Intel 4004 — процессор, изменивший мир

50 лет. Странно, что сами Интел никак в новостях не пишут. Спасибо им за процессоры и архитектуру х86, что сделала революцию.

Отличная статья!

Тоже хотел в честь юбилея сделать проект на 4004 и написать статью на Хабр)

Но у меня все зависло на еще более ранней стадии:

Делал платформу для запуска минималистичных игр (на фото, как можно понять, Тетрис) с упором на минимальное использование интеловских чипов, в идеале хотел оставить только 4004 и 4002, заменив все остальное стандартной логикой. На фото 4040, т.к. его не так жалко спалить)

Отличная статья, спасибо большое, жаль мало таких статей на Хабре.

Тряхнуть историей всегда классно. Живой музей из металла и кремния.

Немного нахватает макросов

Вот интересный отрывок из книги про события тех времён:

"В НАЧАЛЕ 1969 ГОДА ФИРМА - ПРОИЗОВДИТЕЛЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Intel Development Corporation, расположенная в Силиконовой Долине, получила заказ на производство чипов для новой линии калькуляторов от японской компании Busicom, выпускавшей микрокалькуляторы. У Intel была хорошая репутация, ранее она входила в состав компании Fairchild, и ее президент Роберт Нойс принимал участие в начальной стадии разработки интегральных микросхем. Хотя Intel начала работу всего несколько меся­ цев назад, компания росла так же быстро, как и вся индустрия полупровод­ников. 

Инженер Марсиан «Тед» Хофф появился в Intel практически с ее осно­вания. Тогда он был всего двенадцатым по счету служащим. Когда он начал работать над заказом для Busicom, в компании числилось уже 200 сотруд­ников. Хофф недавно закончил университет. Получив докторскую степень, он продолжил исследования на факультете электротехники в Стэнфорде. Его работы в области полупроводников завершились получением несколь­ких патентов и места в Intel. Нойс считал, что Intel следует заниматься толь­ко производством чипов памяти. Хофф как раз и должен был продумать области применения этих чипов. Но когда Busicom заказал разработку чи­пов для калькуляторов, глава фирмы попросил молодого инженера занять­ ся этим проектом.

Хофф встретился с японскими представителями, приехавшими обсудить цели, которые преследовал Busicom. Вечером он уезжал на Таити, поэтому первая встреча оказалась краткой. Зато во время поездки у него было время подумать над возникшими проблемами, и Хофф вернулся с уже сформи­ровавшимися идеями относительно предстоящей работы. 

Первое, что его особенно насторожило: стоимость калькулятора Busicom почти равнялась стоимости мини-компьютера. Мини-ЭВМ стали относи­ тельно недорогими, их покупали исследовательские лаборатории по всей стране. Наличие двух или трех мини-ЭВМ на факультетах в университетах перестало быть редкостью. Сам Хофф успел поработать с новым компью­тером PDP-8, разработанным компанией DEC. Это был один из самых маленьких и дешевых компьютеров, имевших очень простые внутренние установки. Хофф знал, что PDP-8 может выполнять те же самые операции, что и предложенный компанией Busicom калькулятор. Стоимость услуг при­ мерно та же. Тогда зачем нужен калькулятор? Для Теда это противоречило здравому смыслу. 

Хофф задал руководству компании Intel вопрос: почему люди должны платить цену компьютера за устройство, выполняющее только часть его функций? Подобный вопрос выявил в нем приверженца академической теории, не знающего основ маркетинга. Калькулятору он предпочел бы ком­ пьютер и думал, что все придерживаются такого же мнения. Специалисты по маркетингу терпеливо попытались объяснить, в чем он неправ. Если кто- то хочет, например, приобрести только калькулятор, чтобы выполнять расчеты, ему не нужен компьютер. Но главное не в этом. Многие, даже ученые, просто боялись компьютера. Калькулятор можно было выключить в любой момент. Компьютер же представлялся устройством необычным и сложным, предназначение которого было неопределенным. 

Хофф выслушал все эти доводы и... не согласился с ними. Его больше привлекла идея создания специальной универсальной ЭВМ, которая была бы достаточно простой и недорогой. Кроме того, он считал, что универсальное устройство сделало бы проект Busicom гораздо более интересным. В результате Тед предложил японцам свой вариант проекта, основанный на PDP-8. 

