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今天，當(dāng)我們坐在電腦前沉浸在游戲中，和遠(yuǎn)在他鄉(xiāng)的女友、朋友、家人聊天和語音，在互聯(lián)網(wǎng)上沖浪、查找資料，通過網(wǎng)絡(luò)購買自己喜歡的圖書和零食，這一切目前都覺得如此地愜意和自得。但是今天的一切，也許大部分都想不到，為了這一些是多少人前赴后繼，付出了可歌可泣的貢獻(xiàn)才得到地。

最近，HW HarmonyOS又沖上熱搜，大家都希望中國又一款自主可控的國產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的“彎道超車”，回顧中國歷史上的操作系統(tǒng)有很多不堪回首的事件，但是曾經(jīng)發(fā)生的事情和有過的經(jīng)歷，卻可以讓我們更加珍惜這來之不易的幸福。而了解成功人/事的歷史，更可讓我們受益菲淺。現(xiàn)在就讓我?guī)Т蠹胰セ仡櫼幌拢@有趣而又激勵人心的輝煌歷史。

古老CPU啟示錄-Intel4004

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如今8位單片機(jī)的用途越來越少了，32位單片機(jī)越來越常見，但是你見過4-bit的CPU嗎？

1969年，日本計(jì)算機(jī)公司與英特爾合作，為其新的Busicom 141-PF *打印計(jì)算器設(shè)計(jì)12種定制芯片。英特爾工程師提出了一個只有四個芯片的家族，其中一個可以編程用于多種產(chǎn)品，從而激發(fā)了工程學(xué)的壯舉，極大地改變了電子學(xué)的發(fā)展方向。當(dāng)時Intel給出的解決方案是一套四塊芯片組成的微型計(jì)算機(jī)，稱為MCS-4。

它包括一個中央處理單元（CPU）芯片-4004，以及一個用于定制應(yīng)用程序的支持的只讀存儲器（ROM）芯片，一個用于處理數(shù)據(jù)的隨機(jī)存取存儲器（RAM）芯片以及一個移位存儲-輸入/輸出（I / O）端口的寄存器芯片。從上面看出和目前商用計(jì)算機(jī)組成基本沒什么變化，可是那時候是1971年，感嘆其偉大！

英特爾生產(chǎn)了三種主要的源代碼變體：C4004，D4004和P4004。在英特爾C4004是待制造的第一芯片; 它具有白色陶瓷包裝本身上可見的灰色痕跡。C4004的生產(chǎn)一直持續(xù)到1976年中，開始生產(chǎn)Intel D4004。D4004具有塑料黑色陶瓷包裝。在英特爾P4004是塑料包裝的版本。

自1975年中以來，美國國家半導(dǎo)體公司和日立公司已經(jīng)開發(fā)了一些輔助資源。美國國家半導(dǎo)體生產(chǎn)了兩個版本：INS4004J和INS4004D。所述INS4004J是16針黑，陶瓷DIP，而INS4004D版本是16引腳側(cè)面釬焊，陶瓷DIP。另一個來源是HD35404所作日立。第三個來源是國際微系統(tǒng)公司（Microsystems International），該公司實(shí)際上是從1970年中期開始制造該芯片的增強(qiáng)版本的（也于1971年推出）。幾種“變形體”的區(qū)別：

Manufacturer	Model	Package
Intel	C4004	16-pin Ceramic DIP
Intel	D4004	16-pin Ceramic DIP
Intel	P4004	16-pin Plastic DIP
National Semiconductor	INS4004D	16-pin Ceramic DIP
National Semiconductor	INS4004J	16-pin side-brazed Ceramic DIP
Hitachi	HD35404	16-pin DIP
Microsystems International	MF7114	?

