Fairchild F8 микропроцессоры: тарихы мен дамуы

Кіріспе

8 бит микропроцессор 1975 жылы алғаш рет тікелей сатылымға шығарылды.

Fairchild F8 – Fairchild Semiconductor компаниясының 8 биттік микропроцессор жүйесі, 1974 жылы жарияланып, 1975 жылы тікелей сатылымға шығарылды. Алғашқы процессорлар отбасына төрт негізгі 40 контактілі интегралды схема (ИС) кірді: 3850 CPU – арифметикалық-логикалық құрылғы, 3851 Бағдарламалық сақтау блогы (БСБ), 1 дана бағдарламалық ROM-ды қамтитын және нұсқауларды декодтауды жүзеге асыратын, сондай-ақ опционалды 3852 Динамикалық жад интерфейсі (ДЖИ) немесе 3853 Статикалық жад интерфейсі (СЖИ) – пайдаланушы бағдарламалары немесе деректерін сақтайтын қосымша жадты басқару үшін. 3854 DMA – 3852 басқаратын жадқа тікелей кіруді қамтамасыз ететін тағы бір опционалды жүйе. 3850 және 3851 құрамындағы минималды жүйеде төрт 8 биттік дерек порты, 64 байт жад және ROM-дағы пайдаланушы бағдарламасы болды. Бұл микроконтроллерлік қолданбаларды тек екі чипті пайдаланып құруға мүмкіндік берді. Intel 8080 немесе Motorola 6800 сияқты дәстүрлі конструкцияларда осылай жасау үшін әдетте жеті чип қажет болды. Сондай-ақ, егер қолданба қарапайым талаптарға сай келмесе, әдетте кем дегенде үш 40 контактілі ИС – CPU, БСБ және 3852 немесе 3853, сонымен қатар қосымша жад чиптері қажет болды. Осы шарттардың нәтижесінде F8 сериясы микроконтроллер нарығында кеңінен қолданылды, бірақ жалпы мақсаттағы компьютерлерде процессор ретінде аз қолданылды. Бүгінде ол салыстырмалы түрде беймәлім, себебі оның кіріктірілген қолданылуы сирек F8-дің ішіндегі құрылымын көрсетті. 1977 жылы Mostek бір чипті, Mostek 3870-ті шығарды. Ол 3850 және 3851-ді біріктірді және қуат көзінің кернеу санын азайтты. Ең маңыздысы, Mostek құрастыру желісін қайта ұйымдастырды, соның арқасында ROM-дағы пайдаланушы коды соңғы қадамда қосылды, бұл контроллерлік қолданыс үшін дизайнды бейімдеу құнын айтарлықтай төмендетті. 3870 бастапқы Fairchild нұсқаларын ығыстырды және АҚШ пен Еуропаның бірнеше компанияларымен өндірілді. Еуропада STMicroelectronics компаниясы 1990-шы жылдардың ортасына дейін осы дизайнның түрлерін өндіруді жалғастырды.

Даму

F8 тарихы AEG-нің еншілес компаниясы Olympia Werke-дегі микропроцессорды әзірлеу жобасымен басталады. Жазу машиналарының өндірушісі ретінде ең танымал болған Olympia, сонымен қатар механикалық калькуляторлар саласында ұзақ тарихы бар еді, бұл нарық электрондық нұсқаларға жылдам көшуде. Olympia CP3 F деп аталатын процессор жүйесін әзірлеп жатты, оны General Instrument (GI) олардан лицензиялады. Лицензиялық келісімнің бір бөлігі ретінде GI компаниясы процессорлар бөлімінің басшысы Дэвид Чангты Olympia-ға олардың дизайн тобымен байланысу үшін жіберді. АҚШ-қа оралғаннан кейін көп ұзамай Чанг GI компаниясынан кетіп, Fairchild-ке көшті, онда ол F8 дизайнының жетекшісі болды және патенттегі негізгі ойлап табушы ретінде тіркелді. Fairchild 1974 жылдың қыркүйегінде F8 туралы хабарлады, бұл дереу GI компаниясының коммерциялық құпияларды қолмақтандығы үшін сотқа шағымдануына әкелді. Сот ісі созылғандықтан, 1976 жылдың ақпанында Fairchild компаниясы F8 үшін Olympia компаниясымен өзара лицензиялық келісім жасағанын жариялады, яғни енді олар CP3F дизайнының бастапқы нұсқасына заңды түрде қол жеткізе алды және GI компаниясының талабы техникалық тұрғыдан күшін жойды. CP3F туралы ақпарат өте аз, бірақ сала мамандары CP3F F8 дизайнының негізі деп санайды. Сот ісі 1980-ші жылдарға дейін жалғасты, бірақ ешқандай техникалық мәселелер болмағандықтан, ол F8 сатылымына ешқандай әсер етпеді.

