ریزپردازنده

ریزپردازنده (میکروپرسسور) یک پردازنده کامپیوتری است که منطق پردازش داده و کنترل آن بر روی یک مدار مجتمع (IC)، یا تعداد کمی آی سی گنجانده شده است. ریزپردازنده حاوی مدارهای محاسباتی، منطقی و کنترلی است که برای انجام عملکردهای واحد پردازش مرکزی کامپیوتر (CPU) لازم است. آی سی قادر به تفسیر و اجرای دستورالعمل های برنامه و انجام عملیات حسابی است. ریزپردازنده یک مدار مجتمع دیجیتالی چند منظوره ، مبتنی بر ثبت ، مبتنی بر ساعت است که داده‌های باینری را به عنوان ورودی می‌پذیرد، آن‌ها را مطابق دستورالعمل‌های ذخیره شده در حافظه خود پردازش می‌کند و نتایج (به شکل باینری) را به عنوان خروجی ارائه می‌کند. ریزپردازنده ها شامل منطق ترکیبی و منطق دیجیتال متوالی هستند و بر روی اعداد و نمادهای نمایش داده شده در سیستم اعداد باینری کار می کنند .

ادغام یک CPU کامل بر روی یک یا چند مدار مجتمع با استفاده از یکپارچه سازی در مقیاس بسیار بزرگ (VLSI) هزینه قدرت پردازش را تا حد زیادی کاهش داد. پردازنده های مدار مجتمع در تعداد زیادی توسط فرآیندهای ساخت نیمه هادی فلز-اکسید-نیمه هادی (MOS) خودکار تولید می شوند که منجر به قیمت واحد نسبتاً پایین می شود . پردازنده های تک تراشه قابلیت اطمینان را افزایش می دهند زیرا اتصالات الکتریکی کمتری وجود دارد که ممکن است خراب شود. همانطور که طراحی ریزپردازنده ها بهبود می یابد، هزینه ساخت یک تراشه (با اجزای کوچکتر ساخته شده بر روی یک تراشه نیمه هادی به همان اندازه) معمولاً طبق قانون راک ثابت می ماند .

قبل از ریزپردازنده‌ها، رایانه‌های کوچک با استفاده از قفسه‌های برد مدار با بسیاری از مدارهای مجتمع در مقیاس متوسط ​​و کوچک ، معمولاً از نوع TTL ساخته می‌شدند . ریزپردازنده ها این را در یک یا چند آی سی در مقیاس بزرگ ترکیب کردند . در حالی که در مورد اینکه چه کسی شایسته اختراع ریزپردازنده است اختلاف نظر وجود دارد، اولین ریزپردازنده تجاری موجود Intel 4004 بود که توسط فدریکو فاگین طراحی و در سال 1971 معرفی شد.

افزایش مستمر ظرفیت ریزپردازنده‌ها از آن زمان به بعد دیگر اشکال رایانه‌ها را تقریباً کاملاً منسوخ کرده است، با استفاده از یک یا چند ریزپردازنده در همه چیز، از کوچک‌ترین سیستم‌های تعبیه‌شده و دستگاه‌های دستی گرفته تا بزرگ‌ترین رایانه‌های بزرگ و ابر رایانه‌ها .

یک ریزپردازنده از یک میکروکنترلر شامل یک سیستم روی یک تراشه متمایز است.

ساختار

پیچیدگی یک مدار مجتمع با محدودیت‌های فیزیکی در تعداد ترانزیستورهایی که می‌توان روی یک تراشه قرار داد، تعداد پایانه‌های بسته که می‌توانند پردازنده را به سایر بخش‌های سیستم متصل کنند، تعداد اتصالات متقابلی که می‌توان ایجاد کرد محدود می‌شود. روی تراشه، و گرمایی که تراشه می تواند از بین ببرد . پیشرفت تکنولوژی ساخت تراشه های پیچیده تر و قدرتمندتر را امکان پذیر می کند.

یک ریزپردازنده فرضی حداقل ممکن است فقط شامل یک واحد منطقی حسابی (ALU) و یک بخش منطق کنترلی باشد. ALU جمع، تفریق و عملیاتی مانند AND یا OR را انجام می دهد. هر عملیات ALU یک یا چند پرچم را در یک ثبت وضعیت تنظیم می کند که نتایج آخرین عملیات (مقدار صفر، عدد منفی، سرریز یا موارد دیگر) را نشان می دهد. منطق کنترل کدهای دستورالعمل را از حافظه بازیابی می کند و دنباله ای از عملیات مورد نیاز برای ALU را برای اجرای دستورالعمل آغاز می کند. یک کد عملیات واحد ممکن است روی بسیاری از مسیرهای داده، رجیسترها و سایر عناصر پردازنده تأثیر بگذارد.