4004具有16個引腳，用于I / O，存儲控制器，時鐘相位，電源和復(fù)位。

引腳和說明
別針＃	引腳名稱	目的	解釋
1個	D0	雙向數(shù)據(jù)總線引腳	與ROM和RAM的地址和數(shù)據(jù)通信發(fā)生在D0-D3上。
2個	D1
3	D2
4	D3
5	VSS	主要供應(yīng)
6	時鐘階段1	時鐘輸入
7	時鐘階段2
8	同步	ROM和RAM同步	通過發(fā)信號通知時鐘在上升沿來同步ROM和RAM。
9	重啟	重置標(biāo)志	邏輯1清除所有處理器狀態(tài)寄存器，并強(qiáng)制程序計(jì)數(shù)器跳到地址0x0。RESET信號必須至少打開64個時鐘周期才能生效。
10	測試	測試邏輯狀態(tài)	信號可以通過JCN指令進(jìn)行測試。
11	光盤	CM-ROM輸出	ROM選擇信號，用于從內(nèi)存中檢索數(shù)據(jù)。
12	VDD	VSS-15±5％
13	CM-RAM3	CM-ROM輸出	系統(tǒng)中4002 RAM芯片的存儲體選擇信號。
14	CM-RAM2
15	CM-RAM1
16	CM-RAM0

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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寄存器組

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	名稱	大小（bits）
–	Accumulator	4
–	Carry/Link	1
索引寄存器	Index Registers ( IR )	（4+4）*8
程序寄存器	Program Counter ( PC )	12
程序寄存器	Program Counter ( PC )	12
堆棧指針	Stack Pointer ( Stack )	12*3
臨時寄存器	TEMP.REG	4
–	INSTRUCTION REGISTER	8

指令集

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（帶 * 號的是雙字指令，需要兩個指令周期（1指令周期 = 8時鐘周期））

	基礎(chǔ)指令
HEX	助記符	指令字1	指令字2	功能
00	NOP	0000 0000	–	無
1	*JCN	0001 CCCC	AAAA AAAA	當(dāng)條件C成立，跳轉(zhuǎn)到當(dāng)前ROM頁的A地址
2	*FIM	0010 RRR0	DDDD DDDD	取當(dāng)前頁D地址處的數(shù)據(jù)，送至IR的R號寄存器對內(nèi)
3	FIN	0011 RRR0	–	取IR中第0寄存器對數(shù)據(jù)作為ROM頁內(nèi)地址，將數(shù)據(jù)送至IR寄存器的R號寄存器對內(nèi)
3	JIN	0011 RRR1	–	將IR中R號寄存器對內(nèi)數(shù)據(jù)作為間接跳轉(zhuǎn)地址進(jìn)行跳轉(zhuǎn)
4	*JUN	0100 AAAA	AAAA AAAA	無條件跳轉(zhuǎn)至地址A
5	*JMS	0101 AAAA	AAAA AAAA	無條件跳轉(zhuǎn)至地址A，將原地址保存在堆棧SP中
6	INC	0110 RRRR	–	RRRR寄存器+1
7	*ISZ	0111 RRRR	AAAA AAAA	RRRR寄存器+1，如果結(jié)果不為0，跳轉(zhuǎn)至頁內(nèi)地址A
8	ADD	1000 RRRR	–	AC=AC+RRRR+C
9	SUB	1001 RRRR	–	AC=AC-RRRR-C
A	LD	1010 RRRR	–	AC=RRRR
B	XCH	1011 RRRR	–	AC與RRRR交換
C	BBL	1100 DDDD	–	借助堆棧地址返回,AC=DDDD
D	LDM	1101 DDDD	–	AC=DDDD
F0	CLB	1111 0000	–	AC=0，C=0
F1	CLC	1111 0001	–	C=0
F2	IAC	1111 0010	–	AC=AC+1
F3	CMC	1111 0011	–	C=~C
F4	CMA	1111 0100	–	AC=~AC
F5	RAL	1111 0101	–	{C,AC}向左循環(huán)平移一位
F6	RAR	1111 0110	–	{C,AC}向右循環(huán)平移一位
F7	TCC	1111 0111	–	AC=C， C=0
F8	DAC	1111 1000	–	AC=AC-1
F9	TCS	1111 1001	–	當(dāng)C=0，AC=1001當(dāng)C=1，AC=1010
FA	STC	1111 1010	–	C=1
FB	DAA	1111 1011	–	對AC執(zhí)行BCD修正
FC	KBP	1111 1100	–	對AC進(jìn)行獨(dú)熱碼到二進(jìn)制轉(zhuǎn)換若輸入非法值，AC=1111
FD	DCL	1111 1101	–	使用AC的低3位進(jìn)行轉(zhuǎn)換頁AC=000時選擇CM0其他情況以三位分別控制
	I/O與RAM指令
2	SRC	0010 RRR1	–	分別在指令周期的X2與X3處將R寄存器保存的頁內(nèi)地址送至ROM和RAM
E0	WRM	1110 0000	–	將AC寫入選中的RAM主字符( 4位 )中
E1	WMP	1110 0001	–	將AC寫入選中的RAM端口中( 注：MCS-4中，RAM/ROM亦用作IO端口 )
E2	WRR	1110 0010	–	將AC寫入選中的ROM端口中
E3	WPM	1110 0011	–	將AC寫入選中的可讀寫程序存儲器中( 搭配4008/4009/4289使用 )
E4	WR0	1110 0100	–	將AC寫入選中的RAM的0號狀態(tài)字符中
E5	WR1	1110 0101	–	將AC寫入選中的RAM的1號狀態(tài)字符中
E6	WR2	1110 0110	–	將AC寫入選中的RAM的2號狀態(tài)字符中
E7	WR3	1110 0111	–	將AC寫入選中的RAM的3號狀態(tài)字符中
E8	SBM	1110 1000	–	{C,AC}=AC-C-選中的RAM主字符
E9	RDM	1110 1001	–	將選中的RAM主字符寫入AC
EA	RDR	1110 1010	–	將選中的ROM輸入端口數(shù)據(jù)寫入AC
EB	ADM	1110 1011	–	{C,AC}=AC+C+選中的RAM主字符
EC	RD0	1110 1100	–	將選中的RAM的0號狀態(tài)字符寫入AC
ED	RD1	1110 1101	–	將選中的RAM的1號狀態(tài)字符寫入AC
EE	RD2	1110 1110	–	將選中的RAM的2號狀態(tài)字符寫入AC
EF	RD3	1110 1111	–	將選中的RAM的3號狀態(tài)字符寫入AC