Өндіріс

F8 машинасының алғашқы инженерлік үлгілері 1975 жылдың сәуірінде жіберілді, ал көлемді партиялар сол күзде басталды. Сол кезде электроника индустриясы дизайнды жасаған компания банкротқа түсіп кетсе немесе дизайнға қызығуын жоғалтса, дизайнның жоғалып кетпеуіне кепілдік беру үшін екінші көзден келісімдерді талап етті. Fairchild 1975 жылдың маусымында Mostek компаниясымен мұндай келісім жасағанын жариялады. Келісім екі компанияға да дизайнды тәуелсіз түрде дамытуға мүмкіндік берді. F8 бірлік бағасымен сатылды, бұл оны Intel 8080 немесе Motorola 6800 сияқты заманауи дизайнға қарағанда арзан етті, олардың бағасы кем дегенде екі есе жоғары болды. Сонымен қатар, минималды жүйеде төрт 8 биттік кіріс/шығыс порты, аз көлемде RAM және 1 дана ROM болды. Бұл компоненттердің бірігіп жұмыс істеуі қарапайым қолданбаларды тек екі интегралды схемамен құруға мүмкіндік берді. Ал 8080 және 6800 сияқты дизайн үшін осы функцияларды қамтамасыз ету үшін жеке мақсаттағы арнайы интегралды схемалар қажет болды, әдетте жеті, сондықтан F8 жүйесін әлдеқайда төмен құнмен іске асыруға болады. Бұл кемшіліктің орнын толтыру үшін, ПҚБ-дағы бағдарламалық ROM өндіріс процесінің басында чиптерге қалыптастырылды, бұл әр клиент үшін жеке өндіріс желілерін қажет етті. Осының салдарынан, орнату құны p = $ шамасында болды. F8 жалпы мақсаттағы микропроцессор ретінде сатылса да, тарихи тұрғыдан алғанда, ол алғашқы мақсатты 8 биттік микроконтроллер болып табылады, бұл кішкентай интегралды схемалар жиынтығында толыққанды компьютерлік жүйені іске асыратын дизайн. Оның шығарылуы нарыққа зор әсер етті және көптеген өндірушілердің, оның ішінде Intel MCS 48, Motorola MC6801 және MOS 6510 компанияларының арнайы микроконтроллерлерін енгізуге әкелді, олардың барлығы бұрын схемалық тақта дизайнеріне жүктелетін әртүрлі жүйелерді біріктірді. Алайда, бұл мысалдар процесті бір қадам алға жылжытып, бір ғана интегралды схемада толық жүйені іске асырды. Мур заңының үздіксіз әсерінен кейін, 3850 және 3851 де бір ғана интегралды схемада іске асырыла алды, ол 3859 ретінде шығарылды. Линейка 3856 (2 дана ROM-мен жабдықталған 3851) және 3857 (ішкі 2 КБ ROM-мен қатар, сыртқы ROM-ға қол жеткізу үшін қосымша адрестік желілері бар 3856) қосылуымен де жаңартылды, бұл көптеген жағдайларда жеке 3853 қажеттілігін жойды.

