 , lançado como um único chip MOS LSI em 1971. O microprocessador de chip único tornou-se possível com o desenvolvimento da tecnologia MOS silício-gate (SGT). Os primeiros transistores MOS tinham portas de metal de alumínio , que o físico italiano Federico Faggin substituiu por portas auto-alinhadas de silício para desenvolver o primeiro chip MOS de porta de silício na Fairchild Semiconductor em 1968. Faggin mais tarde se juntou à Intel e usou sua tecnologia MOS de porta de silício para desenvolver o 4004, junto com Marciano Hoff , Stanley Mazor e Masatoshi Shima em 1971. O 4004 foi projetado para a Busicom , que havia proposto um design multi-chip em 1969, antes que a equipe de Faggin na Intel o mudasse para um novo design de chip único. A Intel introduziu o primeiro microprocessador comercial, o Intel 4004 de 4 bits , em 1971. Logo foi seguido pelo microprocessador Intel 8008 de 8 bits em 1972.

Outros usos incorporados de microprocessadores de 4 e 8 bits, como terminais , impressoras , vários tipos de automação etc., vieram logo depois. Microprocessadores de 8 bits acessíveis com endereçamento de 16 bits também levaram aos primeiros microcomputadores de uso geral a partir de meados da década de 1970.

O primeiro uso do termo "microprocessador" é atribuído à Viatron Computer Systems descrevendo o circuito integrado personalizado usado em seu pequeno sistema de computador System 21 anunciado em 1968.

Desde o início da década de 1970, o aumento da capacidade dos microprocessadores seguiu a lei de Moore ; isso originalmente sugeria que o número de componentes que podem ser instalados em um chip dobra a cada ano. Com a tecnologia atual, na verdade é a cada dois anos e, como resultado, Moore posteriormente mudou o período para dois anos.

Primeiros projetos

Esses projetos entregaram um microprocessador mais ou menos na mesma época: o Central Air Data Computer (CADC) de Garrett AiResearch (1970), o TMS 1802NC da Texas Instruments (setembro de 1971) e o Intel 4004 (novembro de 1971, baseado em um Busicom anterior de 1969). Projeto). Indiscutivelmente, o microprocessador Four-Phase Systems AL1 também foi entregue em 1969.

Sistemas de quatro fases AL1 (1969)

O Four-Phase Systems AL1 era um chip fatiado de 8 bits contendo oito registradores e uma ALU. Ele foi projetado por Lee Boysel em 1969. Na época, fazia parte de uma CPU de 24 bits e nove chips com três AL1s. Mais tarde, foi chamado de microprocessador quando, em resposta ao litígio de 1990 pela Texas Instruments , Boysel construiu um sistema de demonstração onde um único AL1 fazia parte de um sistema de computador de demonstração do tribunal, juntamente com RAM, ROM e um dispositivo de entrada-saída.

Garrett Ai Research CADC (1970)

Em 1968, Garrett AiResearch (que empregou os designers Ray Holt e Steve Geller) foi convidado a produzir um computador digital para competir com sistemas eletromecânicos então em desenvolvimento para o principal computador de controle de vôo do novo caça F-14 Tomcat da Marinha dos EUA . O projeto foi concluído em 1970 e usava um chipset baseado em MOS como CPU principal. O design era significativamente (aproximadamente 20 vezes) menor e muito mais confiável do que os sistemas mecânicos com os quais competia e foi usado em todos os primeiros modelos do Tomcat. Este sistema continha "um multi-microprocessador paralelo de 20 bits com pipeline ". A Marinha recusou-se a permitir a publicação do projeto até 1997. Lançado em 1998, a documentação sobre o CADC e o chipset MP944 são bem conhecidos. A história autobiográfica de Ray Holt sobre este projeto e desenvolvimento é apresentada no livro: The Accidental Engineer.

Ray Holt se formou na California Polytechnic University em 1968 e começou sua carreira de design de computadores no CADC. Desde o início, foi envolto em sigilo até 1998, quando, a pedido de Holt, a Marinha dos EUA permitiu que os documentos caíssem em domínio público. Holt afirmou que ninguém comparou este microprocessador com os que vieram depois. De acordo com Parab et al. (2007),

Os trabalhos científicos e a literatura publicados por volta de 1971 revelam que o processador digital MP944 usado para a aeronave F-14 Tomcat da Marinha dos EUA se qualifica como o primeiro microprocessador. Embora interessante, não era um processador de chip único, como não era o Intel 4004 – ambos eram mais como um conjunto de blocos de construção paralelos que você poderia usar para criar um formulário de uso geral. Ele contém uma CPU, RAM , ROM e dois outros chips de suporte como o Intel 4004. Ele foi feito com a mesma tecnologia de canal P , operado em especificações militares e tinha chips maiores – um excelente design de engenharia de computação para qualquer padrão. Seu design indica um grande avanço em relação à Intel, e dois anos antes. Ele realmente funcionou e estava voando no F-14 quando o Intel 4004 foi anunciado. Isso indica que o tema atual da indústria de DSP convergente - arquiteturas de microcontroladores foi iniciado em 1971.

