Microprocesoare - structură și fuctionare

La începutul anului 1971, în laboratoarele firmei INTEL se realiza primul microprocesor cu lungimea cuvintelor de 4 biţi ( 4004 ). În acel monent de referinţă în istoria scurtă dar atât de densă a electronicii puţini specialişti erau totuşi dispuşi să acorde evenimentului importanţa pe care o merita, şi aceasta din cel puţin două motive. Întâi, pentru că la timpul respectiv INTEL era aproape necunoscută, fiind mai degrabă o asociaţie de tineri ingineri, decât o firmă puternică, cu pondere în industria electronică. Pe de altă parte, chiar dacă noua realizare ar fi fost larg difuzată, ea ar fi putut uşor să apară în ochii contemporanilor ca o suprapunere de elemente cunoscute, deoarece structura calculatoarelor era de mult stabilită, iar tehnologiile LSI ( Large Scale Integration ) începuseră să fie bine stăpânite, cel puţin în varianta PMOS ( Metal Oxide Semiconductor cu canal p ) Aşa se explică de ce predicţiile constructorilor primului ” minicalculator microprogramat ” , MCS-4, având ca unitate centrală microprocesorul 4004, nu au fost luate în seamă şi nimeni nu a acordat credit ideii că acesta era începutul unui drum nou, care nu peste mult timp va ajunge să domine toata electronica modernă.

Drumul de la idee la realizare, în cazul acestei componente, nu putea fi parcurs decât utilizându-se mijloacele de producţie cele mai perfecţionate, începând cu proiectarea şi terminând cu testarea finală.

Stimulul iniţial în realizarea primului microprocesor venea însă din Japonia, unde un constructor important de calculatoare de birou, firma BUSICOM, proiectase un ansamblu de 11 circuite integrate LSI, care urmau să constituie nucleul unui nou tip de calculator, foarte compact. Totuşi, se pare că la timpul acela ideea era considerată prea îndrazneaţă, căci BUSICOM nu a reuşit să găsească nici o firmă japoneză dispusă să producă circuitele LSI proiectate de ea, adresându-se în consecinţă firmei INTEL din S.U.A.

Pentru INTEL, care era specializată în tehnologia PMOS, aceasta era marea ocazie de afirmare. Un tânăr inginer, M. E. Hoff, a fost însărcinat să reproiecteze cele 11 circuite integrate de tip BUSICOM, reducând pe cât posbil numărul lor, astfel înât implementarea să fie mai uşoară. Dacă M. E. Hoff s-ar fi mulţumit să-şi finalizeze conştiincios tema, desigur că el nu ar fi devenit inventatorul microprocesorului. Dar specialistul a ales o altă cale. El a încercat să dea răspunsul la o întrebare mult mai generală, şi anume dacă o prblemă de acest fel nu putea fi soluţionată prin analogie cu tehnica de microprogramare, la vremea aceea binecunoscută. Aceasta promova ideea includerii ” unui calculator într-un calculator ” , primul urmând să înlocuiască logica cablată a celui de-al doilea. În câteva luni proiectul lui Hoff a fost implementat şi primul microprocesor a luat astfel naştere, deschizând o eră nouă în electronică.

Înlocuirea logicii calculatorului printr-un alt calculator, microprogramat, dotat cu o memorie pentru păstrarea microprogramelor, a însemnat de fapt sfârşitul logicii cablate: orice structură cablată, oricât de complexă, putea fi acum realizată cu ajutorul unui astfel de calculator; totodată - element definitoriu pentru noua linie - numai microprogramele trebuiau schimbate pentru a obţine o mare diversitate de funcţii, circuitele LSI rămânând aceleaşi de la alte firme, astfel că, în scurt timp, National Semiconductor a lansat propria-i variantă, minicalculatorul IPM-6, primul calculator pe o singură placă. Specialiştii de la National Semiconductor au sesezat că pentru a realiza unităţi aritmetice şi logice ( ALU ) cu viteze mari este avantajos să se asocieze mai multe subunităţi cu lungimea cuvintelor de 2 sau 4 biţi. Combinându-se mai multe elemente de acest tip – defapt, circuite LSI identice ca structură – se obţin unităţi aritmetice şi logice cu orice lungime a cuvintelor, de 8.16 sau 32 biţi. Aceasta a generat principiul microprocesoarelor bit-slice.