The first engineering samples of the F8 were sent out in April 1975, with volume shipments beginning that fall. At the time, the electronics industry demanded second source arrangements as insurance that the design would not disappear if the designing company went bankrupt or simply lost interest in the design. Fairchild announced such an agreement with Mostek in June 1975. The agreement allowed both companies to continue independent development of the design. The F8 was introduced at a single unit price of , making it less expensive than contemporary designs like the Intel 8080 or Motorola 6800 which were at least twice that price. Additionally, the minimal system included four 8 bit input/output ports, a small amount of RAM, and 1 of ROM. Together, they allowed simple applications to be built with only two ICs. In contrast, designs like the 8080 and 6800 required separate dedicated purpose ICs to provide these functions, normally seven, so an F8 system could be implemented for far less total cost. Offsetting this to some degree was that the program ROM in the PSU was masked onto the chips early in the production process, which required separate production lines for each customer. As a result, setup fees were on the order of p=$. Although the F8 was marketed as a general purpose microprocessor, historically it represents the first purpose designed 8 bit microcontroller, a design that implements a complete computer system on a small number of ICs. Its release had a profound influence on the market, and led to the introduction of dedicated microcontrollers from most other vendors, among them the Intel MCS 48, Motorola MC6801 and MOS 6510, all of which combined various systems formerly left to the circuit board designer to implement. These examples, however, took the process one step further and implemented an entire system on a single IC. Through the relentless effects of Moore's law, it was not long before the 3850 and 3851 could also be implemented in a single IC, which was released as the 3859. The line was also updated with the addition of the 3856, a 3851 with 2 of ROM, and the 3857, a 3856 with additional address lines to access external ROM in addition to the 2 KB internal, eliminating the need for a separate 3853 in many roles.

3870-ке дейін

3859 шығарылған кезде, Mostek F8 микросхемасының өз нұсқасын, Mostek 3870-ті ұсынды. 3859 негізінен 3850/3851 микросхемаларының бірі болса, 3870 маңызды жетістік болды; ол 3859-дан екі есе жылдам, 4 дейін жұмыс істеді және +5 және +12 вольт емес, тек бір +5 вольт қуат көзіне мұқтаж болды. Ең маңызды өзгеріс – бұл ретте бапталған ROM коды процестің соңғы қадамы ретінде микросхемаға енгізілді, сондықтан барлық процессорлар өндіріс желісінің соңына дейін бірдей болды. Осының салдарынан маска жасау құны шамамен 2000 долларға бағаланды, бұл оны жүзеге асыруды әлдеқайда арзан етті. 3870 түпнұсқадан соншалықты артықшылыққа ие болды, Fairchild 3859 өндірісін тоқтатып, 3870-ті өз сатуына лицензиялады. 3870 уақыт өте келе көптеген қосалқы нұсқалармен өзгертілді. Олардың ішіндегі ең маңыздысы – чиптің үстіне EPROM-ды қосып, басқа да қолдау схемаларын қажет етпейтін ұяны қосу болды. Бұл құрылғыдағы ROM қажеттілігін жойды және клиенттерге өздерінің ROM-дарын жасауға және маска жасау құнын жоюға мүмкіндік берді. Нұсқаларға көбірек ROM немесе RAM, сондай-ақ басқа да шағын өзгерістер кірді. Сонымен қатар, Olympia компаниясымен жасалған лицензиялық келісім Германияда AEG-тің көптеген брендтерінің бірі – Telefunken компаниясының өндірісіне әкелді. 1979 жылы Mostek United Technologies компаниясымен бірікті, ол компанияны құлдыратып, 1985 жылы Thomson Semiconducteurs компаниясына сатты. Thomson 1987 жылы SGS компаниясымен бірігіп, қазіргі STMicroelectronics компаниясын құрды, ол 3870-ті 1990-шы жылдарға дейін өндіріп келді. Fairchild 1980-ші жылдарға дейін 3870-тің нұсқаларын өндіре берді, содан кейін National Semiconductor компаниясы сатып алынды. Бүгінде көпшілікке беймәлім болғанымен, "1977 жылы F8 CPU сатылымы бойынша әлемдегі жетекші микропроцессор болды". Дизайн біршама түсініксіз болып қала береді, өйткені оның көптеген қолданылулары кіріктірілген микробасқарушылар ретінде болды, онда құрылғы ішіндегі чип сирек анықталады, үй компьютерлері сияқты өнімдерден гөрі, ондағы процессор жақсы белгілі. Оның ең танымал қолданылуларының бірі – 1976 жылғы Fairchild Channel F және 1977 жылғы VideoBrain компьютер жүйесі болды. Екеуі де 1977 жылы Atari 2600-дің пайда болуынан кейін нарықтан шығарылды. Fairchild сонымен қатар F8 негізінде инженерлік және хобби тақталарын өндірді. 1-ші жиынтықта 3850 CPU, 3851 PSU және 3853 SMI микросхемалары бар бір басылымды тақта болды. PSU-да "Fairbug" деп аталатын бағдарлама бар еді, оған 8 биттік I/O порты арқылы CPU-ға қосылған терминал арқылы қол жеткізуге болады. F8 1980-ші жылдардың ортасында тоқтатылды, соңғы сатып алушы Innovative Data Technology, San Diego, CA компаниясы болды, олар телекоммуникация операторлары үшін есеп айырысу деректерін алмасу үшін қолданылатын TD1050 сериясындағы 1/2" 9 тректік ленталық дискісінде пайдалану үшін сатып алды.