Essa convergência de arquiteturas DSP e microcontroladoras é conhecida como controlador de sinal digital .

Pico/Instrumento Geral

O chip PICO1/GI250 introduzido em 1971: Foi projetado pela Pico Electronics (Glenrothes, Escócia) e fabricado pela General Instrument of Hicksville NY.

Em 1971, a Pico Electronics and General Instrument (GI) apresentou sua primeira colaboração em ICs, uma calculadora completa de chip único IC para a calculadora Monroe/Litton Royal Digital III. Este chip também poderia reivindicar ser um dos primeiros microprocessadores ou microcontroladores com ROM , RAM e um conjunto de instruções RISC no chip. O layout das quatro camadas do processo PMOS foi desenhado à mão em escala x500 em filme mylar, uma tarefa significativa na época, dada a complexidade do chip.

Pico foi um spin-out de cinco engenheiros de design de GI cuja visão era criar ICs de calculadora de chip único. Eles tinham uma experiência significativa em design anterior em vários chipsets de calculadora com GI e Marconi-Elliott . Os principais membros da equipe foram originalmente encarregados pela Elliott Automation de criar um computador de 8 bits em MOS e ajudaram a estabelecer um Laboratório de Pesquisa MOS em Glenrothes , Escócia, em 1967.

As calculadoras estavam se tornando o maior mercado único de semicondutores, então Pico e GI passaram a ter um sucesso significativo nesse mercado florescente. A GI continuou a inovar em microprocessadores e microcontroladores com produtos como CP1600, IOB1680 e PIC1650. Em 1987, o negócio GI Microelectronics foi desmembrado no negócio de microcontroladores Microchip PIC .

Intel 4004 (1971)

O 4004 com a tampa removida (esquerda) e como realmente usado (direita)

O Intel 4004 é geralmente considerado como o primeiro verdadeiro microprocessador construído em um único chip, com preço de US$ 60 (equivalente a US$ 400 em 2021). O primeiro anúncio conhecido para o 4004 é datado de 15 de novembro de 1971 e apareceu na Electronic News . O microprocessador foi projetado por uma equipe composta pelo engenheiro italiano Federico Faggin , os engenheiros americanos Marciano Hoff e Stanley Mazor e o engenheiro japonês Masatoshi Shima .

O projeto que produziu o 4004 teve origem em 1969, quando a Busicom , uma fabricante japonesa de calculadoras, pediu à Intel que construísse um chipset para calculadoras de desktop de alto desempenho . O projeto original da Busicom exigia um conjunto de chips programável composto por sete chips diferentes. Três dos chips deveriam fazer uma CPU de propósito especial com seu programa armazenado em ROM e seus dados armazenados na memória de leitura/gravação do registrador de deslocamento. Ted Hoff , o engenheiro da Intel designado para avaliar o projeto, acreditava que o design do Busicom poderia ser simplificado usando armazenamento dinâmico de RAM para dados, em vez de memória de registro de deslocamento, e uma arquitetura de CPU de uso geral mais tradicional. Hoff apresentou uma proposta de arquitetura de quatro chips: um chip ROM para armazenar os programas, um chip RAM dinâmico para armazenar dados, um dispositivo de E/S simples e uma unidade de processamento central (CPU) de 4 bits. Apesar de não ser um designer de chips, ele sentiu que a CPU poderia ser integrada em um único chip, mas como ele não tinha o conhecimento técnico, a ideia permaneceu apenas um desejo por enquanto.

Primeiro microprocessador da Intel, o 4004

Enquanto a arquitetura e as especificações do MCS-4 vieram da interação de Hoff com Stanley Mazor , um engenheiro de software subordinado a ele, e com o engenheiro da Busicom, Masatoshi Shima , durante 1969, Mazor e Hoff passaram para outros projetos. Em abril de 1970, a Intel contratou o engenheiro italiano Federico Faggin como líder do projeto, um movimento que acabou tornando realidade o design final da CPU de chip único (Shima, enquanto isso, projetou o firmware da calculadora Busicom e auxiliou Faggin durante os primeiros seis meses de implementação). Faggin, que originalmente desenvolveu a tecnologia de porta de silício (SGT) em 1968 na Fairchild Semiconductor e projetou o primeiro circuito integrado comercial do mundo usando SGT, o Fairchild 3708, tinha o histórico correto para liderar o projeto no que se tornaria o primeiro microprocessador comercial de uso geral . Como o SGT foi sua própria invenção, Faggin também o usou para criar sua nova metodologia para projeto de lógica aleatória que tornou possível implementar uma CPU de chip único com velocidade, dissipação de energia e custo adequados. O gerente do Departamento de Design MOS da Intel era Leslie L. Vadász na época do desenvolvimento do MCS-4, mas a atenção de Vadász estava completamente focada no negócio principal de memórias de semicondutores, então ele deixou a liderança e o gerenciamento do projeto MCS-4 para Faggin , que foi responsável por liderar o projeto 4004 para sua realização. As unidades de produção do 4004 foram entregues pela primeira vez à Busicom em março de 1971 e enviadas para outros clientes no final de 1971.

