從誕生到無處不在 一文看懂四位微處理器

　　微處理器由一片或少數幾片大規模集成電路組成，能完成讀取指令、執行指令，以及與外界存儲器和邏輯部件交換信息等操作，所以其基本組成部分有算術邏輯單元(ALU，Arithmetic Logical Unit);累加器(accumulator)和通用寄存器(register);程序計數器(也叫指令指標器);時序和控制邏輯部件;數據與地址鎖存器/緩沖器;內部總線。

　　微處理器從20世紀60年代未開始出現，到今天已經無處不在，無論是手機、可穿戴設備等智能電子產品，還是汽車，數控機床，導彈，航空航天，等都要嵌入各類不同的微處理器。

　　根據微處理器的應用領域，可以分為三類：通用高性能微處理器、嵌入式微處理器和數字信號處理器、微控制器(MCU)。

　　根據微處理器處理信息的字長，有4位、8位、16位、32位、64位微處理器。早期的微處理器(16位及以前)生產廠商魚龍混雜，不只INTEL，還有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，從Pentium到其PRO版，II代、III代，IV代等等，AMD和VIA等雖然好好學習，但還是難以撼動Intel的霸主地位。

　　下面我們開始踏上4位微處理器時代之旅，讓我們了解一下4位時代的精典產品。

　　雖然微處理器直到1970年才出現，但是1969年7月美國登月飛船“阿波羅11號”就采用了復雜的計算系統，包括姿態控制、制導導航系統以及船載計算機等。這些復雜的計算系統吸引了美國各大公司投身其中，紛紛力爭推出自己的計算機產品來取代對方。

　　在20世紀70年代開發4位微處理器的公司有Mitre、Garrett AiResearch、Intel、TI、Fairchild、Rockwell、NEC、National Semiconductor等。

　　2140

　　1968年多名從Mitre公司離職的工程師創建了Viatron計算機公司，于1969年發明了第一個基于LSI技術的4位微處理器2140。

　　MP944

　　MP944是第一個航空航天微處理器，也是第一個軍用微處理器，還是第一個完全集成芯片組微處理器。

　　1968年Garrett AiResearch開始研制一種數字計算機，以同正在開發中的用于美國海軍F-14雄貓戰斗機的主飛行控制電腦的電機系統競爭。1970年6月，美國Garrett AiResearch的Steve Geller和Ray Holt發明了基于MOS-LSI技術的產品，由6顆芯片組成(兩個頂級的石英傳感器，一個20位高精度的模數字轉換器A/D，一個20位高精度數模轉換器D/A，一個MOS-LSI芯片組，一個高效的電源單元)，命名為MP944。該芯片僅約40平方英寸(約25000平方毫米)，頻率達375KHz，以更小的體積和更高的可靠性打敗了基于電機系統的設計，被運用于美國海軍早期的所有雄貓戰斗機(TomCat fighter，包括F-14雄貓戰機)，1970年第一架使用MP944的F-14飛機試飛;由于美國軍方認為這種技術太過先進而不允許將其設計細節公開，直到1998年才得以揭開其面紗。

　　TMS1000

　　1971年9月17日，TI(TexasInstruments，德州儀器)的Gary Boone和Michael Cochran開發出以預編程嵌入式應用(pre-programmed embedded applications)為主打技術的4位微處理器TMS 1000，采用DIP28封裝;1973年9月4日Gary Boone獲得了單片微處理器的美國專利，專利號是3757306;1974年TI(德州儀器)再推單芯片4位微處理器-TMS1802NC，廣泛應用于公司的袖珍計算器中，為計算機領域帶來新的動力。

　　4004

　　1971年11月15日，Intel(英特爾)推出第一款商用4位微處理器-4004，采用硅柵PMOS 10μm工藝生產，Die Size芯片面積只有13.5mm2，集成了2.25K個晶體管，采用CDIP16封裝，4004包括一個四位的平行加法器、十六個四位的緩存器、一個儲存器(accumulator)與一個下推堆棧(push-down stack)，由Federico Faggin(1970年加入英特爾，后來創立了ZILOG公司)和Marcian E.Hoff(霍夫，昵稱Ted Hoff)設計。該芯片于1981年停產。

　　用4004芯片，配上4001(40字節的動態內存DRAM)、4002(256字節的只讀存儲器ROM)、4003(10位的移位寄存器芯片Register)，再加上鍵盤和數碼管，就構成了一臺完整的微型計算機MCS-4。

　　最初的Intel 4004微處理器采用金頂白色陶瓷封裝，后期才出現了普通黑陶瓷以及塑料封裝(Intel生產早期微處理器的慣例：)金頂白陶4004又分為普通白陶、灰色痕跡白陶、5系白陶三類。其中，灰色痕跡白陶瓷版最為珍貴。

　　PPS-25

　　其他1972年Fairchild推出4位微處理器PPS-25，是一款多芯片微處理器，頻率200KHz，采用PMOS工藝。

　　PPS-4

　　1972年8月Rockwell發布4位微處理器PPS-4，頻率200KHz，采用PMOS工藝，封裝采用QUIP(Quad-In-Line)，42引腳封裝。被用于計算，控制和游戲應用。

　　μCOM 4

　　1973年日本NEC公司推出4位微處理器，頻率達1MHz，采用NMOS技術生產，集成了2500個晶體管。

　　IMP-4

　　美國國家半導體(NSC)推出的首款微處理器，頻率500 kHz，采用NMOS技術生產。

　　4040

　　1974年11月Intel(英特爾)推出4位微處理器-4040，使用PMOS硅柵10制程，集成3，000 個晶體管，頻率740kHz，使用 4 到 5.185 MHz 石英震蕩器，運行速度0.06 MIPS， 4040采用陶瓷和塑料DIP24封裝。

　　總結報告：初期的四位微處理器都是采用NMOS或PMOS工藝，線寬都在8-10μm ，200K-1M之間，且以多芯片。