Around the same time that the 3859 was released, Mostek introduced their own version of a single chip F8, the Mostek 3870. Whereas the 3859 was essentially just a single chip 3850/3851, the 3870 was a significant advance; it ran up to 4, double that of the 3859, and required only a single +5 power supply instead of +5 and +12. A much more important change was that custom ROM code was now masked onto the IC as the very last step in the process, so all of the CPUs were identical until the end of the production line. As a result, the mask fees were on the order of , which made it far less expensive to implement. The 3870 was such an advance over the original that Fairchild stopped production of the 3859 and licensed the 3870 for their own sales. The 3870 was modified with many sub versions over time. Among the most important of these was the addition of a socket on top of the chip that allowed an EPROM to be plugged in with no other support circuitry required. This eliminated the need for the on board ROM and allowed customers to produce their own ROM and eliminate the masking fees. Variations also included examples with more ROM or RAM or other more minor changes. Meanwhile, the cross license deal with Olympia led to production in Germany by Telefunken, another of AEG's many brands. Mostek merged with United Technologies in 1979, who drove the company into the ground and in turn, sold it to Thomson Semiconducteurs in 1985. Thomson merged with SGS in 1987 to form the modern STMicroelectronics, who continued to produce the 3870 into the 1990s. Fairchild also continued producing versions of the 3870 into the 1980s, when they were purchased by National Semiconductor. Although little known today, "in 1977 the F8 was the world's leading microprocessor in terms of CPU sales." The design remains somewhat obscure because most of those uses were as embedded microcontrollers where the chip inside the device is rarely identified, as opposed to products like home computers where the CPU inside is better known. Among its few better known uses were the Fairchild Channel F in 1976, and in the VideoBrain Computer system in 1977. Both were wiped out of the market by the introduction of the Atari 2600 in 1977. Fairchild also produced a number of engineering and hobby boards using the F8. Kit 1 was a single circuit board with the 3850 CPU, 3851 PSU, and 3853 SMI. The PSU contained a program known as "Fairbug" that could be accessed using a terminal connected to the CPU over its 8 bit I/O port. The F8 was discontinued in the mid 1980s, with the final last time purchase by Innovative Data Technology, San Diego, CA for use in their flagship 1/2" 9 track tape drive the TD1050 series used for billing data interchange by telecom operators.