Texas Instruments TMX 1795 (1970-1971)

Junto com a Intel (que desenvolveu o 8008 ), a Texas Instruments desenvolveu em 1970-1971 um substituto de CPU de um chip para o terminal Datapoint 2200 , o TMX 1795 (mais tarde TMC 1795). Como o 8008, foi rejeitado pelo cliente Datapoint. De acordo com Gary Boone, o TMX 1795 nunca chegou a ser produzido. Como foi construído com a mesma especificação, seu conjunto de instruções era muito semelhante ao Intel 8008.

Texas Instruments TMS 1802NC (1971)

O TMS1802NC foi anunciado em 17 de setembro de 1971 e implementou uma calculadora de quatro funções. O TMS1802NC, apesar de sua designação, não fazia parte da série TMS 1000 ; foi posteriormente redesenhado como parte da série TMS 0100, que foi usada na calculadora TI Datamath. Embora comercializado como uma calculadora em um chip, o TMS1802NC era totalmente programável, incluindo no chip uma CPU com uma palavra de instrução de 11 bits, 3520 bits (320 instruções) de ROM e 182 bits de RAM.

Gilbert Hyatt

Gilbert Hyatt recebeu uma patente reivindicando uma invenção anterior à TI e à Intel, descrevendo um "microcontrolador". A patente foi posteriormente invalidada, mas não antes do pagamento de royalties substanciais.

desenhos de 8 bits

O Intel 4004 foi seguido em 1972 pelo Intel 8008 , o primeiro microprocessador de 8 bits do mundo. O 8008 não era, no entanto, uma extensão do design do 4004, mas sim a culminação de um projeto de design separado na Intel, decorrente de um contrato com a Computer Terminals Corporation , de San Antonio TX, para um chip para um terminal que eles estavam projetando, o Datapoint 2200 —aspectos fundamentais do design não vieram da Intel, mas do CTC. Em 1968, Vic Poor e Harry Pyle da CTC desenvolveram o projeto original para o conjunto de instruções e operação do processador. Em 1969, a CTC contratou duas empresas, Intel e Texas Instruments , para fazer uma implementação de chip único, conhecida como CTC 1201. No final de 1970 ou início de 1971, a TI desistiu por não conseguir fazer uma peça confiável. Em 1970, com a Intel ainda para entregar a peça, a CTC optou por usar sua própria implementação no Datapoint 2200, usando a lógica TTL tradicional (assim, a primeira máquina a executar o "código 8008" não era de fato um microprocessador e foi entregue um ano antes). A versão do microprocessador 1201 da Intel chegou no final de 1971, mas era tarde demais, lenta e exigia vários chips de suporte adicionais. A CTC não tinha interesse em usá-lo. A CTC originalmente contratou a Intel para o chip e devia US $ 50.000 (equivalente a US $ 334.552 em 2021) pelo trabalho de design. Para evitar pagar por um chip que eles não queriam (e não podiam usar), a CTC liberou a Intel de seu contrato e permitiu que eles usassem livremente o design. A Intel o comercializou como 8008 em abril de 1972, como o primeiro microprocessador de 8 bits do mundo. Foi a base para o famoso kit de computador " Mark-8 " anunciado na revista Radio-Electronics em 1974. Este processador tinha um barramento de dados de 8 bits e um barramento de endereços de 14 bits.

O 8008 foi o precursor do bem-sucedido Intel 8080 (1974), que oferecia melhor desempenho em relação ao 8008 e exigia menos chips de suporte. Federico Faggin concebeu e projetou usando MOS de canal N de alta tensão. O Zilog Z80 (1976) também foi um projeto da Faggin, usando canal N de baixa tensão com carga de depleção e processadores derivados da Intel de 8 bits: todos projetados com a metodologia que Faggin criou para o 4004. A Motorola lançou o concorrente 6800 em agosto de 1974, e o semelhante MOS Technology 6502 foi lançado em 1975 (ambos projetados em grande parte pelas mesmas pessoas). A família 6502 rivalizava com o Z80 em popularidade durante a década de 1980.

Um baixo custo geral, pouca embalagem, requisitos simples de barramento de computador e, às vezes, a integração de circuitos extras (por exemplo, circuitos de atualização de memória integrados do Z80 ) permitiram que a "revolução" do computador doméstico acelerasse acentuadamente no início dos anos 80. Isso entregou máquinas tão baratas como o Sinclair ZX81 , vendido por US$ 99 (equivalente a US$ 295,08 em 2021). Uma variação do 6502, o MOS Technology 6510 foi usado no Commodore 64 e ainda outra variante, o 8502, alimentou o Commodore 128 .

