Mikroprocessorns historia Thomas Wirén (twn02001@student.mdh.se) Mälardalens högskola, IDt

Mikroprocessorns historia Thomas Wirén (twn02001@student.mdh.se) Mälardalens högskola, IDt Kursnamn: Vetenskapsmetodik inom teknikområdet Kurskod: CT3620 Västerås, 2004-10-15 1

Sammanfattning Denna rapport sammanfattar mikroprocessorns historia och är skriven i kursen Vetenskapsmetodik inom teknikområdet. Vad är då en mikroprocessor? Jo, man kan säga att en mikroprocessor är hjärnan i en dator, eller i ett system. I processorn utförs matematiska beräkningar av olika slag. Innan processorerna fanns har man i alla tider försökt att komma underfund med att underlätta beräkningar av matematiska problem. Många duktiga matematiker har försökt att konstruera mekaniska konstruktioner för att lösa problem. Men mekaniska maskiner var svåra att hantera. Ett genombrott kom när man började använda elektricitet i maskinerna. De första maskinerna var relämaskiner, men kort därefter uppfann man elektronrören. Större och bättre datorer kunde då byggas. Den största skillnaden kom när man upptäckte halvledartekniken. Då kunde man använda små transistorer istället för elektronrör. Datorerna blev mindre och driftsäkrare. Det dröjde inte länge innan den integrerade kretsen uppfanns. Det var då mikroprocessorn föddes. Sedan dess har en enorm utveckling skett. Tyvärr finns det bara ett fåtal processortillverkare kvar idag. De största är Intel och AMD. 2

Innehållsförteckning Sammanfattning... 2 Innehållsförteckning... 3 Inledning... 3 Mikroprocessorns förhistoria... 3 Den mekaniska generationen... 4 Charles Babbage... 4 Den elektroniska generationen... 5 Elektronrör... 5 Transistorn... 5 Transistorn fördelar... 6 Integrerade kretsen... 6 Den första mikroprocessorn... 7 Från 4004:an till idag... 7 Inbyggda elektroniksystem... 9 Slutsatser... 9 Referenser... 10 Litteratur... 10 Internet... 10 BILAGA 1... 11 Inledning Vi kan aldrig få för snabba datorer. Den dator som vi har idag kan kännas slö imorgon. Den beräkning som idag tar 10 sekunder att utföra, kanske tar 1 sekund att utföra imorgon. Det är det som gör att vi strävar efter att skaffa nya datorer hela tiden. Allt ska gå snabbare och snabbare. Det driver på utvecklingen av nya processorer i rask takt. Små mikrodatorer finns överallt omkring oss idag. Dessa behöver inte sitta i våra datorer, utan finns i nästan all hemelektronik som vi använder. Dessa mikrodatorer underlättar för oss i vardagen. Om alla mikrodatorer skulle sluta fungera skulle det bli kaos. Bilen, kameran, telefonen, tågen, rakapparaten, ja allt skulle stanna! Utvecklingen är enorm och det verkar inte avstanna på många år än. Mikroprocessorns förhistoria Förr använde man människans hjärna för att utföra beräkningar. Större beräkningar hade man hjälp av kulramar, stenar och skrivtecken med mera. Tyvärr dras vår hjärna med ett par stora nackdelar: Den är långsam på beräkningar och felfrekvensen vid komplicerande beräkningar är mycket hög. 3