Чиптер отбасы

Типтік компьютерлік жүйеге әдетте процессор, сыртқы әлеммен байланыс орнату үшін кіріс/шығыс құрылғысы және бағдарламалық кодты және пайдаланушы деректерін сақтайтын жад қажет. Әдетте, кіріс/шығыс арнайы микросхемалармен жүзеге асырылады, ал жадқа сыртқы жадтағы жайларды таңдап, деректерді дерек шинасы арқылы процессорға қайтаратын адрес шинасы арқылы қол жеткізіледі. Құрылысына қарай, кіріс/шығыс процессормен арнайы шина арқылы немесе деректерді жадқа орналастырып, содан кейін процессордың оны оқуы арқылы байланысады. Осы әртүрлі бөліктер арасында деректерді жылжыту үшін қосымша "көпір" схемалары қажет болды. F8 осы міндеттерді бөліп, минималды жүйелерді құруға мүмкіндік беру үшін жасалған. Теориялық тұрғыдан алғанда, барлық функцияларды бір микросхемаға сыйдыруға болар еді, бірақ 40 контактілі микросхемалар дәуірінде барлық функцияларды қосу үшін жеткілікті контактілер болмады. Атап айтқанда, 8 биттік дерек шинасын, 16 биттік адрес шинасын және тағы бір 8 биттік кіріс/шығыс шинасын іске асырғанда, қуат көзінен және жерге дейін, сондай-ақ түрлі сағат сигналдары мен басқару сызықтарына барлық басқа функциялар үшін тек 8 контакті қалатын еді. Басқа конструкцияларда кейде адрес және дерек сызықтарын мультиплекстеу арқылы бір контактілерді бірнеше функция үшін пайдалануға болады, бірақ бұл операцияны аяқтау үшін көбірек циклдар қажет етеді. F8 бұл мәселені кейбір функцияларды ішкі жүйеге көшіру арқылы шешті, мысалы, процессор ядросына шағын көлемде RAM қосу, ал қалғандарын процессордан шығару. Мұның ең жақсы мысалы – 3850 процессоры және 3851 қуат көзінен тұратын минималды жүйе. Бұл жағдайда, адрес шинасының қажеті жоқ; RAM 3850 микросхемасында, ал бағдарламалық ROM 3851 микросхемасында орналасқан. Қуат көзі бағдарламалық санаулышты бақылауға жауапты, ішкі ROM-нан нұсқауларды алып, оларды 3850 микросхемасына арнайы 5 контактілі нұсқаулар шинасы арқылы өңдеуге жібереді, ал қатарлас 8 биттік дерек шинасы арқылы қажетті деректерді де жібереді. Бұл қосымша адрес сызықтары үшін пайдаланылатын 11 контактіні босатты, сондай-ақ басқа да оңайлатулар мен міндеттерді бөлу процессорға екі толық кіріс/шығыс шинасын пайдалануға мүмкіндік берді. 3851 тағы екі кіріс/шығыс портын қосты, сондықтан минималды жүйеде барлығы төрт порт болды. Тек 1 КБ ROM және 64 байт RAM болғандықтан, тек кішкентай бағдарламаларды ғана басқаруға болады, бірақ көптеген жүйелер үшін, мысалы, кассалық аппараттар, жанармай құю станциялары және осыған ұқсас қолданулар үшін бұл жеткілікті. Егер жүйеге үлкенірек талаптар қойылса, 3852 немесе 3853 микросхемаларын пайдалануға болады. Бұл микросхемалар қуат көзімен байланысады және олармен байланысты жадты басқару үшін қосымша логикаға ие; мысалы, 3852 64 КБ RAM-қа қол жеткізе алатын толық адрес шинасына және деректерді жаңарту схемасына ие. Бұл жүйелерде қуат көзі де қажет, ал бағдарламалық санаулыш және басқа көрсеткіштер осы микросхемалардың барлығында бірдей басқару сызықтарын оқу арқылы бөлек сақталады. 3852 мен 3853 арасындағы негізгі айырмашылық – 3852 динамикалық RAM жаңарту схемасын және 3854 DMA контроллеріне 3 контактілі қосылымды қамтиды, ал 3853 оларды алып тастап, жаңа үзіліс өңдеушісі мен таймерді қосты. 3854 DMA контроллері тікелей 3852 RAM контроллерімен байланысты және отбасының басқа мүшелерінде кездесетін 5 контактілі басқару шинасын пайдаланбады. Ол өзінің жеке адрес тіркегішін және бөлек байт санауын сақтады, олар бірге оқылатын немесе жазылатын жад блогын көрсетті.