Впрочем, основывался он на ЭВМ только частично. Предложение Хоф­фа содержало набор чипов, а не компьютер целиком. Но один из этих чипов был чрезвычайно интересен и важен по нескольким причинам. Во-первых, он был емким. Обычные чипы были рассчитаны примерно на 1000 операций, то есть были эквивалентны 1000 транзисторам. Чип Теда как минимум вдвое превышал это число. К тому же он, как и микросхема, мог принимать входящие сигналы и выдавать сигналы на выходе. Но если эти сигналы в про­стейшем арифметическом чипе представляли числа, а в логическом чипе - Булевы значения (истина/ложь), то сигналы на входе и выходе чипа, пред­ложенного Хоффом, становились инструкциями для микросхемы. 

Короче говоря, чип мог управлять программой. Клиенты первоначально просили сделать чип для калькулятора, но Хофф, получилось, думал над мик­росхемой для EDVAC, первой универсальной ЭВМ, работавшей на кристал­лах кремния. На его чипе по существу располагался целый компьютер. Хотя надо сделать уточнение: разработка Хоффа напоминала очень простой ком­ пьютер, не учитывала некоторые функциональные свойства, например, па­ мять и периферию для ввода и вывода информации. В итоге такие устрой­ства получили название микропроцессоров. По характеру программного обеспечения они были универсальными. 

Так как микропроцессор Intel использовал программы, хранящиеся в памяти, производители Busicom могли заставить его работать как любой калькулятор. Во всяком случае, об этом мечтал Хофф. Он был уверен, что именно такой подход правилен. Но японцев итоги его работы не впечатлили. Расстроенный Хофф разыскал Нойса. Руководитель Intel поддержал подчиненного и попросил его не останавливаться на достигнутом. Больше того, когда известный разработчик чипов Стэн Мазор оставил Fairchild, чтобы перейти в Intel, Хофф и Мазор начали работать над чипом вместе. Тогда они еще не изобрели микросхему. Специалисту в области по­лупроводников приходилось сначала переносить схему чипа на двусторон­нюю кальку, а затем это изображение накладывалось на скол кристаллов кремния. 

Продолжение работы требовало новых финансовых вливаний, поэтому Intel не пошел далее логической разработки схемы, не поговорив со своими заказчиками. В октябре 1969 года скептики из Busicom прилетели из Япо­нии для продолжения обсуждения проекта Intel. Японцы представили свои требования, а Хофф и Мазор - свои разработки. Несмотря на то, что между сторонами имелись определенные расхождения, после недолгого обсуж­дения Busicom решила принять разработки чипа. Соглашение предоставляло японской компании исключительные права на эти чипы. Для Intel это была не лучшая сделка, но, по крайней мере, она давала возможность проекту выжить. 

Получив «добро» на продолжение работы, Хофф вздохнул с облегче­нием. Чип назвали 4004, что приблизительно соответствовало числу простых транзисторов, размещенных в устройстве, и его мощности.

Тед Хофф был не единственным, кто мечтал сконструировать компью­ тер, работающий на чипах, но он первым начал проект, действительно по­ лучивший завершение. В ходе его реализации Хофф и Мазор решили еще несколько вопросов проектирования, многое сделав для совершенствования микропроцессора. 

Лесли Вадаш, возглавлявший группу разработчиков чипов в Intel, знал, кто может быстро воплотить самый чудесный замысел в жизнь - Федерико Фэггин. Фэггин был талантливым ученым, сотрудничал вместе с Вадашем в Fairchild, ранее сконструировал компьютер для итальянской компании Olivetti. Проблема была в том, что Фэггин не работал в Intel. Хуже того, он не мог немедленно взяться за проект, так как в США находился по рабочей визе и не мог поменять работу, не потеряв визы. Этот вопрос можно было решить только к следующей весне. 

Когда Фэггин в апреле 1970 года перешел в штат Intel, он сразу же при­ ступил к воплощению в жизнь концепции микропроцессора 4004. Торопило и то, что скоро должен был приехать Масатоши Шима, инженер из Busicom, для проверки и оценки окончательных результатов проекта. Фэггин начал работать над кремниевым вариантом процессора. 

