Fairchild F8: История 8-битного микропроцессора

Введение

8-битный микропроцессор впервые поступил в продажу в 1975 году.

Fairchild F8 – 8-битная микропроцессорная система от Fairchild Semiconductor, анонсированная в 1974 году и поступившая в продажу в 1975 году. Оригинальное семейство процессоров включало четыре основных интегральных схемы (ИС) с 40 выводами: процессор 3850, являвшийся арифметико-логическим устройством, блок хранения программ 3851, содержащий 1 программу ПЗУ и осуществлявший декодирование инструкций, а также опциональные интерфейсы динамической памяти 3852 (DMI) или статической памяти 3853 (SMI) для управления дополнительной оперативной памятью или ПЗУ, хранящими пользовательские программы или данные. 3854 DMA представляла собой еще одну опциональную систему, добавлявшую прямой доступ к памяти в оперативную память, управляемую 3852. Минимальная система, содержащая 3850 и 3851, также включала четыре 8-битных порта данных, 64 байта оперативной памяти и пользовательскую программу на ПЗУ. Это позволяло создавать приложения для микроконтроллеров, используя всего два чипа. Для достижения того же результата на более традиционных решениях, таких как Intel 8080 или Motorola 6800, обычно требовалось семь. Кроме того, любое приложение, не соответствующее простым требованиям, как правило, нуждалось как минимум в трех 40-выводных микросхемах: процессоре, блоке хранения программ и либо 3852, либо 3853, вместе с дополнительными микросхемами памяти. В результате этих компромиссов серия F8 получила широкое распространение на рынке микроконтроллеров, но реже использовалась в качестве процессора в компьютерах общего назначения. Сегодня она относительно малоизвестна, поскольку области ее применения во встроенных системах редко демонстрируют наличие F8 внутри. В 1977 году Mostek выпустила значительно улучшенную одночиповую реализацию – Mostek 3870. Она объединила 3850 и 3851 и уменьшила количество напряжений питания. Что более важно, Mostek переорганизовала производственную линию таким образом, что пользовательский код в ПЗУ добавлялся на последнем этапе, что значительно снизило стоимость настройки конструкции для использования в контроллерах. 3870 заменила оригинальные версии Fairchild и производилась несколькими компаниями в США и Европе. В Европе STMicroelectronics продолжала производить варианты этой разработки вплоть до середины 1990-х годов.

Разработка

История F8 начинается с проекта разработки микропроцессора на предприятии Olympia Werke, дочерней компании AEG. Компания Olympia, наиболее известная как производитель пишущих машинок, также имела богатую историю в производстве механических калькуляторов, рынок которых стремительно переходил на электронные аналоги. Olympia разрабатывала процессорную систему CP3 F, лицензию на которую приобрела компания General Instrument (GI). В рамках лицензионного соглашения GI направила Дэвида Чанга, руководителя отдела процессоров GI, в Olympia для взаимодействия с их конструкторской командой. Вскоре после возвращения в США Чунг покинул GI и перешел в Fairchild, где стал ведущим разработчиком F8 и был указан в качестве основного изобретателя в патенте. Компания Fairchild представила F8 в сентябре 1974 года, что почти немедленно привело к иску со стороны GI о неправомерном использовании коммерческой тайны. По мере затягивания судебного процесса, в феврале 1976 года Fairchild объявила о соглашении о перекрестном лицензировании с Olympia на F8, что дало им законный доступ к оригинальной конструкции CP3F, а иск GI потерял свою силу, по крайней мере, в технических аспектах. Информации о CP3F доступно очень мало, однако многие отраслевые эксперты полагают, что CP3F является основой для разработки F8. Судебное разбирательство продолжалось в 1980-е годы, но поскольку существенных технических вопросов не возникало, оно не повлияло на продажи F8.

