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早期微控制器的历史,第4部分:英特尔8048和8748

1971年底,英特尔宣布了第一个商业上成功的微处理器4004。到1974年,英特尔推出了四款微处理器:4位的“低端”4004和升级版4040,以及8位的8008和8080。英特尔的4位4004和4040微处理器主要用于嵌入式控制应用,其中I/O能力和性能以及较低的部件成本超过了8位设备的优越处理性能。然而,英特尔不再独霸微处理器市场。到1974年,其他几家半导体厂商也推出了相互竞争的微处理器,尤其是4位的罗克韦尔PPS4、8位的摩托罗拉6800、多芯片的仙达F8和国家半导体公司的16位多芯片的imp16。东芝专门为福特设计、制造和交付了12位TLCS-12微处理器作为引擎控制器,还有更多的微处理器正在开发中。

更糟糕的是,德州仪器(TI)在1974年推出的4位TMS1000微控制器系列,将4位CPU、RAM、ROM和I/O电路放在一个芯片上,这简化了系统设计,并显著降低了基于处理器的控制的成本。TI TMS1000系列的推出当然引起了一些潜在客户(以及一些半导体制造商)的注意。处于困境中的英特尔开始在嵌入式市场的微处理器和微控制器竞争中失去嵌入式系统设计。这种情况必须停止。英特尔需要做出回应,该公司也知道这一点。

1974年10月,当小亨利·布鲁姆(Henry Blume Jr.)来到英特尔时,公司内部已经达成了开发微控制器的协议。英特尔已经在生产微处理器、RAM芯片、只读存储器和紫外线可擦除的eprom,并拥有自主生产这些部件的工艺技术。主要的决定是微控制器是像TMS1000一样采用4位CPU,还是8位CPU。根据计算机历史博物馆(CHM)在2008年与许多负责开发8048的人进行的口述历史小组讨论,英特尔公司营销高级副总裁Ed Gelbach做出了这个决定。英特尔的微控制器将采用8位CPU,因为4位CPU没有足够的吸引力。(注:参考资料部分的8048口述历史中有几次提到了性吸引力,而不是在性的背景下,这似乎是当时英特尔经常使用的优点。)

虽然8048是传统上用于英特尔第一个微控制器的通用名称-实际的家族名称是MCS-48 -口述历史清楚地表明,8748 EPROM版本首先出现。这是因为8748可以立即用于软件开发和早期原型设计,而客户需要一两年的时间来开发他们的软件,直到他们可以订购基于rom的8048设备。8748也将是一个更难制造的器件,因为英特尔的EPROM工艺技术与该公司的其他工艺技术有很大的不同,所以它是有意义的,首先准备好该器件,然后花一年的时间来设计基于rom的8048。最后,英特尔可以也愿意为可重复使用的8748处理器收取更高的费用,这意味着该公司可以更快地获得更多收入。

David Stamm于1974年1月加入英特尔,最初致力于修复4004和4040微处理器的bug,当时这两款微处理器正在生产中。然后,他设计了英特尔4308,这是一款支持英特尔4040的芯片,它将1kbyte的ROM与一些I/O端口结合在一起。4308集成了4块英特尔4001芯片的功能,其中包含一个256位ROM和一个I/O端口,因此4308只有半个微控制器,没有CPU和RAM。在设计完4308之后,Stamm被分配到8048项目。他在8048口述历史中说,他当时单身,所以他“在8048日夜生活和呼吸了两年多。”

Stamm的首要任务是开发微控制器的指令集。它将是全新的,适合8位微控制器,而不是英特尔已经生产的微处理器。在口述历史中,斯坦姆回忆道:

“我们有三个人全职在这个项目上:我自己,我负责指令集、逻辑设计和整体芯片进度;David Buddy负责集成EPROM技术和所有EPROM编程逻辑和EPROM组件的传感逻辑,以及大多数电路设计相关的复杂任务;然后是Dwayne Hook,他负责芯片的所有布局…

“第一阶段实际上是指令集设计。我大学毕业一年,获得了学士学位,我在想我有什么生意要为这些组件开发下一代指令集?实际上,没有人会那么仔细地盯着我的肩膀,但我说,好吧,我去试试。幸运的是,在大学里,我学过一种叫做COMPASS的汇编语言编程,它是CDC的一部分,现在已经不存在了。

“但我在那里学到了很多汇编语言编程,然后我研究了4040,并查看了所有其他指令集,以便尝试想出什么样的指令集可能有意义。挑战在于你必须考虑指令集在芯片成本方面的复杂性。

“例如,减法和比较将是非常有价值的指令,但它们极大地增加了额外的芯片区域。所以,我决定我们真的负担不起这些,特别是因为我们要进行8位的设计。我曾经是8-bit的坚定支持者。其中一个反对意见是成本和模具尺寸。因此,在这些设计步骤中,我尽我所能地抛弃了那些我认为会增加额外模具尺寸的特性和功能。现在回想起来,我想我可能有点过头了——尽管当时很难得出这样的结论。”