К сожалению, к приезду представителя японской фирмы дела обстояли не блестяще. Хофф и Мазор успели закончить работу над набором инструкций для устройства и общей схемой, и только. Шима сразу же понял, что «разработка» состоит в основном из набора идей, пусть и удачных. «У вас просто идея, - кричал он на Фэггина, - а идея - это ничто! Зачем я приехал, если проверять нечего!» 

Фэггин признался, что работает над проектом недавно, но верит, что сумеет быстро завершить его. С помощью Мазора и Шимы, продлившего свое пребывание в США на 6 месяцев, он доделал работу в удивительно ко­роткие сроки, проводя в лаборатории по 12-16 часов в день. Он занимался тем, что до него никто никогда не делал, и по ходу работы ему пришлось придумывать новые технологические приемы, совершать, казалось бы, не­ возможное. 

В феврале 1971 года Фэггин доставил в Busicom рабочий вариант, в ко­торый вошли микропроцессоры 4004 и восемь других чипов, необходимых для работы калькулятора. Это был определенный прорыв, но скорее в об­ласти мысли, чем практического применения. 

Новое изобретение, микропроцессор, оказалось ничем иным, как даль­нейшей разработкой использования интегральных чипов для арифметиче­ских и логических операций. Безусловно, микропроцессоры наделяли чипы большими функциональными возможностями. Они выполняли достаточно много функций, связанных между собой. Для пользования каждой функ­цией необходимо было выучить отдельный, пусть и очень простой, язык. Набор инструкций для 4004 являлся языком программирования. 

Сегодняшние микропроцессоры гораздо более сложны и мощны, чем компьютер 1950 года, пусть и представлявший собой целую комнату прово­ дов. Чип 4004, придуманный Хоффом в 1969 году, стал первым пробным шагом в область, которую тогда вряд ли могли себе представить и сам изоб­ретатель, и Нойс, и менеджеры Intel. Чип 8008, появившийся два года спус­тя, стал вторым шагом. Его разрабатывали для компании СТС (Computer Terminal Corporation), позднее получившей название DataPoint. В распоря­жении СТС имелся сложный, с технической точки зрения, компьютерный терминал, ей требовалось создать чипы для реализации дополнительных функций устройства. 

Хофф снова продемонстрировал грандиозное видение того, как можно использовать имеющиеся возможности. Он предложил расположить конт­ рольную схему на одном чипе, который заменил бы все ее внутренние со­ ставляющие одной интегральной схемой. Хофф и Фэггин заинтересовались проектом 8008 прежде всего потому, что эксклюзивные права Busicom на чип 4004 делали невозможным его использование в других целях. Тот же Фэггин, занимавшийся экспериментами с устройствами автоматического контроля, понимал, что чип 4004 идеально подходит для управления режи­мом контроля, но по контракту с Busicom воспользоваться им было невоз­можно. 

Хофф решил, что, возможно, новый 8008 чип терминала найдет такой рынок сбыта, как использование в приборах контроля. У 4004 были и недо­статки. Он мог одновременно проводить операции только с четырьмя двоич­ными цифрами, что в значительной степени ограничивало его вычислитель­ную мощность. В ходе одной операции он не мог даже оперировать отдель­ной частью данных, например, размером в один символ. Новый 8008 чип таких недостатков не имел. Хотя первоначально на разработку 8008 был на­ значен другой инженер, вскоре в этот процесс включился Фэггин, и к марту 1972 года Intel выпустила чипы новой модификации. 

Правда, перед тем, как это случилось, специалисты СТС начали терять интерес к проекту. Да и в Intel пришли к выводу, что слишком много време­ни и усилий вложено в два очень сложных и дорогостоящих проекта, ни один из которых пока не в состоянии найти рынок сбыта. К тому же, сра­жаясь с конкурентами, Busicom попросила Intel для сохранения контракта снизить цены на 4004 модель. 

«Ради Бога, - пытался убедить Нойса Хофф, - дайте нам возможность продавать эти чипы другим». Нойс согласился. Но получение такого права отнюдь не гарантировало Intel удачных сделок. 