Производство

Первые инженерные образцы F8 были отправлены в апреле 1975 года, а массовые поставки начались осенью того же года. В то время электронная промышленность требовала наличия второго источника поставок в качестве гарантии того, что разработка не будет прекращена в случае банкротства компании-разработчика или потери ею интереса к проекту. В июне 1975 года Fairchild объявила о таком соглашении с Mostek. Соглашение позволяло обеим компаниям продолжать независимую разработку. F8 был представлен по цене за штуку в , что делало его дешевле, чем современные разработки, такие как Intel 8080 или Motorola 6800, которые стоили как минимум вдвое дороже. Кроме того, минимальная система включала четыре 8-битных порта ввода/вывода, небольшой объем оперативной памяти и 1 КБ ПЗУ. Вместе они позволяли создавать простые приложения, используя всего две интегральные схемы. В отличие от них, для реализации тех же функций в конструкциях, таких как 8080 и 6800, требовались отдельные специализированные микросхемы – обычно семь, поэтому систему на базе F8 можно было реализовать значительно дешевле. Однако это частично компенсировалось тем, что программа ПЗУ в блоке питания (PSU) записывалась на чипы на ранней стадии производства, что требовало отдельных производственных линий для каждого заказчика. В результате стоимость подготовки производства составляла порядка p=$. Хотя F8 позиционировался как микропроцессор общего назначения, исторически он является первым 8-битным микроконтроллером, специально разработанным для этой цели – конструкцией, реализующей полноценную компьютерную систему на небольшом количестве интегральных схем. Его выпуск оказал значительное влияние на рынок и привел к появлению специализированных микроконтроллеров от большинства других производителей, в том числе Intel MCS 48, Motorola MC6801 и MOS 6510, которые объединяли различные системы, ранее требовавшие реализации схемотехническим инженером на печатной плате. Однако эти примеры пошли еще дальше и реализовали целую систему на одной интегральной схеме. Благодаря неуклонному прогрессу, описанному законом Мура, вскоре 3850 и 3851 также удалось реализовать в одной микросхеме, которая была выпущена под названием 3859. Линейка также была обновлена с добавлением 3856 – версии 3851 с 2 КБ ПЗУ, и 3857 – версии 3856 с дополнительными адресными линиями для доступа к внешней ПЗУ в дополнение к 2 КБ внутренней памяти, что во многих случаях устраняло необходимость в отдельном 3853.

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 - - - - - -

Примерно в то же время, когда был выпущен 3859, Mostek представила свою собственную версию одночипового F8, Mostek 3870. В то время как 3859 по сути являлся просто одночиповым 3850/3851, 3870 был значительным шагом вперёд; он работал на частоте до 4 МГц, что вдвое превышало частоту 3859, и требовал только одного источника питания +5 В вместо +5 и +12 В. Гораздо более важным изменением было то, что код пользовательской ПЗУ теперь маскировался на кристалле как последний этап производства, поэтому все процессоры были идентичны до конца производственной линии. В результате стоимость изготовления маски составляла порядка , что значительно удешевило реализацию. 3870 был настолько продвинутым по сравнению с оригинальным 3859, что Fairchild прекратила его производство и лицензировала 3870 для собственных продаж. Со временем 3870 подвергся множеству модификаций. Одной из наиболее важных была добавка разъёма на корпусе чипа, позволяющего подключать ПЗУ (EPROM) без необходимости в дополнительной вспомогательной схеме. Это устранило необходимость во встроенной ПЗУ и позволило клиентам производить собственные ПЗУ, избежав затрат на маскировку. Вариации также включали версии с большим объёмом ПЗУ или ОЗУ, а также другие незначительные изменения. Параллельно, лицензионное соглашение с Olympia привело к организации производства в Германии компанией Telefunken, ещё одним из многочисленных брендов AEG. В 1979 году Mostek объединилась с United Technologies, которая довела компанию до банкротства и впоследствии продала её Thomson Semiconducteurs в 1985 году. В 1987 году Thomson объединилась с SGS, образовав современную STMicroelectronics, которая продолжала производить 3870 вплоть до 1990-х годов. Fairchild также продолжала выпускать версии 3870 в 1980-х годах, пока не была приобретена National Semiconductor. Хотя сегодня он малоизвестен, "в 1977 году F8 был ведущим микропроцессором в мире по объёму продаж". Конструкция остаётся в некоторой степени малоизученной, поскольку большинство применений были в качестве встроенных микроконтроллеров, где чип внутри устройства редко идентифицируется, в отличие от продуктов, таких как домашние компьютеры, где процессор внутри более известен. Среди наиболее известных применений — Fairchild Channel F в 1976 году и компьютерная система VideoBrain в 1977 году. Оба были вытеснены с рынка появлением Atari 2600 в 1977 году. Fairchild также выпустила ряд инженерных и любительских плат на базе F8. Kit 1 представлял собой одну печатную плату с процессором 3850, блоком питания 3851 и SMI 3853. Блок питания содержал программу под названием "Fairbug", к которой можно было получить доступ через терминал, подключённый к процессору через 8-битный порт ввода-вывода. Производство F8 было прекращено в середине 1980-х годов, последняя закупка была осуществлена компанией Innovative Data Technology из Сан-Диего, Калифорния, для использования в их флагманском 1/2" 9-трековом ленточном накопителе серии TD1050, предназначенном для обмена данными по счетам операторами связи.

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.