O Western Design Center, Inc (WDC) introduziu o CMOS WDC 65C02 em 1982 e licenciou o projeto para várias empresas. Foi usado como CPU nos computadores pessoais Apple IIe e IIc , bem como em marca-passos e desfibriladores médicos implantáveis , automotivos , industriais e de consumo. A WDC foi pioneira no licenciamento de projetos de microprocessadores, mais tarde seguida por ARM (32 bits) e outros provedores de propriedade intelectual (IP) de microprocessadores na década de 1990.

A Motorola introduziu o MC6809 em 1978. Era um projeto de 8 bits ambicioso e bem pensado que era compatível com o 6800 e implementado usando lógica puramente hard-wired (microprocessadores de 16 bits subsequentes normalmente usavam microcódigo até certo ponto, como Os requisitos de projeto do CISC estavam se tornando muito complexos para lógica puramente cabeada).

Outro microprocessador de 8 bits inicial foi o Signetics 2650 , que desfrutou de uma breve onda de interesse devido à sua arquitetura de conjunto de instruções inovadora e poderosa .

Um microprocessador seminal no mundo dos voos espaciais foi o RCA 1802 (também conhecido como CDP1802, RCA COSMAC) (introduzido em 1976), que foi usado a bordo da sonda Galileo para Júpiter (lançada em 1989, chegou em 1995). A RCA COSMAC foi a primeira a implementar a tecnologia CMOS . O CDP1802 foi usado porque podia ser executado com potência muito baixa e porque estava disponível uma variante fabricada usando um processo de produção especial, silício sobre safira (SOS), que forneceu proteção muito melhor contra radiação cósmica e descarga eletrostática do que qualquer outro processador da época. Assim, a versão SOS do 1802 foi considerada o primeiro microprocessador endurecido por radiação .

O RCA 1802 tinha um design estático , o que significava que a frequência do clock poderia ser arbitrariamente baixa, ou até mesmo parada. Isso permitiu que a espaçonave Galileo usasse energia elétrica mínima para longos trechos sem intercorrências de uma viagem. Temporizadores ou sensores despertariam o processador a tempo para tarefas importantes, como atualizações de navegação, controle de atitude, aquisição de dados e comunicação por rádio. As versões atuais do Western Design Center 65C02 e 65C816 também possuem núcleos estáticos e, portanto, retêm dados mesmo quando o relógio está completamente parado.

desenhos de 12 bits

A família Intersil 6100 consistia em um microprocessador de 12 bits (o 6100) e uma variedade de ICs de suporte e memória periféricos. O microprocessador reconheceu o conjunto de instruções do minicomputador DEC PDP-8 . Como tal, às vezes foi referido como o CMOS-PDP8 . Como também foi produzido pela Harris Corporation, também era conhecido como Harris HM-6100 . Em virtude de sua tecnologia CMOS e benefícios associados, o 6100 estava sendo incorporado em alguns projetos militares até o início dos anos 80.

desenhos de 16 bits

O primeiro microprocessador multi-chip de 16 bits foi o National Semiconductor IMP-16 , introduzido no início de 1973. Uma versão de 8 bits do chipset foi introduzida em 1974 como o IMP-8.

Outros microprocessadores multi-chip de 16 bits antigos incluem o MCP-1600 que a Digital Equipment Corporation (DEC) usou no conjunto de placas OEM LSI-11 e o minicomputador PDP-11/03 empacotado - e o Fairchild Semiconductor MicroFlame 9440, ambos introduzidos em 1975-76. Em 1975, a National introduziu o primeiro microprocessador de chip único de 16 bits, o National Semiconductor PACE , que mais tarde foi seguido por uma versão NMOS , o INS8900 .

Outro microprocessador de 16 bits de chip único inicial foi o TMS 9900 da TI , que também era compatível com sua linha de minicomputadores TI-990 . O 9900 foi usado no minicomputador TI 990/4, no computador doméstico Texas Instruments TI-99/4A e na linha TM990 de placas de microcomputador OEM. O chip foi embalado em um grande pacote DIP de cerâmica de 64 pinos , enquanto a maioria dos microprocessadores de 8 bits, como o Intel 8080, usava o DIP de plástico de 40 pinos mais comum, menor e menos caro. Um chip seguinte, o TMS 9980, foi projetado para competir com o Intel 8080, tinha o conjunto completo de instruções TI 990 de 16 bits, usava um pacote plástico de 40 pinos, movia dados 8 bits por vez, mas só podia endereçar 16KB . _ Um terceiro chip, o TMS 9995, tinha um novo design. A família mais tarde se expandiu para incluir o 99105 e o 99110.

O Western Design Center (WDC) introduziu a atualização CMOS 65816 de 16 bits do WDC CMOS 65C02 em 1984. O microprocessador 65816 de 16 bits foi o núcleo do Apple IIGS e mais tarde do Super Nintendo Entertainment System , tornando-o um dos mais designs populares de 16 bits de todos os tempos.