В отделе маркетинга компании появилась идея начать реализацию чи­ пов заинтересованным покупателям. Intel запустил в производство чипы памяти, которые были просты в использовании и продавались пачками, как бритвенные лезвия. Тем не менее микропроцессоры продолжали пугать потенциальных покупателей своей кажущейся сложностью, прежде всего клиенту предстояло научиться ими пользоваться. Но Тед Хофф не унимал­ся. Для применения микропроцессоров он находил новые области, о ко­торых раньше никто и не думал. Например, говорил он, вполне возможно с помощью чипа управлять лифтом. Более того, процессор может сэконо­мить покупателям деньги или заменить целую систему простейших чипов, как это было в модели 8008. 

Настойчивость Хоффа была вознаграждена, когда в Intel появился Рид- жис Маккенна, специалист по рекламе. Он представил новые разработки компании в осеннем номере журнала «Electronic News» 1971 года. Объяв­ление гласило: «Мы представляем новую эру в интегральной электронике: на одном чипе расположена программируемая микроЭВМ». Компьютер на чипе? С технической точки зрения, утверждение было рекламным трю­ком, но когда посетители выставки читали материал о чипе 4004, их увле­кала универсальность модели. И во многом статья Маккены была правдой: 4004 (и 8008) выполняли функцию принятия решений, присущую ком­пьютеру. 

Тем временем компания Texas Instruments возобновила контракт с СТС и тоже начала выпускать микропроцессоры (TI осваивала рынок так же на­стойчиво, как и Intel: ее разработчик Гэри Бун перед этим получил патент на одночиповый компьютер). Теперь существовало три различных вида про­цессоров. Отдел маркетинга Intel был прав относительно необходимости создания широкой сети поддержки потребителей. Например, клиенты нуж­дались в документации о выполняемых чипом операциях, о понятном ему языке, необходимом для него напряжении и множестве других вещей. Кто- то должен был написать руководство для пользователя, и Intel поручила эту важную задачу инженеру Адаму Осборну, который впоследствии вплотную занимался процессом превращения компьютеров в персональные. 

Программное обеспечение микропроцессора привело к образованию еще одной сферы поддержки потребителя. Чипам, как и универсальным процессорам, необходимы были программы, инструкции, которые указыва­ли бы им, что нужно делать. Для создания подобных программ в Intel сначала собрали компьютеры на базе каждого из двух микропроцессорных чипов. Эти компьютеры были некоммерческим продуктом, они использова­лись для разработки системных программ, помогающих в написании про­ грамм для процессора. По сути они были микрокомпьютерами, хотя в то вре­мя никто не использовал этот термин. 

Одним из первых разработчиков этих программ был Гэри Килдалл, ра­ботавший в одном из учебных заведений ВМС, расположенном на тихо­ океанском побережье Силиконовой Долины в Калифорнии. Как и Осборн, позднее Килдалл стал очень важной фигурой в истории разработки персо­нального компьютера. В конце 1972 года Килдалл написал простейший язык для 4004 модели. Это была программа, переводившая кодированные буквен­ные команды в еще более кодированные единицы и нули, из которых и со­ стоял набор внутренних инструкций для микропроцессора. Хотя програм­ма была написана для 4004 модели, в действительности она предназначалась для большого компьютера IBM 360. Пользуясь ею, каждый мог набрать ко­манды на клавиатуре IBM 360 и составить файл с набором инструкций для 4004 чипа, а затем и ввести его в 4004 микропроцессор, если тот был под­ключен к компьютеру IBM. Труднее было совместить 4004 модель с чем-либо еще. Микропроцессор требовалось подключать к особой схеме электриче­ской сети, созданной для соединения других чипов с устройствами типа телетайпа. Системы разработки Intel как раз и были созданы для решения проблем такого типа. Естественно, Килдалла привлекли к работе в микро­ компьютерной лаборатории компании. 

В конце концов, Гэри Килдалл заключил контракт с Intel на разработку языка для производителей чипов. PL/M (Programming Language for Micro­ computer - язык программирования для микрокомпьютеров) должен был стать языком высокого уровня, в отличие от машинного языка низкого уров­ ня, на котором был написан набор инструкций для микропроцессора. 

Пользуясь PL/М, каждый мог написать программу один раз и использовать ее на 4004 процессоре, на модели 8008 или на будущих процессорах Intel. Это существенно ускоряло процесс программирования. 