Den mekaniska generationen År 1967 fann man skisser från Leonardo da Vinci på en mekanisk räknare. Man tror att de är gjorda någon gång på 1500-talet. Men Willhelm Schickard (1592-1635) konstruerade den första mekaniska kalkylator, som man känner till år 1623. Schickard tillverkade räknaren i endast i två exemplar. Dock finns det ingen av dessa kvar idag. En mer känd räknemaskin byggdes av Blaise Pascal (1623-1662) år 1642. Den kunde utföra addition och subtraktion av sexsiffriga tal. Pascals maskin bestod av två uppsättningar med sex vred som representerade de tal som skulle beräknas. Beräkningen räknades ut genom en växellådsliknade konstruktion, varvid man fick svaret. År 1671 tillverkades den första fyrfunktions kalkylatorn av Gottfried Leibniz (1646-1716). Maskinen innehåll en identisk konstruktion som Pascal hade, men även en automatisk multiplikations- och divisionsenhet. Charles Babbage Charles Babbage (1792-1871) designade under sin livstid två datorer, The Difference Engine och The Analytical Engine. The Differense Engine börjde Babbage tillverka år 1822 men den slutfördes aldrig. The Analytical Engine designades 1834. The Difference Engine skulle beräkna matematiska tabeller och automatiskt trycka ut dessa på papper. Den brittiska regeringen insåg vikten av en sådan räknemaskin till sjöfarten. Sjöfarten var beroende av korrekta tabellverk, eftersom man navigerade efter dessa. Regeringen anslog 17000 pund för att Babbage skulle utveckla denna maskin. När maskinen The Difference Engine skulle vara färdig skulle den kunna beräkna sjättegradspolynom med 20 siffrors noggrannhet. Men efter 19 års arbete övergav Babbage projektet. Han ansåg att mekaniken inte hade tillräcklig precision. En orsak var kanske också att han hade fått en ny maskin i tankarna, The Analytical Engine. The Analytical Engine skulle automatiskt kunna utföra alla slags matematiska operationer. Den skulle bestå av en uppsättning hjul som lagrade tal (minnet). En enhet på maskinen som kunde utföra de fyra räknesätten fanns också som motsvarar dagens processor. Man gav maskinen instruktioner via hålkort (program). Konstanter till programmet kom in via hålkort och resultaten skrevs ut på papper, eller stansades ut på hålkort. Babbages viktigaste bidrag till datorvetenskapen var att introducera idén om en maskin som byggdes utan att ha ett förutbestämt syfte. Man ändrade i hålkorten för att utföra det man ville göra. Detta var något helt nytt på den tiden. Tyvärr var Babbages planer lite före sin tid. The Analytical Engine blev aldrig klar. Det dröjde ända fram till 1938 innan nästa stora framsteg inom datortekniken. Konrad Zuse (1910-1995) lät bygga en elektromekanisk dator i Tyskland kallad Z1. Z1 var en binär representerande maskin som han lät tillverka. Efterföljaren till Z1 var Z3 som blev klar år 1941. Troligtvis var den första programstyrda datorn. Den styrdes av stansade gamla filmremsor. Elektromagnetiska reläer användes till flyttalsrepresentationen. Howard Aiken (1900-1973) konstruerade 1939 en elektromagnetisk dator vid Harvard University kallad Mark I. De efterföljande maskinerna Mark II-IV hade elektriskt lagrade program, och hade separata instruktions- och dataminnen som senare kom att kallas för Harvardarkitektur. 4

