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Transcription

1 マイクロコンピュータ CPU Chip Select Read/Write アキュムレータレジスタ インストラクションデコーダ 1

2 モトローラ社 MC6800 マイクロプロセッサ 2

3 メモリー IC MC6800 マイクロコンピュータの製作 MC6800 マイクロコンピュータのコンソール 3

4 MCS 6502 マイクロプロセッサのレジスタ構成 8 ビットマイクロプロセッサ Z80 マイクロプロセッサ 4004 の後継である 8008 は世界初の 8 ビットマイクロプロセッサである これらのプロセッサはインテルの 8080 ザイログの Z80 他のインテル製派生プロセッサの先駆者である 対抗するモトローラの MC6800 とバス互換としパイプライン処理の採用など改良を加えたモステクノロジーの 6502 が Z80 と覇を競った 1980 年代前半のことである Z80 も 6502 もシステム全体のコストを低減することに注力しており パッケージを小さくし 要求されるバスを単純なものにし それまで外部に別チップで持たなければならなかった回路 ( 例えば Z80 は DRAM リフレッシュカウンタ ) を内蔵した これにより 1980 年初頭にホームコンピュータ市場が新たに生まれ それなりに使えるマシンが 99US ドルで売られるようになった モトローラが切り札としてリリースした MC6809 は命令セットに直交性があり美しい設計が特徴の 事実上最もパワフルな 8 ビットマイクロプロセッサであり 当時製品化されたマイクロプロセッサの中で最も複雑な回路から成っていた 4

5 他の初期の 8 ビットマイクロプロセッサとして Signetics の 2650 がある PDP-8 を機能縮小しワンチップ化したものであるが PDP-8 を知らない層からは一風変わったパワフルな命令セットと受け止められた 航空宇宙分野での最初のマイクロプロセッサは RCA の RCA 1802( 別名 CDP1802 RCA COSMAC) は 1970 年代の NASA の宇宙探査機ボイジャーとバイキングに使われた 木星探査機ガリレオにも搭載されている (1989 年出発 1995 年到着 ) CDP1802 が使われた理由は 消費電力が極めて小さいことと 非常に広い電源電圧範囲で動作すること 製造プロセス ( 産業での用途 Silicon on Sapphire) が宇宙線や放電に他のどんなプロセッサよりも強いからであった したがって 1802 は最初の放射線耐性マイクロプロセッサと呼ぶにふさわしい 16 ビットマイクロプロセッサ TI TMS9900 最初の複数チップで構成された 16 ビットマイクロプロセッサは 1973 年に登場したナショナルセミコンダクターの IMP-16 である 8 ビット版のチップセットは IMP-8 として 1974 年に登場した 1975 年 ナショナルセミコンダクターは最初の 16 ビットマイクロプロセッサ PACE を開発 後に NMOS 版の INS8900 を開発した その他の初期のマルチチップ 16 ビットマイクロプロセッサとしては PDP-11 を LSI 化した LSI- 11(PDP-11#LSI-11 を参照 ) フェアチャイルドセミコンダクターの MicroFlame 9440 があり これらは 1975 年から 1976 年に登場した 最初のシングルチップの 16 ビットマイクロプロセッサは TI の TMS9900 であり これは同社のミニコンピュータ TI 990 シリーズと互換性があった 9900 はミニコンピュータ TI 990/4 ホームコンピュータ TI-99/4A OEM 用マイコンボード TM990 シリーズに使われた インテルは 8080 を拡張して 16 ビットの Intel 8086 を設計した インテルは 8086 を 8080 用ソフトウェアを最も簡単に移植できる方法として提案し 成功した 8086 と 8088 に続いて インテルは をリリースし 1985 年に 32 ビットの をリリースするに及んで 下位互換を武器に PC 市場での占有状態を強固なものにした 32 ビットマイクロプロセッサ 市場では 16 ビットマイクロプロセッサは完全な 32 ビットを実装したマイクロプロセッサが現れるまでのつなぎでしかなかった インテルの最初の 32 ビットマイクロプロセッサは iapx432 である 1981 年に登場したものの市場では失敗した iapx432 は権限に基づくセキュリティ機構とオブジェクト指向という進んだアーキテクチャだったのだが モトローラの などの対抗アーキテクチャに比較して性能が及ばなかった モトローラは 1985 年に MC68020 で データバスもアドレスバスも完全 32 ビット化されたマイクロプロセッサを出荷した は UNIX 市場では非常に人気を博し 多くの小企業が を使ってデスクトップサイズのシステムを製品化した 日本でもソニーの NEWS NEC の EWS4800 住友電工の Estation などが を使って製品化された 続く MC68030 はチップに MMU を内蔵し 68K ファミリーは MS-DOS 以外のあらゆるものが動作するプロセッサとなった さらに MC68040 では FPU を内蔵して浮動小数点演算性能を向上させた は予定していた性能目標を達成できず リリースされなかった そして MC68060 が出荷されたころ 市場にはより高性能な RISC プロセッサがあふれていた 1990 年代初頭 68K ファミリーはデスクトップ市場から消えていった 他の多くの企業が やその後継プロセッサを組み込み機器用に使用した 特筆すべきは 機器に組み込まれた の個数は これまでに出荷されたインテルの Pentium 搭載 PC より多いのである ColdFire のプロセッサコアは の正当な後継である 1980 年代中盤までに ナショナルセミコンダクターは外部 16 ビットで内部アーキテクチャが 32 ビットであるマイクロプロセッサ NS16032 ( 後に と改称 ) と完全 32 ビット版の NS32032 を開発 また それを使用した OEM 向け 32 ビット小型コンピュータシリーズをリリースしている シークエント コンピュータは 1980 年代中頃に NS32032 を使った最初の対称型マルチプロセッサ (SMP) サーバコンピュータを開発した これは設計という面では勝利と言えるものだったが 1980 年代終盤には消えていった 他にもザイログの Z80000 などは興味深いが市場でチャンスを掴むには登場が遅すぎたため即座に消えていった インテルが発売した は x86 アーキテクチャでの最初の 32 ビットプロセッサであり ここで採用された IA-32 アーキテクチャ上では多くの本格的 OS が動作し 後のインテルや互換プロセッサの基礎となった 1980 年代終盤 いわゆる マイクロプロセッサ戦争 が勃発しいくつかのマイクロプロセッサが " 戦死 " した 前述の唯一の設計上の勝利と称した Sequent は NS32032 が消えるとともにインテルのマイクロプロセッサに切り替えた 64 ビットマイクロプロセッサ PC(PC/AT 互換機と Macintosh) 向けマイクロプロセッサは 21 世紀に入ってから 64 ビット化が行われた 2003 年 4 月に AMD の Opteron が 同年 6 月には IBM の PowerPC G5 が出荷開始され AMD の Athlon64 は 2003 年 9 月 インテル Xeon は 2004 年である Power Mac G5 が最初の 64 ビットデスクトップとして登場したあと AMD が 2003 年 9 月に Athlon 64 で x86 (IA-32) アーキテクチャを拡張した AMD64 アーキテクチャの 64 ビットチップを導入し それに続いてインテルが AMD64 互換の IA-32e アーキテクチャの 64 ビットマイクロプロセッサを登場させるに及んで Windows パソコンにも 64 ビットデスクトップ時代が到来した AMD64 は 64 ビットのソフトウェアと同時に 32 ビットの従来のアプリケーションを動作させることができるので 64 ビットに対応したオペレーティングシステムで動作させることにより プロセッサの性能と機能を発揮させることができる マイクロコンピュータの誕生と発展 嶋正利インテルジャパンデザインセンター 5