A Intel "upsized" seu design 8080 para o Intel 8086 de 16 bits , o primeiro membro da família x86 , que alimenta a maioria dos computadores modernos do tipo PC . A Intel introduziu o 8086 como uma forma econômica de portar software das linhas 8080, e conseguiu ganhar muitos negócios nessa premissa. O 8088 , uma versão do 8086 que usava um barramento de dados externo de 8 bits, foi o microprocessador do primeiro IBM PC . A Intel lançou então o 80186 e 80188 , o 80286 e, em 1985, o 80386 de 32 bits , consolidando seu domínio no mercado de PCs com a retrocompatibilidade da família de processadores. O 80186 e o ​​80188 eram essencialmente versões do 8086 e 8088, aprimorados com alguns periféricos integrados e algumas novas instruções. Embora os 80186 e 80188 da Intel não fossem usados ​​em projetos do tipo IBM PC, as versões de segunda fonte da NEC, o V20 e o V30 frequentemente eram. O 8086 e seus sucessores tinham um método inovador, mas limitado de segmentação de memória , enquanto o 80286 introduziu uma unidade de gerenciamento de memória segmentada (MMU) com todos os recursos. O 80386 introduziu um modelo de memória plana de 32 bits com gerenciamento de memória paginada.

Os processadores Intel x86 de 16 bits até o 80386, inclusive, não incluem unidades de ponto flutuante (FPUs) . A Intel introduziu os coprocessadores matemáticos 8087 , 80187 , 80287 e 80387 para adicionar recursos de função de ponto flutuante e transcendental de hardware às CPUs 8086 a 80386. O 8087 funciona com o 8086/8088 e 80186/80188, o 80187 funciona com o 80186 mas não com o 80188, o 80287 funciona com o 80286 e o ​​80387 funciona com o 80386. A combinação de uma CPU x86 e um coprocessador x87 forma um microprocessador multi-chip único; os dois chips são programados como uma unidade usando um único conjunto de instruções integrado. Os coprocessadores 8087 e 80187 são conectados em paralelo com os barramentos de dados e endereços de seu processador pai e executam diretamente as instruções destinadas a eles. Os coprocessadores 80287 e 80387 são interfaceados com a UCP através de portas de E/S no espaço de endereçamento da UCP, isto é transparente para o programa, que não precisa conhecer ou acessar essas portas de E/S diretamente; o programa acessa o coprocessador e seus registradores por meio de opcodes de instrução normais.

desenhos de 32 bits

Camadas de interconexão superiores em uma matriz Intel 80486 DX2

Os designs de 16 bits só estavam no mercado brevemente quando as implementações de 32 bits começaram a aparecer.

O mais significativo dos projetos de 32 bits é o Motorola MC68000 , lançado em 1979. O 68k, como era amplamente conhecido, tinha registradores de 32 bits em seu modelo de programação, mas usava caminhos de dados internos de 16 bits, três Aritmética de 16 bits Unidades Lógicas e um barramento de dados externo de 16 bits (para reduzir a contagem de pinos) e suporte externo apenas para endereços de 24 bits (internamente funcionava com endereços completos de 32 bits). Em mainframes compatíveis com IBM baseados em PC, o microcódigo interno MC68000 foi modificado para emular o mainframe System/370 IBM de 32 bits. A Motorola geralmente o descreveu como um processador de 16 bits. A combinação de alto desempenho, grande espaço de memória (16  megabytes ou 2 24  bytes) e custo bastante baixo tornou o design de CPU mais popular de sua classe. Os designs Apple Lisa e Macintosh fizeram uso do 68000, assim como uma série de outros designs em meados da década de 1980, incluindo o Atari ST e o Commodore Amiga .

O primeiro microprocessador de chip único totalmente de 32 bits do mundo, com caminhos de dados de 32 bits, barramentos de 32 bits e endereços de 32 bits, foi o AT&T Bell Labs BELLMAC-32A , com primeiras amostras em 1980 e produção geral em 1982 Após a alienação da AT&T em 1984, ela foi renomeada para WE 32000 (WE para Western Electric ), e teve duas gerações seguintes, a WE 32100 e WE 32200. Esses microprocessadores foram usados ​​nos minicomputadores AT&T 3B5 e 3B15; no 3B2, o primeiro super microcomputador de mesa do mundo; no "Companion", o primeiro laptop de 32 bits do mundo ; e em "Alexander", o primeiro super microcomputador do mundo do tamanho de um livro, com cartuchos de memória ROM semelhantes aos consoles de jogos atuais. Todos esses sistemas executavam o sistema operacional UNIX System V.

O primeiro microprocessador comercial de chip único e totalmente de 32 bits disponível no mercado foi o HP FOCUS .