Den elektroniska generationen Elektronrör Nästa stora steg i utvecklingen av datorer var när elektronröret uppfanns. Elektronröret är en aktiv komponent, dvs en komponent som kräver att man tillför energi för att den ska fungera. Elektronröret är ett lufttomt rör som har en minuspol (katod) som uppvärms och en pluspol (anod). Elektronröret är en vidareutveckling av glödlampan. Man kom underfund med att glödtråden lämnade ifrån sig elektroner som satte sig på glasets insida. Genom att införa en elektrod vid glaset kunde man konstatera att man kunde leda ström från elektroden till glödtråden. Men man kunde inte leda ström åt motsatt håll. Det var den första elektronröret som kallades för diod. Den amerikanske uppfinnaren Lee DeForest (1873-1961) lade in en tredje elektrod mellan katoden och anoden år 1906. Genom att lägga på en negativ spänning på den tredje elektroden kunde man reglera strömmen mellan katod och anod. Denna grindöppnande elektroden fick det engelska namnet gate. På svenska blev dess namn galler. Med denna uppfinning kunde man nu med hjälp av en svag ström kontrollera strömmen genom elektronröret. Fördelarna mot de elektromagnetiska reläerna var att omslagen ström på och ström av gick mycket fortare. Inga rörliga delar behövdes. Det fanns också nackdelar med rören. Eftersom rören alstrade mycket värme behövdes det kylsystem, men alltför ofta gick rören sönder ändå. Den tidens datorer behövde flera tusen rör för att fungera. Man kan lätt konstatera att det behövdes åtskilliga timmar av felsökning till dessa datorer. Den första universaldatorn hette ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) och byggdes år 1946. Den utvecklades vid University of Pennsylvania. Datorn vägde ca 30 ton och bestod av 18000 elektronrör. Den tog dessutom upp en yta på 160 kvadratmeter. Med en klockfrekvens på 100kHz var ENIAC cirka 1000 gånger snabbare än Mark I och gjorde en multiplikation på 3 ms. Tack vare snabbheten i elektroniken kunde man se nya möjligheter med elektronrören. Transistorn Nästa steg i utvecklingen var när transistorn kom till värden. Det var efter andra världskriget som en forskargrupp från Bell labs samlades. Med William B Shockley som ledare försökte man komma på ett sätt att ersätta de problematiska elektronrören. Gruppen studerade halvledartekniken som användes bland annat för att utveckla radarsystemet. 1945 hade Shockley den första halvledartransistorn som kallades för fälteffekt. Shockley jobbade ofta ensam hemma, varvid hans kollegor var på labbet. Kollegorna Bardeen och Brattain tog fram 1947 en bättre och stabilare transistor the point-contact transistor. Deras idé var att transistorn var gjort i guldfolie på en plasttriangel, nedtryckt så den fick kontakt med en platta av germanium. När Shockley fick reda på att de båda herrarna lyckats göra en bättre transistor blev han både arg och belåten. De hade arbetat utan att sagt något år Shockley som var ledare för gruppen. Shockley utvecklade the junction (sandwich) transistor själv. Det tog honom en månads tänkande och experimenterande. Två år efter hade han en fungerande transistor. Problemet hade blivit att de tävlade mot varandra och inte i grupp som det var tänkt. Det ledde till en tvist om vem som skulle ta patent på uppfinningen. Shockley visste vilken potential uppfinningen hade och beslutade sig att lämna Bell Labs och startade eget. Företaget hette Shockleys Semiconductor. Han hyrde in ingengörer och fysiker, men de var svårt att jobba 5

ihop med Shockley. Några sökte sig bort från Shockley och startade Fairchild Semiconductor, medan Robert Noyce och Gordon E. Moore valde att bilda ett eget företag med namn Intel Corporation. 1956 fick Shockley, Bardeen och Brattain dela på nobelpriset i fysik. Transistorn fördelar Transistorn fungerade i princip som elektronröret som minne. Den kan lagra en etta eller nolla. Den största skillnaden var att den var mycket mindre och alstrade mycket mindre värme. Transistorn tog bara upp 1/50 av elektronrörets storlek. Med transistorn som grund kan man bygga mycket mindre datorer, som höll längre. Transistorn är gjort av en grupp grundämnen som kallas halvledare. Till halvledare hör till exempel germanium och kisel. Halvledare är som namnet antyder, att de kan leda ström under vissa förutsättningar. Följande fördelar mot elektronröret är: låg arbetsspänning. (Elektronröret krävde minst 40Volt, men vanligen 90 Volt) drar mycket lite ström. arbetar snabbare. mycket mindre. (1/50 del av elektronröret) enklare konstruktion. (billigare att tillverka) betydligt driftsäkrare. (slits inte som elektronröret) Integrerade kretsen Då man kopplade ihop flera tusen transistorer fick man problem med dåliga kopplingar. Transistorn blev populär i radioapparater, datorer, telefoner med mera. Trots att transistorn var mindre än elektronröret behövde man ytterligare förbättra elektroniken. En integrerad krets är i grunden en kiselskiva med vissa analoga eller digitala kretsmönster i form av halvledare vilka etsas på kiselplattan. På kiselplattan kan mängder med transistorer resistorer, dioder och andra elektronikkomponenter få plats. Kiselskivan monteras sedan i en kapsling med anslutningsbenen. Denna konstruktion kallar vi för IC-krets. Den första integrerade kretsen konstruerades år 1961 av Texas Instruments. Texas Instrument tog genast patent på tekniken. Alla kretstillverkare har mer eller mindre gjort intrång på detta patent. Datorerna blev nu ännu snabbare, eftersom elektronerna färdades betydligt kortare sträckor i de integrerade kretsarna. Kretsarna rymde flera tusen transistorer på några få mm 2. En stor kund som köpte massor av kretsar var NASA som var i behov av elektronik i och med rymdkapplöpningen på 1960-talet. Detta ledde till att tillverkarna fick stora intäkter och därmed utveckla kretsarna ytterligare. Man enades om en ny standard som hette LSI. LSI står för Large Scale Integrated och kunde ha upp till 10000 komponenter per chip. Efter LSI-kretsarna följde VLSI, som står för Very Large Scale Integrated. Dessa kretsar kunde innehålla upp till 250 000 komponenter på ett chip. Denna utveckling ledde till att de första mikroprocessorerna utvecklades. 6