Но написание языка было непростой задачей. Чтобы понять почему, мы должны представить, как компьютер обрабатывает язык. Компьютерный язык - это набор команд, которые машина должна распознать. Компьютер 

реагировал только на те команды, которые заложены в микросхему его чипа. Выполнение языковых команд требовало создания программы, транслирую­ щей слова, понимаемые пользователем, в команды, которые могла исполь­ зовать машина.

Микропроцессоры были не только очень малы, они использовали в своей работе ограниченную логику, они имели минимальное количество функций и ужасно трудно программировались. Разработка любого языка для них была сложной задачей, не говоря уже о языке высокого уровня. Друг и со­ ратник Килдалла позднее рассказывал, что Гэри написал свой PL/М преж­де всего потому, что задача казалась неосуществимой. Это было для него интеллектуальным вызовом, как и для большинства программистов и раз­работчиков до и после него. 

Для хранения информации первые микрокомпьютеры Intel использовали бумажную ленту. Поэтому программам приходилось заставлять компьютер контролировать чтение бумажной ленты (перфоленты) и перфокарт, вво­дить данные по мере подачи информации с ленты, хранить и размещать их в памяти, выдавать информацию на перфокартах. Компьютер также мог манипулировать данными в памяти. Дырочками на перфокарте или перфо­ленте он показывал, какие ячейки в памяти свободны и какие заняты в кон­кретный момент. Многие программисты не хотели учитывать эти нюансы каждый раз при написании программы. Большие компьютеры автоматически занимались распределением памяти на задачи, используя программу, назы­ваемую операционной системой. Для программистов, работавших с больши­ми компьютерами (mainframe), операционная система была данностью, не­ отъемлемой особенностью компьютерной среды. Но в Intel занимались всем практически с нуля, и Килдалл стал автором очень простой и компактной опе­рационной системы, предназначенной именно для микропроцессоров. В ко­ нечном счете эта операционная система превратилась в язык, названный Килдаллом СР/М. Значение его стало понятно не сразу. Вот почему когда Гэри спросил руководство Intel, нет ли у компании возражений относитель­ но продвижения СР/М на рынке как его собственной системы, то там про­ сто пожали плечами и разрешили продолжать работу. У компании не было планов покупать ее для себя. А Килдалл сделал на этом целое состояние. 

Занявшись микропроцессорами, Intel уже вышла за рамки выпуска чи­пов памяти. Хотя компания и не думала о том, чтобы свернуть производ­ство, она встретилась со многими трудностями. Да, в Intel говорили о разра­ботке машин на базе микропроцессоров, даже об использовании микропро­цессоров как основного компонента маленьких компьютеров. Но продажа компьютеров на базе микропроцессоров, представлялась в лучшем случае далекой перспективой. 

Роберт Нойс в те времена считал, что микропроцессоры найдут свой рынок сбыта, скажем, в производстве наручных часов. Intel начала рассмат­ривать вопрос о других потенциальных сферах их применения, в основном, во встроенных системах, управляемых микропроцессорами: духовках, сте­реосистемах и автомобилях. Производство всех этих предметов становилось задачей потенциальных клиентов Intel, компания просто продавала бы им чипы. В ней существовало неписаное правило - не создавать конкуренции своим собственным клиентам. 

В 1972 году работать в Intel было очень интересно. У ее руководителей создавалось ощущение, что компания стала центром Вселенной и что ин­дустрия микропроцессоров имеет большие перспективы. Это казалось оче­видным Гэри Килдаллу, Майку Маккуле - менеджеру по продажам чипов памяти и другим выдающимся специалистам, работавшим в полупроводни­ковой промышленности. И еще один важный момент. В Intel решили про­ должать работу над созданием логических чипов, а сборку и программиро­вание компьютеров оставить фирмам, давно освоившимся на рынке боль­ших и мини-ЭВМ. Когда же эти компании не приняли вызов, Маккула, Килдалл и Осборн еще раз подумали над своим решением продолжать ра­ боту с чипами. В течение следующих десяти лет каждый их них стал во гла­ве собственной многомиллионной компании либо по производству персональных компьютеров, либо по созданию программного обеспечения к ним. "

Картинки по 5Мб?

Интересно сколько это стоило?