O primeiro microprocessador de 32 bits da Intel foi o iAPX 432 , que foi lançado em 1981, mas não foi um sucesso comercial. Ele tinha uma arquitetura orientada a objetos baseada em recursos avançados , mas desempenho ruim em comparação com arquiteturas contemporâneas, como o próprio 80286 da Intel (introduzido em 1982), que era quase quatro vezes mais rápido em testes de benchmark típicos. No entanto, os resultados para o iAPX432 foram em parte devido a um compilador Ada apressado e, portanto, abaixo do ideal .

O sucesso da Motorola com o 68000 levou ao MC68010 , que adicionou suporte à memória virtual . O MC68020 , introduzido em 1984, adicionou barramentos completos de dados e endereços de 32 bits. O 68020 tornou-se muito popular no mercado de supermicrocomputadores Unix , e muitas pequenas empresas (por exemplo, Altos , Charles River Data Systems , Cromemco ) produziram sistemas do tamanho de um desktop. O MC68030 foi introduzido em seguida, melhorando o design anterior, integrando o MMU no chip. O sucesso contínuo levou ao MC68040 , que incluiu uma FPU para melhor desempenho em matemática. O 68050 falhou em atingir suas metas de desempenho e não foi lançado, e o MC68060 de acompanhamento foi lançado em um mercado saturado por projetos RISC muito mais rápidos. A família 68k desapareceu de uso no início dos anos 90.

Outras grandes empresas projetaram o 68020 e os seguintes em equipamentos embarcados. A certa altura, havia mais 68020s em equipamentos embarcados do que Intel Pentiums em PCs. Os núcleos do processador ColdFire são derivados do 68020.

Durante esse período (início a meados da década de 1980), a National Semiconductor introduziu um microprocessador interno de 32 bits e pinagem de 16 bits muito semelhante chamado NS 16032 (mais tarde renomeado 32016), a versão completa de 32 bits chamada NS 32032 . Mais tarde, a National Semiconductor produziu o NS 32132 , que permitia que duas CPUs residissem no mesmo barramento de memória com arbitragem integrada. O NS32016/32 superou o MC68000/10, mas o NS32332 – que chegou aproximadamente ao mesmo tempo que o MC68020 – não teve desempenho suficiente. O chip de terceira geração, o NS32532, era diferente. Ele tinha o dobro do desempenho do MC68030, que foi lançado na mesma época. O aparecimento de processadores RISC como o AM29000 e MC88000 (agora ambos mortos) influenciou a arquitetura do núcleo final, o NS32764. Tecnicamente avançado - com um núcleo RISC superescalar, barramento de 64 bits e overclock interno - ele ainda pode executar instruções da Série 32000 por meio de tradução em tempo real.

Quando a National Semiconductor decidiu deixar o mercado Unix, o chip foi redesenhado no processador Swordfish Embedded com um conjunto de periféricos no chip. O chip acabou sendo caro demais para o mercado de impressoras a laser e foi morto. A equipe de design foi para a Intel e lá projetou o processador Pentium, que é muito semelhante ao núcleo NS32764 internamente. O grande sucesso da Série 32000 foi no mercado de impressoras a laser, onde a NS32CG16 com instruções BitBlt microcodificadas teve muito bom preço/desempenho e foi adotada por grandes empresas como a Canon. Em meados da década de 1980, a Sequent introduziu o primeiro computador de classe de servidor SMP usando o NS 32032. Essa foi uma das poucas vitórias do projeto e desapareceu no final da década de 1980. O MIPS R2000 (1984) e R3000 (1989) foram microprocessadores RISC de 32 bits de grande sucesso. Eles foram usados ​​em estações de trabalho e servidores high-end pela SGI , entre outros. Outros projetos incluíam o Zilog Z80000 , que chegou tarde demais ao mercado para ter uma chance e desapareceu rapidamente.

O ARM apareceu pela primeira vez em 1985. Este é um projeto de processador RISC , que desde então passou a dominar o espaço do processador de sistemas embarcados de 32 bits devido em grande parte à sua eficiência de energia, seu modelo de licenciamento e sua ampla seleção de ferramentas de desenvolvimento de sistema. Os fabricantes de semicondutores geralmente licenciam núcleos e os integram em seu próprio sistema em produtos de chip; apenas alguns fornecedores, como a Apple, são licenciados para modificar os núcleos ARM ou criar seus próprios. A maioria dos telefones celulares inclui um processador ARM, assim como uma grande variedade de outros produtos. Existem núcleos ARM orientados a microcontroladores sem suporte à memória virtual, bem como processadores de aplicativos de multiprocessador simétrico (SMP) com memória virtual.

De 1993 a 2003, as arquiteturas x86 de 32 bits tornaram-se cada vez mais dominantes nos mercados de desktops , laptops e servidores, e esses microprocessadores se tornaram mais rápidos e mais capazes. A Intel licenciou as primeiras versões da arquitetura para outras empresas, mas recusou-se a licenciar o Pentium, então a AMD e a Cyrix construíram versões posteriores da arquitetura com base em seus próprios projetos. Durante esse período, esses processadores aumentaram em complexidade (contagem de transistores) e capacidade (instruções/segundo) em pelo menos três ordens de magnitude. A linha Pentium da Intel é provavelmente o modelo de processador de 32 bits mais famoso e reconhecível, pelo menos com o público em geral.