6 4004 は日本のビジコン社とインテルによる共同開発である 1969 年 ビジコンはプログラム制御 [3] の電卓を計画し インテルにそのためのチップセットの開発を提案していた ビジコンの当初案では マクロ命令による制御で 10 個前後 [4] のチップが必要というものだった これは電卓としては汎用 ( プログラム次第でいろいろな電卓ができる ) だが 電卓用という意味では専用のチップ というものであった これに対し インテルの技術者テッド ホフは ワード長が 4 ビットであることを除けば 汎用のコンピュータそのものという構成を提案した 複数桁の演算処理は 1 桁 (4 ビット ) の演算の反復で置き換えればよく また 外部機器の制御も ソフトウェアによる制御に置き換えればよい というのである 1969 年 8 月末のことであるが この構成における CPU こそが 4004 であり マイクロプロセッサの原点となったわけである このアイディアにもとづき 嶋正利とフェデリコ ファジンが中心となって 嶋が論理設計しファジンが物理設計 ( 回路設計とマスクレイアウト ) を行い 4004 は完成した 当初の契約では このチップはビジコンに対する専売となっていたが チップの汎用性に気付いたインテルが他への販売を希望し 一方でビジコン側は資金の要求があった事から 契約金の一部をビジコンに払い戻すことでインテルはチップの販売権を得て 1971 年 11 月 15 日に 4004 として出荷が開始された 最高動作周波数 741KHz ただし 命令アドレス出力に 3 クロック 命令読み出しに 2 クロック 命令実行に 3 クロックの計 8 クロックを要する プログラムのメモリ空間とデータのメモリ空間の分離 ( ハーバード アーキテクチャ ) ノイマンボトルネックを解消し性能を向上するために採用されたハーバード アーキテクチャではバスを分離するが 4004 の場合は性能が目的ではない ピン数の節約のため 以下の信号は単一の 4 ビット物理バスを共用 ( 多重化 ) している 12 ビットのアドレス 8 ビットの命令 4 ビットのデータ命令セットには 46 種の命令がある ( うち 41 種は 8 ビット長 5 種は 16 ビット長 ) 16 個の 4 ビット長レジスタスタックはハードウェアスタックで プログラムカウンタに直結されておりサブルーチン呼び出し専用 深さは 3 段 Intel

7 MCS-4 MCS-4 ファミリー (1970 年代末 年代初製 ) 当初の周辺チップとしては 容量 2048bit のマスク ROM Intel 4001 容量 320bit の RAM Intel bit シフトレジスタ兼 10bit 出力ポートの Intel 4003 があった これらを含めて MCS-4(Micro Computer Set) とした 初期ファミリ内でのチップの組み合わせで ROM 32768bit(2048bit 16) RAM 1280bit(320bit 4) の構成が可能 ビジコンの目的であった電卓における構成は だいたい以下のようなものとなる 4001 に関数などのプログラムが格納されている 4003 でキー入力をシフトしながら 4004 へ渡す 4004 で入力された数値を 4002 に書き込む 4001 にあるプログラムを使って 4004 で 1 桁ずつ演算を行い結果を 4002 に書き込む 4003 でシフトしながら表示板に出力する 7

8 i8080 8

9 9

10 10