Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Характерная черта таких устройств — они построены в принципе из одних и тех же основных элементов. Особенно это касается цифровой техники — со времен Клода Шеннона известно, что любая цифровая функция может быть реализована всего на нескольких базовых «кирпичиках», и мы видели в предыдущих главах, как на основе таких «кирпичиков» — логических элементов— строятся последовательно все более сложные устройства, вплоть до сумматоров и многофункциональных счетчиков, которые затем уже могут комбинироваться в схемы любой степени сложности. Возникает естественная мысль: а нельзя ли соорудить универсальное устройство, которое бы могло выполнять любые подобные функции, раз в какой-то глубинной основе своей они похожи?

К этой мысли человечество двигалось двумя совершенно разными путями. Один из них связан с никогда не покидавшей человечество мечтой о построении искусственного разума. Через арифмометр Паскаля, аналитическую машину Бэббиджа, математическую логику Буля, теоретические построения Тьюринга и Шеннона, через первые электромеханические компьютеры Конрада Цузе, Эйкена и Атанасова этот путь воплотился в ЭНИАКе — построенной в 1946 году электронной вычислительной машине, которая стала символом начала компьютерной эпохи (хотя, добавим, была не самой первой, и не единственной даже в те времена).

Ученые сразу поняли, каковы потенциальные возможности этого устройства — зародилось направление «искусственного интеллекта», стали обсуждаться проблемы автоматического перевода, шахматного компьютера, распознавания образов — в общем-то, многие из них не решены и до сих пор, несмотря на то, что мощность компьютеров возросла в миллионы раз, и вряд ли будут решены в ближайшее время [9] В 1950 году Алан Тьюринг опубликовал работу «Вычислительные машины и интеллект», в которой предположил, что «думающий» компьютер, который нельзя было бы отличить по поведению от человека, должен иметь объем памяти примерно в 10 10 бит — чуть больше гигабайта. Примерно столько памяти сейчас рекомендуется для ПК, работающих с ОС Windows Vista. . А вот другая сторона этой революции до времени не обсуждалась столь широко: ведь по сути компьютер и есть то самое универсальное электронное устройство, которое может выполнить любую задачу— от наведения баллистической ракеты на цель до банального переключения режимов стиральной машины, нужно только иметь соответствующую программу. Но обсуждавшийся во введении принцип эквивалентности «железа» и программ, благодаря диссертации Шеннона понятный ученым и инженерам еще задолго до эпохи всеобщей компьютеризации, дошел до практики далеко не сразу, поскольку «железо» резко отставало от нужд практики. Как подумаешь, что вопрос «может ли машина мыслить» обсуждался во времена ЭВМ, по вычислительной мощности эквивалентных сегодняшнему двухдолларовому микроконтроллеру…

Более того, в этом вопросе движение было скорее с обратной стороны — нужды компьютерной отрасли вызвали бурное развитие электроники. И это логично, ведь первые ЭВМ были огромными, потребляли энергии, как небольшой завод, и требовали непрерывного обслуживания (плановое ежесуточное время работы первых советских ЭВМ — 16 часов, остальное — ремонт). Кому в те времена могла прийти мысль даже о том, чтобы дать компьютер каждому в персональное пользование, не то что управлять с его помощью стиральной машиной, правда? Революция произошла лишь с изобретением микропроцессора в фирме Intel в 1971 году. С этого момента инженерам-электронщикам пришлось учить программирование.

Рис. 11.1. Микропроцессор Intel 4004

Первоначально корпорация Intel не помышляла ни о каких процессорах и занималась разработкой и продажами микросхем памяти, на которые тогда как раз начиналось увеличение спроса. В 1969 г. в Intel появились несколько человек из Busicom — молодой японской компании, занимающейся производством калькуляторов. Им требовался набор из 12 интегральных схем в качестве основного элемента нового дешевого настольного калькулятора. Проект был разработан Масатоши Шима, который и представлял японскую сторону. Тед Хофф (Marcian Е. «Ted» Hoff, p. 1937), руководитель отдела, занимавшегося разработкой применений для продукции Intel, ознакомившись с проектом, понял, что вместо того, чтобы создать калькулятор с некоторыми возможностями программирования, можно сделать наоборот, компьютер, программируемый для работы в качестве калькулятора. Развивая идею, в течение осени 1969 г. Хофф определился с архитектурой будущего микропроцессора. Весной в отдел Хоффа пришел (все из той же уже известной нам Fairchild) новый сотрудник Фредерик Фэггин (Federico Faggin), который и придумал название для всей системы: «семейство 4000». Семейство состояло из четырех 16-выводных микросхем: 4001 содержал ROM на 2 килобайта; 4002 — RAM с 4-битным выходным портом для загрузки программ; 4003 представлял собой 10-битный расширитель ввода/вывода с последовательным вводом и параллельным выводом для связи с клавиатурой, индикатором и другими внешними устройствами; наконец, 4004 был 4-битным ЦПУ (центральным процессорным устройством). Он состоял из 2300 транзисторов и работал с тактовой частотой 108 кГц. 15 ноября 1971 г. было объявлено о создании первого микропроцессора. Busicom приобрела разработку, заплатив Intel $60 000. Но в Intel решили возвратить Busicom эти деньги, чтобы вернуть себе права на микропроцессор. i4004 обладал вычислительной мощностью, сравнимой с первым электронным компьютером ЭНИАК. Свое первое практическое применение 4004-й нашел в таких системах, как устройства управления дорожными светофорами и анализаторы крови. Он использован в бортовой аппаратуре межпланетного зонда Pioneer-10, который поставил рекорд долгожительства среди подобных аппаратов: он был запущен NASA в 1972 г., а к 1 сентября 2001 г. Pioneer-10 удалился от Земли на 11,78 млрд км и все еще работал.

Еще раз повторим — для понимания того, как работают микропроцессорные системы, нужно очень твердо усвоить, что программирование процессора и составление логических схем есть в полном смысле слова один и тот же процесс, только выраженный на разных языках: либо в виде последовательности команд процессора, либо в виде схемы. Грубо говоря, при переходе на МК вы заменяете паяльник персональным компьютером (ПК), причем программировать много проще, потому что гораздо легче поправить ошибку. Типичная иллюстрация принципа эквивалентности: на процессоре 8086 операции с действительными числами выполнялись с помощью подпрограмм, но выполнение программы всегда медленнее, чем работа «железок». Поэтому к нему сначала добавили арифметический сопроцессор (8087), а потом (начиная с 486-х) и вовсе интегрировали блок обработки чисел «с плавающей точкой» внутрь процессора. В результате программы упростились, а процессор усложнился, но с точки зрения пользователя ничего (кроме ускорения работы) не произошло.