以上就是Intel公司首款商用處理器，Intel原本只是造存儲器的一家小公司，因?yàn)槿毡綛usicom公司（造計(jì)算器）的小看，從此Intel慢慢轉(zhuǎn)型進(jìn)入微處理器的市場，一發(fā)不可收拾成。4004是Intel歷史性的標(biāo)志。

MCS-4就是4004處理器+4001ROM+4002RAM+4003SR的組合，微型計(jì)算機(jī)就是多塊芯片的集合，中央處理器用來負(fù)責(zé)控制和管理，下一講我們將講解MCS-4微型計(jì)算機(jī)，看看這一牛逼的微型計(jì)算機(jī)。

總結(jié)

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總結(jié)一下，Intel 4004有什么先進(jìn)性值得學(xué)習(xí)？

1、英特爾4004成為市場上第一個通用可編程處理器—工程師可以購買并使用軟件進(jìn)行定制以在各種電子設(shè)備中執(zhí)行不同功能的“基石”； 2、體積小巧，盡管在1971年，這款革命性的微處理器只有一個指甲大小，具有與1946年制造的第一臺電子計(jì)算機(jī)相同的計(jì)算能力，該電子計(jì)算機(jī)占據(jù)了整個房間。

3、與當(dāng)今產(chǎn)品通常使用的12英寸晶圓相比，第一個Intel4004微處理器是在2英寸晶圓上生產(chǎn)的。英特爾4004微處理器的獨(dú)特之處在于，它是有史以來投入商業(yè)生產(chǎn)的最小的微處理器設(shè)計(jì)之一。

4、1971年，英特爾4004處理器裝有2,300個晶體管。到2010年，具有32納米處理管芯和第二代高k金屬柵極硅技術(shù)的英特爾酷睿處理器可容納5.6億個晶體管。

5、英特爾4004微處理器電路的線寬為10微米或10,000納米。如今，英特爾微處理器的電路功能范圍在45至10納米之間。相比之下，人的平均頭發(fā)寬度為100,000納米。

位數(shù)/頻率：4bit/6萬次

頻率/前端總線：108KHZ/0.74MHz （4bit）

封裝/針腳數(shù)量：陶瓷DIP,塑封DIP / 16針

核心技術(shù)/晶體管數(shù)量：10微米 / 225

參考鏈接：https://www.4004.com/busicom-replica.html

http://www.intel4004.com/

http://e4004.szyc.org/

https://en.wikichip.org/wiki/intel/mcs-4

編輯：jq

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原文標(biāo)題：Intel的第一款CPU長啥樣？Intel 4-Bit的CPU簡介

文章出處：【微信號：Open_FPGA，微信公眾號：OpenFPGA】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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