Den första mikroprocessorn Företaget Intel fick 1969 en förfrågan från det japanska förtaget Busicom om att tillverka 12 specialanpassade kretsar. Kretsarna skulle hantera de olika funktionerna Busicoms miniräknare. Intel hade inte då möjlighet att tillverka 12 olika kretsar, men en ingenjör på företaget kom med en smart idé. Ingenjören hette Ted Hoff. Idén gick ut på att utveckla en enda krets som med hjälp av programvara kan utföra flera olika uppdrag. Busicoms ingenjörer ville först inte ändra designen med de tolv kretsarna. Men efter påtryckningar av den nya idén, fick Intel till slut igenom sin vision. Nio månader efter mötet stod utvecklingsarbetet med den nya kretsen klar. Ted Hoffs idé blev verklighet. Kretsen innehöll 2300 transistorer. I dagens mått låter det ynkligt, men det motsvarade lika mycket datorkraft som ENIAC kunde prestera. Kretsen fick dessutom plats på en fingernagel, jämfört med ENIAC som vägde 30 ton, och tog upp 160 kvadratmeter. Därmed kunde man konstatera att värdens första mikroprocessor var skapad. Från 4004:an till idag På Intel förstår man att detta var bara början av utvecklingen. Problemet var bara att Intel hade sålt rättigheterna till kretsen till Busicom. Robert Noyce tar tag i problemet och flyger till Japan och lyckades köpa tillbaka rättigheterna för 60 000 dollar, lika mycket som Intel ursprungligen fått för att utveckla kretsen. Nu var det fritt fram för Intel att fortsätta arbetet. Under 1971 lanserar Intel kretsen under namnet 4004. Priset var 299 dollar. Året efter lanserar man dess efterföljare med namnet 8008-processorn. Processorn var dubbelt så snabb som 4004:an. Dessutom jobbade 8008:an med 8-bitar istället för 4004:ans 4-bitar. Processorer brukar i allmänhet kallas för CPU, som står för Central Processning Unit. Översätt till svanska blir det central beräkningsenhet. 1974 lanserar Intel 8080-processorn som användes i värdens första persondator som hette Altair. Altair kunde man köpa som byggsats för 395 dollar. Det såldes ungefär 2000 stycken, varvid ett 50-tal hamnade i Sverige. Bredvid Intel fanns konkurrenter som Motorola och Zilog. Motorola kom med sin 6800- processor. Zilog hade utvecklat Z80 processorn som blev populär. Z80 var grunden i många system som ZX Spectrum, Spectravideo, samt den svenska 1980-talsdatorn ABC80. Z80 har även funnits som hjälpprocessor till Sega Mega Drive och Commodore 128. Zilog processorn framställdes från tidigare folk som slutat på Intel. Det riktiga stora genombrottet för Intel är 1981 när IBM väljer att använda deras processor till IBM:s Personal Computer. Processorn från Intel hette 8088. IBM utvärderade även processorerna som Zilog och Motorola erbjöd. IBM var ett okänt företag på den tiden. IBM:s idé byggde på att köpa in komponenter istället för att tillverka allt själv. Operativsystemet som användes heter Dos och köptes från ett litet företag med ett 30-tal anställda som hette Microsoft. 8088:n hadde 29000 transistorer oh en klockfrekvens på fem megahertz. 1982 kom 80286-processorn. I vardagligt tal kallar vi den för 289:an, som genast blev en succé. Att den blevsån succé var att alla tidigare program som var skrivna för 8088:an fungerade även på 286:an. Och naturligtvis hade 286:an fler betydligt fler transistorer, cirka 130 000 stycken. Sedan dess är alla Intels PC-processorer bakåtkompatibla. Del lär finnas 15 miljoner datorer som hade 286-processorn installerade sex år efter den lanserats, Bland annat användes processorn i IBM AT datorn. 7