Семейство чипов

Типичная компьютерная система обычно требует центрального процессора (ЦП), некоторой формы ввода-вывода для связи с внешним миром и памяти, хранящей программный код и пользовательские данные. Как правило, ввод-вывод обрабатывался специализированными микросхемами, а доступ к памяти осуществлялся через адресную шину, выбирающую ячейки во внешней памяти, а затем возвращающую эти данные в ЦП через шину данных. В зависимости от конструкции, ввод-вывод мог взаимодействовать с процессором через выделенную шину, либо, альтернативно, путем размещения данных в памяти и последующего чтения их ЦП. Перемещение данных между всеми этими различными блоками требовало дополнительной связующей схемы. F8 был разработан для разделения этих функций, чтобы обеспечить возможность минималистичной реализации. Теоретически, все эти функции можно было бы разместить на одной микросхеме, но в эпоху 40-выводных микросхем просто не хватало выводов для подключения всех этих функций. В частности, реализация 8-битной шины данных, 16-битной адресной шины и еще одной 8-битной шины ввода-вывода оставляла бы всего 8 дополнительных выводов для всех остальных функций, от питания и заземления до различных сигналов тактирования и линий управления. Другие конструкции иногда мультиплексировали адресные и шины данных, чтобы одни и те же выводы можно было использовать для нескольких функций, но это требовало большего количества циклов для завершения операции. F8 решил эту проблему, интернализировав некоторые функции, например, добавив небольшой объем оперативной памяти к ядру ЦП, а другие – вынеся за пределы ЦП. Лучшим примером этого является минимальная система, состоящая из ЦП 3850 и блока питания (БП) 3851. В этом случае адресная шина не требуется; оперативная память содержится в 3850, а программная ПЗУ – в 3851. БП отвечает за отслеживание счетчика программ, извлечение инструкций из внутренней ПЗУ и передачу их в 3850 для обработки через выделенную 5-выводную инструкционную шину вместе с любыми связанными данными через отдельную 8-битную шину данных. Это освободило 11 выводов, которые в противном случае были бы использованы для дополнительных адресных линий, что, наряду с другими упрощениями и разделением обязанностей, позволило ЦП иметь две полноценные шины ввода-вывода. 3851 добавил еще два порта ввода-вывода, так что минимальная система имела в общей сложности четыре порта. С 1 КБ ПЗУ и 64 байтами оперативной памяти можно управлять только небольшими программами, но для многих систем, таких как кассовые аппараты, бензоколонки и аналогичные устройства, этого более чем достаточно. Если системе требуются большие ресурсы, можно использовать 3852 или 3853. Они взаимодействуют с БП и содержат дополнительную логику для управления связанной с ними памятью; например, 3852 имел полноценную адресную шину, способную получить доступ к 64 КБ оперативной памяти, и схемы, необходимые для обновления данных. В этих системах БП все еще требуется, а счетчик программ и другие указатели поддерживаются отдельно во всех этих микросхемах путем чтения одних и тех же линий управления. Основное различие между 3852 и 3853 заключалось в том, что первая включала схему динамического обновления оперативной памяти и 3-выводное соединение с контроллером прямого доступа к памяти (DMA) 3854, в то время как 3853 удалил их и добавил новый обработчик прерываний и таймер. Контроллер DMA 3854 был напрямую связан с контроллером оперативной памяти 3852 и не использовал 5-выводную управляющую шину, присутствующую на других микросхемах семейства. Он поддерживал свой собственный регистр адреса и отдельный счетчик байтов, которые вместе указывали на блок памяти, который нужно прочитать или записать.

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

Fairchild предоставил комплекты разработки и оценки для F8, в состав которых входил PSU 3851A (блок питания/хранения программ), содержащий монитор в маске ROM, с вектором начала работы по адресу 0x8080. При включении питания управление передавалось в ROM. ROM-монитор в документации Fairchild назывался FAIR BUG. Основные команды FAIR BUG – это отдельные символы ASCII из набора {A, B, C, D, E, F, G, I, L, M, N, P, R, S, W}. Параметры команд, такие как номера регистров и адреса памяти, вводились сразу после идентификатора команды. Например, команда приводит к выводу содержимого 16 байтов памяти на телетайп. Команды FAIR BUG позволяют обращаться ко всем ячейкам памяти и всем регистрам. Программист может просматривать и изменять эти ячейки. FAIR BUG содержит пять подпрограмм, используемых для обработки команд: ввод 2 байтов ASCII; вывод 1 байта ASCII; вывод строки CR, LF, Null; вывод 1 байта ASCII; ввод 1 байта ASCII с параллельного устройства ввода. По сути, FAIR BUG – это подпрограмма управления с произвольным доступом ко всей памяти, как RAM, так и ROM, и ко всем регистрам, включая счетчик программ, счетчик данных и буфер. Программист может записывать в ячейки памяти любые из более чем 70 машинных инструкций или операндов. Затем программист может использовать команду G для загрузки определенного адреса в счетчик программ и выполнения программы по этому адресу. Целью разработки FAIR BUG в 1975 году было помочь инженерам ускорить процесс создания приложений для интегральных схем F8.