在口述历史中,布鲁姆插话道:

我还想指出Dave的两个著名的,或者说他最喜欢的指令是SEX和SIN,分别代表设置外部模式和设置内部模式。然后当系统里的人接管时,他们删除了SEX和SIN……他们重新命名了它们。”

在8048的设计中,为了确保芯片可以用现有的工艺技术制造而做出的限制并不局限于指令集。内存空间限制是另一个重要的限制。最初的8048对程序内存有4kbyte的地址空间限制,但实际上它被分成了两个2kbyte的组。8048的程序计数器表面上有12位,但最重要的位来自一个单独的寄存器,可以用于银行切换。最初,8048集成了1kbyte的程序内存,所以这个决定一开始并不困难。最终,它会。Stamm解释道:“游戏中存在着许多限制,主要是为了保持较小的模具尺寸。”

英特尔在早期没有模拟软件,所以设计团队做了一个面包板。Stamm回忆道:

“所以,我们制造了这个大型面包板,它本身就是一个完全不同的设计项目,使用了我们希望通过8048的开发消除的相同类型的组合逻辑……我们使用TTL和DTL设备,我记得面包板很大。”它大概有5英尺高,2到3英尺宽,背部完全被电线覆盖。”

这就是当时芯片设计的最高水平。

在将新的微控制器投入生产之前,设计团队必须与英特尔高管Andy Grove、Gordon Moore和Lex Vadasz会面,并说服他们8748已经准备好进入市场。演示完成后,Stamm决定编写一个21点程序。斯塔姆喜欢赌博,经常去太浩湖赌场。编程的8748将驱动哑终端,大概是通过RS-232电压转换器。Stamm回忆说,他在编写21点程序时发现了自己的微控制器指令集的局限性。他还填满了8748的程序内存,没有空间为21点游戏添加双下功能。第一个为8048编写的应用程序立即揭示了它的主要局限性。

为了让演示更具吸引力,该团队决定为8748配备一块电池,电池是用插在柠檬或橘子里的铜和锌条制成的。至少口述历史是这样描述的。8748在100毫安的电压下需要5伏电压才能运行,而由一个橘子制成的铜锌电池只能产生1伏或更低的电压,所以这个演示要么用了不止一个橘子,要么这个故事是虚构的。不过这是个很棒的故事。

1976年末,英特尔宣布了MCS-48微控制器家族,其中包括8048和8748,目标是在1977年第一季度出货1000台收益单元,全部8748设备。Blume回忆说,实际出货量为770套,每个人都认为这是成功的,毫无疑问,这是大量预售的结果。英特尔8748大获成功。产品经理霍华德·拉斐尔回忆起早期的客户包括吉尔巴可(汽油泵)、泰克和克莱斯勒。

Magnavox以《奥德赛》为原型28048的视频游戏机。8048被广泛用于各种模拟音乐合成器键盘,包括Korg Trident系列,Korg Poly-61, Roland Jupiter-4和Roland ProMars。

像许多模拟音乐合成器一样,Roland Jupiter-4使用英特尔8048作为控制器。图片来源:Raymangold22,维基共享资源

Sinclair QL个人计算机使用Intel 8049(带有2kbyte ROM的8048)来管理它的键盘、操纵杆端口、RS-232输入和音频输出。任天堂在其最初的《大金刚》街机游戏中使用了无rom的8035微控制器(很可能是带有糟糕EPROM的8748微控制器)来生成游戏音乐。我的朋友兼同事沃利·沃伦(Wally Wahlen)在1979年推出的惠普(Hewlett-Packard) 9876热页打印机的设计中采用了英特尔8048作为控制器。

任天堂使用8035(无rom的8048)在其大金刚视频游戏街机游戏机中生成音乐。图片来源:Rob Boudon,美国纽约市,维基共享资源

最终,IBM个人电脑将使用英特尔8048作为键盘控制器。然而,IBM PC并不是第一台以这种方式使用8048的计算机。这一里程碑属于Tandy TRS-80 Model II,它使用了成本更低的28针8048型号8021来管理其可拆卸的键盘和扫描按键。

坦迪II型个人电脑使用8048作为键盘控制器。图片来源:Piergiovanna Grossi,维基共享资源

因特尔8048系列为因特尔带来了巨大的成功,但它的设计局限性几乎立即暴露出来。到1977年,程序地址空间的限制开始明显地挤压客户,到当年的第四季度,也就是8048问世一年之后,英特尔开始定义8048的继任者,也就是8051。它将获得更大的成功,可以很容易地被称为不会消亡的微控制器,至少现在还不会。然而,这个故事必须等待时机。

参考文献

关于Intel 8048微控制器的发展和推广的口述历史小组,计算机历史博物馆,2008年7月30日

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