1985, alltså tre år senare lanserade företaget 386-processorn som hade beteckningen 80386DX. Den hade en inbyggd matteprocessor. Klockfrekvensen var 16 megahertz, men i slutet kom det även en 33 megahertz variant. En lightversion av processorn med beteckningen 80386SX kom också. Den var 20-25 procent lägre prestanda och saknade matteprocessor, men det var billigare att köpa. Efter 386:an kom 80486-processorn 1989. Processorn innehåll 1,2 miljoner transistorer och arbetade med max 50 megahertz. Den var ca 50 gånger snabbare än den tidigare 8088:an. En variant kom 1992 av 486:an som hette 80486DX2 som arbetade med dubbel hastighet internt på chippet. 1993 skulle nästa processor lanseras från Intel. Då det var svårt att namnskydda en sifferbeteckning som man tidigare använt. Och så hade det dykt upp några nya konkurrenter på marknaden, gjorde att man tog namn som var lättare att skydda. Intel valde att kalla sin nya processor för Pentium. Namnet hänger kvar än idag. Konkurrenten AMD (Advanced Micro Devices) landserade 1994 en variant av 80486:an som hette 486DX4. AMD utmanade Pentiums framgång med en billigare processor för 486- generationen. 1994 skakades Intel av Pentium-buggen. En bugg hade påträffats i processorns flyttalsdel som gjorde att vissa beräkningar blev felaktiga. Intel har fått mycket kritik för denna bugg, eftersom Intel inte erkände felet från början. Man menade att inte felet inte var så allvarligt, och att det inte påverkade systemen nämnvärt. Dock fick Intel backa, och erbjöd till slut nya processorer till de kunder som drabbades. 1995 lanserades Pentium Pro ut på marknaden. Den arbetade med 200 megahertz och hade 5,5 miljoner transistorer i processorn. Intel jobbade på med nästa processor som stod klar under 1997. Då kom Pentium MMX och Pentium II ut. MMX varianten var avsedd främst för multimedia. Pentium II processorn rymde hela 7.5 miljoner transistorer på chippet. AMD presenterar sin K6-2 processor. Nu handlar frekvenserna kring 450 megahertz. 1998 kommer Intel ut med en budgetvariant av Pentium II. Den kallas för Pentium Celeron, och är främst anpassad för hemmaanvändare. År 1999 består Intels senaste processor av 9,5 miljoner transistorer. Processorn heter Nu Pentium III och fanns i hastigheterna från 450 megahertz till 1gigahertz. AMD kommer ut med sin nyutvecklade Athlonprocessor, samtidigt som Intel lanserar Pentium 4 år 2000. Pentium 4 processorn hade 42 miljoner transistorer och hanterade hastigheter upp till 3 gigahertz. 2003 kom både Intel och AMD ut med sina första 64-bitars processorer. 2004 lanseras Intels senaste processor Pentium 4 som jobbar med en klockfrekvens på hela 3,6 gigahertz. AMD landerar Athlon 64 3600+ processor som ska motsvara Intels modell. 8