Projetos de 64 bits em computadores pessoais

Embora os designs de microprocessadores de 64 bits tenham sido usados ​​em vários mercados desde o início dos anos 1990 (incluindo o console de jogos Nintendo 64 em 1996), o início dos anos 2000 viu a introdução de microprocessadores de 64 bits voltados para o mercado de PCs.

Com a introdução da AMD de uma arquitetura de 64 bits compatível com x86, x86-64 (também chamado AMD64 ), em setembro de 2003, seguido por extensões de 64 bits quase totalmente compatíveis da Intel (primeiro chamado IA-32e ou EM64T, mais tarde renomeado Intel 64 ), começou a era do desktop de 64 bits. Ambas as versões podem executar aplicativos legados de 32 bits sem qualquer penalidade de desempenho, bem como novos softwares de 64 bits. Com os sistemas operacionais Windows XP x64 , Windows Vista x64, Windows 7 x64, Linux , BSD e macOS que executam 64 bits nativamente, o software também é voltado para utilizar totalmente os recursos de tais processadores. A mudança para 64 bits é mais do que apenas um aumento no tamanho do registrador do IA-32, pois também dobra o número de registradores de uso geral.

A mudança para 64 bits pelo PowerPC foi planejada desde o design da arquitetura no início dos anos 90 e não foi uma das principais causas de incompatibilidade. Os registradores inteiros existentes são estendidos, assim como todos os caminhos de dados relacionados, mas, como foi o caso do IA-32, tanto as unidades de ponto flutuante quanto as unidades vetoriais operaram em 64 bits ou acima por vários anos. Ao contrário do que aconteceu quando o IA-32 foi estendido para x86-64, nenhum novo registrador de uso geral foi adicionado no PowerPC de 64 bits, portanto, qualquer ganho de desempenho ao usar o modo de 64 bits para aplicativos que não usam o espaço de endereço maior é mínimo .

Em 2011, a ARM introduziu a nova arquitetura ARM de 64 bits.

RISC

Em meados da década de 1980 até o início da década de 1990, surgiu uma safra de novos microprocessadores de computador com conjunto de instruções reduzido de alto desempenho ( RISC ), influenciados por designs de CPU discretos semelhantes a RISC, como o IBM 801 e outros. Os microprocessadores RISC foram inicialmente usados ​​em máquinas para fins especiais e estações de trabalho Unix , mas depois ganharam ampla aceitação em outras funções.

O primeiro projeto comercial de microprocessador RISC foi lançado em 1984, pela MIPS Computer Systems , o R2000 de 32 bits (o R1000 não foi lançado). Em 1986, a HP lançou seu primeiro sistema com uma CPU PA-RISC . Em 1987, nos computadores Acorn não Unix ' 32 bits, então sem cache, Acorn Archimedes baseado em ARM2 tornou-se o primeiro sucesso comercial usando a arquitetura ARM , então conhecida como Acorn RISC Machine (ARM); primeiro silício ARM1 em 1985. O R3000 tornou o design realmente prático, e o R4000 introduziu o primeiro microprocessador RISC de 64 bits disponível comercialmente no mundo. Projetos concorrentes resultariam nas arquiteturas IBM POWER e Sun SPARC . Logo todos os principais fornecedores estavam lançando um design RISC, incluindo o AT&T CRISP , AMD 29000 , Intel i860 e Intel i960 , Motorola 88000 , DEC Alpha .

No final da década de 1990, apenas duas arquiteturas RISC de 64 bits ainda eram produzidas em volume para aplicações não embarcadas: SPARC e Power ISA , mas como o ARM se tornou cada vez mais poderoso, no início de 2010, tornou-se a terceira arquitetura RISC no mercado geral. segmento de computação.

SMP e design multi-core

abit placa-mãe bidirecional
Placa-mãe ABIT BP6 com suporte para dois processadores Intel Celeron 366Mhz imagem mostra dissipadores de calor Zalman.
uma placa-mãe de computador com dissipadores de calor zalman anexados
Placa-mãe de dois soquetes Abit BP6 mostrada com dissipadores de calor Zalman Flower.

O multiprocessamento simétrico SMP é uma configuração de duas, quatro ou mais CPUs (em pares) que são normalmente usadas em servidores, determinadas estações de trabalho e em computadores pessoais desktop, desde a década de 1990. Um processador multi-core é uma única CPU que contém mais de um núcleo de microprocessador.

Esta popular placa-mãe de dois soquetes da Abit foi lançada em 1999 como a primeira placa-mãe para PC habilitada para SMP, o Intel Pentium Pro foi o primeiro CPU comercial oferecido a criadores de sistemas e entusiastas. O Abit BP9 suporta duas CPUs Intel Celeron e quando usado com um sistema operacional habilitado para SMP (Windows NT/2000/Linux) muitos aplicativos obtêm desempenho muito maior do que uma única CPU. Os primeiros Celerons são facilmente passíveis de overclock e os amadores usavam esses CPU's relativamente baratos com clock de até 533Mhz - muito além da especificação da Intel. Depois de descobrir a capacidade dessas placas-mãe, a Intel removeu o acesso ao multiplicador em CPUs posteriores.