A typical computer system generally requires a CPU, some form of input/output to communicate with the outside world, and memory holding the program code and user data. Typically, I/O would be handled by dedicated chips, and memory would be accessed through an address bus selecting locations in external memory and then returning that data to the CPU over a data bus. Depending on the design, the I/O would communicate with the processor over a dedicated bus, or alternately by placing data in memory and then having the CPU read it. Moving data between all of these different units required additional "glue" circuitry. The F8 was designed to split these duties up in order to make minimalistic implementations possible. In theory, one could place all of these functions on a single chip, but in the era of 40 pin chips there were simply not enough pins to connect all of these functions up. In particular, implementing an 8 bit data bus, 16 bit address bus and another 8 bit I/O bus would leave only 8 more pins for every other function, from power supply and ground to the various clock signals and control lines. Other designs sometimes multiplexed the address and data lines so the same pins could be used for multiple functions, at the cost of requiring more cycles to complete an operation. The F8 addressed this problem by internalizing some of the functions, like adding a small amount of RAM to the CPU core, while moving others out of the CPU. The best example of this is the minimal system consisting of the 3850 CPU and 3851 PSU. In this case, there is no need for an address bus at all; the RAM is contained in the 3850 and the program ROM in the 3851. It is the PSU that is responsible for keeping track of the program counter, fetching instructions from the internal ROM and feeding them to the 3850 for processing over a dedicated 5 pin instruction bus along with any associated data over the separate 8 bit data bus. This freed up 11 pins that would otherwise be used for additional address lines, which, along with other simplifications and splitting of duty, allowed the CPU to have two complete I/O busses. The 3851 added another two I/O ports, so that a minimal system had four ports in total. With only 1 KB of ROM and 64 bytes of RAM, only small programs can be managed, but for many systems, like cash registers, gasoline pumps and similar roles, this is more than enough. When a system does have larger requirements, the 3852 or 3853 can be used. These interface with the PSU and contain additional logic for handling their associated memory; for instance, the 3852 had a complete address bus able to access 64 KB of RAM and the circuitry needed to refresh the data. The PSU is still required in these systems, and the program counter and other pointers are maintained separately in all of these chips by reading the same control lines. The main difference between the 3852 and 3853 was that the former included the dynamic RAM refresh circuitry and a 3 pin link to the 3854 DMA controller, while the 3853 removed these and added a new interrupt handler and timer. The 3854 DMA controller was linked directly to the 3852 RAM controller and did not use the 5 pin control bus found on the other members of the family. It maintained its own address register and a separate byte count, which together indicated the block of memory to be read or written.

FAIR-BUG

Фэрчайлд F8 үшін әзірлеу және бағалау жиынтықтарын ұсынды, бұл жиынтықтарға 3851A PSU (Program Storage Unit) кірді, онда 0x8080 мекенжайында басталатын маскалық ROM-дағы монитор болды. Қосылғанда ROM-ға кірілді. ROM мониторы Fairchild әдебиетінде FAIR BUG деп аталды. FAIR BUG негізгі командалары {A, B, C, D, E, F, G, I, L, M, N, P, R, S, W} жиынтығынан алынған бір ASCII таңбалары болып табылады. Регистрлер мен жад орындары команда идентификаторынан кейін бірден параметрлер ретінде енгізілді. Мысалы, команданың нәтижесінде 16 байт жад мазмұны телетайп арқылы шығарылды. FAIR BUG командалары барлық жад орындарына және барлық регистрлерге қатысты. Бұл орындарды бағдарламалаушы қарап немесе өзгерте алады. FAIR BUG командаларды өңдеу үшін қолданылатын бес кіші бағдарламаны қамтиды: 2 ASCII байтты кіріс ретінде қабылдау; 1 ASCII байтты шығару; CR, LF, Null тізбектерін шығару; 1 ASCII байтты шығару; 1 ASCII байтты параллельді кіріс құрылғысынан кіріс ретінде қабылдау. FAIR BUG – бұл RAM және ROM жадының барлығы, сондай-ақ бағдарламалық тіркелгіш, дерек тіркелгіші және сызбалық жад сияқты барлық регистрлер үшін кездейсоқ кіруді басқару режимі. Бағдарламалаушыға 70-тен астам машиналық кодтың кез келген нұсқауын немесе операторын жад орындарына орналастыру мүмкіндігі беріледі. Бағдарламалаушы G командасын қолданып, бағдарламалық тіркелгішке нақты мекенжайды жүктеуге және осы мекенжайдағы ретті орындауға болады. 1975 жылы FAIR BUG-ті ұсынудың мақсаты инженерлерге F8 интегралды схемалары үшін қосымшаларды жылдам жасауға көмектесу болды.