Inbyggda elektroniksystem Bredvid utvecklingen av processorer till våra persondatorer och servrar finns en avdelning små mikrodatorer. Dessa mikrodatorer har på ett exploderande sätt erövrat världen det senaste årtiondet. Mikrodatorerna finns bland annat i: Fjärrkontroller Portabla datorer Mobiltelefoner Motorstyrningar Säkerhetssystem Verktyg Kontrollsystem Listan kan göras lång. Dessa mikrokontroller kan programmeras med hjälp av en dator till önskad funktion. De största tillverkarna idag hör Microship, Motorola, Atmel och ST-Micro. Eftersom marknaden är stor för dessa mikrodatorer finns det många tillverkare som slåss. Eftersom de massproduceras i stora volymer blir de billiga. De vanligaste processorerna är 8 och 16-bitars, med varierande minne. Slutsatser Utveckling av processorer har drivits fram tack vare energiska forskare och ingenjörer som tävlar om patent. Förfinad tillverkningsprocess gör att processorerna blir bara bättre och bättre. En stor del att utvecklingen kom så långt på 60-talet var naturligtvis att NASA behövde kretsar till deras rymdprogram. Det som gör att de fortsätter att komma med nya modeller är att efterfrågan på processorer är stor. Man vill helt enkelt ha snabbare datorer. Att försöka förutspå vart och när det hela kommer att sluta är en omöjlig fråga att svara på idag. Redan när en processor är helt ny på marknaden är nya modeller på väg att lanseras med bättre prestanda. Som det ser ut idag har inte processorutvecklingen planat ut. De mindre processorerna som vi har i vår hemelektronik kommer vara mer och mer betydande. Snart kanske man till och med kan koppla ihop mikrodatorer med vår egna hjärna. Den som lever få se 9

Referenser Litteratur Carlsson Per, Johansson Staffan, Digital Teknik, Liber AB, Stockholm,1993 Eklund Sven, Modern mikroprocessordesign, Studentlitteratur 1999, Lund 1999 Peatman John, Embedded Design with the PIC18F452 Microcontroller, Pearson Education, Upper Saddle River, 2003 Internet Elektronrör http://www.susning.nu/elektronr%f6r 2004-10-08 Historia http://hem.passagen.se/potto/mouseover2/historia.html 2004-10-08 Z80 http://www.ee.washington.edu/circuit_archive/micro/z80.html 2004-10-08 10

BILAGA 1 Sammanfattning av den mekaniska generationen: År Upphovsman Maskin Räknesätt 1642 Pascal Saknar namn Add, Sum 1671 Leibniz Saknar namn Add, Sub, Mul, Div 1843 Scheutz Difference Engine Maclaurin utveckling 1834-1871 Babbage Analytical Engine Generell beräkning 1941 Zuse Z3 Generell beräkning 1944 Aiken Mark I Generell beräkning Tabell1. Den mekaniska generationen. Sammanfattning av den elektriska generationen: Generation och År Första 1945-1954 Andra 1955-1964 Tredje 1965-1974 Fjärde 1975-1990 Femte 1991-idag Teknologi och Arkitektur Rörteknik, CPU med register, heltalsaritmetik Transistorer, kärnminnen, flyttal, I/O processorer Integrerade kretsar, mikroprogr. Cache, pipelining LSI-VLSI, Halvledarminnen, multiprocessorer, vektordatorer, mikroprocessorn Högskalig integration (ULSI), skalbara arkitekturer Programvara och Applikationer Maskinspråk, en process åt gången, inga subrutiner Högnivåspråk, subrutinbibliotek, batchkörning Tabell 2. De fem generationerna av elektroniska datorer. Multiprogrammering tidsdelning, avancerade OS Multiprocessor-OS, språk, kompilatorer och miljöer för parallella datorer Massiv parallellism 11