从诞生到无处不在 一文看懂四位微处理器

微处理器由一片或少数几片大规模集成电路组成，能完成读取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，所以其基本组成部分有算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logical Unit）；累加器（accumulator）和通用寄存器（register）；程序计数器（也叫指令指标器）；时序和控制逻辑部件；数据与地址锁存器／缓冲器；内部总线。

微处理器从20世纪60年代未开始出现，到今天已经无处不在，无论是手机、可穿戴设备等智能电子产品，还是汽车，数控机床，导弹，航空航天，等都要嵌入各类不同的微处理器。

根据微处理器的应用领域，可以分为三类：通用高性能微处理器、嵌入式微处理器和数字信号处理器、微控制器（MCU）。

根据微处理器处理信息的字长，有4位、8位、16位、32位、64位微处理器。早期的微处理器（16位及以前）生产厂商鱼龙混杂，不只INTEL，还有Mitre、Garrett AiResearch、Intel、TI、Fairchild、Rockwell、NEC、National Semiconductor、Western Electric、Motorola、Zilog、INMOS、DEC、SUN。到了32位，主要是Intel的天下，从Pentium到其PRO版，II代、III代，IV代等等，AMD和VIA等虽然好好学习，但还是难以撼动Intel的霸主地位。

下面我们开始踏上4位微处理器时代之旅，让我们了解一下4位时代的精典产品。

虽然微处理器直到1970年才出现，但是1969年7月美国登月飞船“阿波罗11号”就采用了复杂的计算系统，包括姿态控制、制导导航系统以及船载计算机等。这些复杂的计算系统吸引了美国各大公司投身其中，纷纷力争推出自己的计算机产品来取代对方。

在20世纪70年代开发4位微处理器的公司有Mitre、Garrett AiResearch、Intel、TI、Fairchild、Rockwell、NEC、National Semiconductor等。

2140

1968年多名从Mitre公司离职的工程师创建了Viatron计算机公司，于1969年发明了第一个基于LSI技术的4位微处理器2140。

MP944

MP944是第一个航空航天微处理器，也是第一个军用微处理器，还是第一个完全集成芯片组微处理器。

1968年Garrett AiResearch开始研制一种数字计算机，以同正在开发中的用于美国海军F－14雄猫战斗机的主飞行控制电脑的电机系统竞争。1970年6月，美国Garrett AiResearch的Steve Geller和Ray Holt发明了基于MOS－LSI技术的产品，由6颗芯片组成（两个顶级的石英传感器，一个20位高精度的模数字转换器A／D，一个20位高精度数模转换器D／A，一个MOS－LSI芯片组，一个高效的电源单元），命名为MP944。该芯片仅约40平方英寸（约25000平方毫米），频率达375KHz，以更小的体积和更高的可靠性打败了基于电机系统的设计，被运用于美国海军早期的所有雄猫战斗机（TomCat fighter，包括F－14雄猫战机），1970年第一架使用MP944的F－14飞机试飞；由于美国军方认为这种技术太过先进而不允许将其设计细节公开，直到1998年才得以揭开其面纱。

TMS1000

1971年9月17日，TI（TexasInstruments，德州仪器）的Gary Boone和Michael Cochran开发出以预编程嵌入式应用（pre－programmed embedded applications）为主打技术的4位微处理器TMS 1000，采用DIP28封装；1973年9月4日Gary Boone获得了单片微处理器的美国专利，专利号是3757306；1974年TI（德州仪器）再推单芯片4位微处理器－TMS1802NC，广泛应用于公司的袖珍计算器中，为计算机领域带来新的动力。

4004

1971年11月15日，Intel（英特尔）推出第一款商用4位微处理器－4004，采用硅栅PMOS 10μm工艺生产，Die Size芯片面积只有13．5mm2，集成了2．25K个晶体管，采用CDIP16封装，4004包括一个四位的平行加法器、十六个四位的缓存器、一个储存器（accumulator）与一个下推堆栈（push－down stack），由Federico Faggin（1970年加入英特尔，后来创立了ZILOG公司）和Marcian E．Hoff（霍夫，昵称Ted Hoff）设计。该芯片于1981年停产。

用4004芯片，配上4001（40字节的动态内存DRAM）、4002（256字节的只读存储器ROM）、4003（10位的移位寄存器芯片Register），再加上键盘和数码管，就构成了一台完整的微型计算机MCS－4。

最初的Intel 4004微处理器采用金顶白色陶瓷封装，后期才出现了普通黑陶瓷以及塑料封装（Intel生产早期微处理器的惯例：）金顶白陶4004又分为普通白陶、灰色痕迹白陶、5系白陶三类。其中，灰色痕迹白陶瓷版最为珍贵。

PPS－25

其他1972年Fairchild推出4位微处理器PPS－25，是一款多芯片微处理器，频率200KHz，采用PMOS工艺。

PPS－4

1972年8月Rockwell发布4位微处理器PPS－4，频率200KHz，采用PMOS工艺，封装采用QUIP（Quad－In－Line），42引脚封装。被用于计算，控制和游戏应用。

μCOM 4

1973年日本NEC公司推出4位微处理器，频率达1MHz，采用NMOS技术生产，集成了2500个晶体管。

IMP－4

美国国家半导体（NSC）推出的首款微处理器，频率500 kHz，采用NMOS技术生产。

4040

1974年11月Intel（英特尔）推出4位微处理器－4040，使用PMOS硅栅10制程，集成3，000 个晶体管，频率740kHz，使用 4 到 5．185 MHz 石英震荡器，运行速度0．06 MIPS， 4040采用陶瓷和塑料DIP24封装。

总结报告：初期的四位微处理器都是采用NMOS或PMOS工艺，线宽都在8－10μm ，200K－1M之间，且以多芯片。