O dată cu elaborarea microprocesorului 8008 cu lungimea cuvintelor de 8 biţi – lansat pe piaţă de INTEL la numai câteva luni dupa 4004 – tehnologia PMOS işi spunea însă ultimul cuvânt. Îi lua locul o tehnologie cu disponibilităţi mai largi, NMOS ( MOS cu canal n indus ), ceea ce a permis realizarea unor structuri mult mai fine şi, prin aceasta, încorporarea pe acelaşi cip a unui număr sporit de funcţiuni, precum şi o arhitectură net superioară. A luat astfel naştere generaţia a doua de microprocesoare, poate cea mai răspândită şi în prezent, incluzând tipuri de largă circulaţie, precum 8008 ( INTEL ), 6800 ( MOTOROLA ) sau Z80 (ZILOG ).

Produsele tehnologice înregistrate după 1978, constând în introducerea structurilor şi mai ” fine ” denumite HMOS ( High performance MOS ), deşi importante prin creşterea gradului de integrare, nu pot explica singure saltul la generaţia următoare de microprocesoare.

Saltul spre noua generaţie, cu arhitectura ei sofisticată, impunea totuşi o anumită prudenţă, deoarece majoritatea dispozitivelor existente pe piaţă aveau interfeţe de 8 biţi. Pentru ca noua linie să aibă succes era deci necesară elaborarea unor structuri de tranziţie, a ” midi-microprocesoarelor ” de tipul 8088 ( INTEL ), 6809 ( MOTOROLA) sau 16008 ( National Semiconductor ), astfel concepute încât să permită implementarea simplă la dispozitivele existente, cu eforturi de reciprocitate minime. Aria de aplicaţii se lărgeşte astfel considerabil, depăşind cu mult domeniul utilizărilor ”de vârf”, în favoarea aplicaţiilor curente, mult mai numeroase, al căror monopol părea să aparţină până nu demult structurilor din generaţia a doua. De aici un avantaj practic imediat, deoarece costurile de programare ridicate – consecinţă a limitărilor specifice tehnologiei NMOS – puteau fi mult reduse. Dar şi o inversare a situaţiei, ceva mai greu de prevăzut: atât pentru constructori, cât şi pentru utilizatori, centrul de interes se deplasează acum vizibil spre nivelul structurii logice ( software ). Schimbarea de optică se datorează desigur şi faptului că limbajele de nivel supreior, orientate spre exigenţele utilizatorului şi mai puţin dependente de particularităţile constructive ale calculatorului, acţioneză ca o ” punte ” pentru resursele arhitecturale, deja considerate modeste, inerente structurilor din generaţia a doua.

Se poate estima că evoluţia hardware din anii 1970 este înlocuită cu o evuluţie software. Circuitele integrate prevăzute cu software nu vor fi de la început destul de eficiente în orice tip de aplicaţie.

Procesul de introducere a soft-ului în hard a fost declanşat de firma INTEL o dată cu lansarea microprocesorului 8086 şi a unor coprocesoare auxiliare.

Competiţia actuală intre microprocesoarele pe 16 biţi si cele pe 32 biţi este totuşi, în unele privinţe, mai mult aparentă decât reală. În funcţie de mărimea bus-ului extern de date şi a registrelor interne, precum şi de posibilităţile setului de instrucţiuni, o maşină pe 16 biţi poate fi la fel de flexibilă, uneori chiar mai flexibilă, decăt unele echipamente pe 32 biţi. În tabelul 1 sunt ilustrate unele procesoare pe 16 şi 32 de biţi. Dintre aceste circuite numai MAC-32 de la Bell Telephone şi procesorul pe 32 biţi de la Hewlett – Packard sunt cu adevărat maşini pe 32 biţi.