Em 2001 a IBM lançou o CPU POWER4 , era um processador que foi desenvolvido ao longo de cinco anos de pesquisa, iniciada em 1996 utilizando uma equipe de 250 pesquisadores. O esforço para realizar o impossível foi sustentado pelo desenvolvimento e por meio de colaboração remota e designação de engenheiros mais jovens para trabalhar com engenheiros mais experientes. O trabalho das equipes obteve sucesso com o novo microprocessador, Power4. É uma CPU dois em um que mais que dobrou o desempenho pela metade do preço da concorrência e um grande avanço na computação. A revista de negócios eWeek escreveu: “O recém-projetado 1GHz Power4 representa um tremendo salto em relação ao seu antecessor” . Um analista do setor, Brad Day, do Giga Information Group, disse: “A IBM está ficando muito agressiva e este servidor é um divisor de águas”.

O Power4 ganhou o " Prêmio Analysts' Choice de Melhor Workstation/Server Processor of 2001", e quebrou recordes notáveis, incluindo vencer um concurso contra os melhores jogadores do Jeopardy! programa de televisão norte-americano.

O codinome da Intel Yonah CPU's foi lançado em 6 de janeiro de 2006 e foi fabricado com duas matrizes empacotadas em um módulo multi-chip . Em um mercado muito disputado, a AMD e outros lançaram novas versões de CPUs multi-core, o SMP da AMD permitiu CPUs Athlon MP da linha AthlonXP em 2001, a Sun lançou o Niagara e o Niagara 2 com oito núcleos, o Athlon X2 da AMD foi lançado em junho 2007. As empresas estavam engajadas em uma corrida sem fim por velocidade, de fato, softwares mais exigentes exigiam mais poder de processamento e velocidades de CPU mais rápidas.

Em 2012 , os processadores dual e quad-core tornaram-se amplamente utilizados em PCs e laptops, processadores mais novos - semelhantes aos Intel Xeon de nível profissional de custo mais alto - com núcleos adicionais que executam instruções em paralelo, de modo que o desempenho do software normalmente aumenta, desde que o software seja projetado para utilizar hardware avançado. Os sistemas operacionais fornecem suporte para CPUs de múltiplos núcleos e SMD, muitos aplicativos de software, incluindo grandes cargas de trabalho e aplicativos com uso intensivo de recursos - como jogos 3-D - são programados para aproveitar os sistemas de múltiplos núcleos e multi-CPU.

Apple, Intel e AMD atualmente lideram o mercado com vários núcleos de CPU para desktops e estações de trabalho. Embora eles frequentemente façam hip-hop entre si pela liderança no nível de desempenho. A Intel retém frequências mais altas e, portanto, tem o desempenho de núcleo único mais rápido, enquanto a AMD geralmente é líder em rotinas multi-thread devido a um ISA mais avançado e ao nó de processo no qual as CPUs são fabricadas.

Os conceitos de multiprocessamento para configurações multi-core/multi-cpu estão relacionados à lei de Amdahl .

Estatísticas de mercado

Em 1997, cerca de 55% de todas as CPUs vendidas no mundo eram microcontroladores de 8 bits , dos quais mais de 2 bilhões foram vendidos.

Em 2002, menos de 10% de todas as CPUs vendidas no mundo eram de 32 bits ou mais. De todas as CPUs de 32 bits vendidas, cerca de 2% são usadas em computadores pessoais desktop ou laptop. A maioria dos microprocessadores é usada em aplicações de controle embarcado, como eletrodomésticos, automóveis e periféricos de computador. Tomado como um todo, o preço médio de um microprocessador, microcontrolador ou DSP é de pouco mais de US$ 6 (equivalente a US$ 9,04 em 2021).

Em 2003, cerca de US$ 44 bilhões (equivalente a cerca de US$ 65 bilhões em 2021) em microprocessadores foram fabricados e vendidos. Embora cerca de metade desse dinheiro tenha sido gasto em CPUs usadas em computadores pessoais de mesa ou laptop , eles representam apenas cerca de 2% de todas as CPUs vendidas. O preço ajustado à qualidade dos microprocessadores de laptop melhorou de −25% a −35% ao ano em 2004–2010, e a taxa de melhoria diminuiu para −15% a −25% ao ano em 2010–2013.

Cerca de 10 bilhões de CPUs foram fabricadas em 2008. A maioria das novas CPUs produzidas a cada ano são embarcadas.

Veja também

Notas

Referências

  • Ray, AK; Bhurchand, KM Microprocessadores e Periféricos Avançados . Índia: Tata McGraw-Hill.

links externos