با پیشرفت فناوری مدارهای مجتمع، تولید پردازنده‌های پیچیده‌تر و بیشتر بر روی یک تراشه امکان‌پذیر بود. اندازه اشیاء داده بزرگتر شد. اجازه دادن به ترانزیستورهای بیشتر روی یک تراشه باعث می شود که اندازه کلمات از کلمات 4 و 8 بیتی به کلمات 64 بیتی امروزی افزایش یابد . ویژگی های اضافی به معماری پردازنده اضافه شد. رجیسترهای روی تراشه بیشتر برنامه ها را سرعت می بخشد و دستورالعمل های پیچیده می تواند برای ساخت برنامه های فشرده تر استفاده شود. به عنوان مثال، محاسبات ممیز شناور اغلب در ریزپردازنده های 8 بیتی در دسترس نبود، اما باید در نرم افزار انجام می شد . ادغام واحد ممیز شناور ، ابتدا به عنوان یک مدار مجتمع مجزا و سپس به عنوان بخشی از همان تراشه ریزپردازنده، محاسبات ممیز شناور را سرعت بخشید.

گاهی اوقات، محدودیت های فیزیکی مدارهای یکپارچه، چنین اقداماتی را به عنوان یک رویکرد کمی ضروری می کرد. به جای پردازش تمام یک کلمه طولانی در یک مدار مجتمع، چندین مدار به صورت موازی زیر مجموعه‌های هر کلمه پردازش می‌شوند. در حالی که این نیاز به منطق اضافی برای کنترل، به عنوان مثال، حمل و سرریز در هر برش داشت، نتیجه سیستمی بود که می‌توانست برای مثال، کلمات 32 بیتی را با استفاده از مدارهای مجتمع با ظرفیت هر کدام تنها چهار بیت مدیریت کند.

توانایی قرار دادن تعداد زیادی ترانزیستور روی یک تراشه، ادغام حافظه روی همان قالب پردازنده را امکان پذیر می کند. این کش CPU از مزیت دسترسی سریعتر نسبت به حافظه خارج از تراشه برخوردار است و سرعت پردازش سیستم را برای بسیاری از برنامه ها افزایش می دهد. فرکانس ساعت پردازنده سریعتر از سرعت حافظه خارجی افزایش یافته است، بنابراین اگر قرار نیست پردازنده با حافظه خارجی کندتر تاخیر داشته باشد، حافظه پنهان ضروری است.

طراحی برخی از پردازنده‌ها به اندازه‌ای پیچیده شده است که آزمایش کامل آن دشوار است ، و این باعث ایجاد مشکلاتی در ارائه‌دهندگان بزرگ ابری شده است.

طرح های خاص

ریزپردازنده یک موجودیت با هدف عمومی است. چندین دستگاه پردازش تخصصی دنبال شده اند:

• یک پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) برای پردازش سیگنال تخصصی است .
• واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) پردازنده هایی هستند که عمدتاً برای رندر بیدرنگ تصاویر طراحی شده اند.
• واحدهای تخصصی دیگری برای پردازش ویدئو و بینایی ماشین وجود دارد .
• میکروکنترلرها در سیستم های تعبیه شده و دستگاه های جانبی .
• سیستم‌های روی تراشه (SoC) اغلب یک یا چند هسته ریزپردازنده و میکروکنترلر را با اجزای دیگر مانند مودم‌های رادیویی ادغام می‌کنند و در گوشی‌های هوشمند و رایانه‌های تبلت استفاده می‌شوند.

ملاحظات سرعت و قدرت

ریزپردازنده‌ها را می‌توان برای کاربردهای مختلف بر اساس اندازه کلمه‌شان انتخاب کرد، که معیاری از پیچیدگی آنهاست. اندازه کلمات طولانی تر به هر چرخه ساعت پردازنده اجازه می دهد تا محاسبات بیشتری را انجام دهد، اما مربوط به قالب های مدار مجتمع بزرگتر با مصرف انرژی در حالت آماده به کار و عملکرد بالاتر است . پردازنده های 4، 8 یا 12 بیتی به طور گسترده در میکروکنترلرهایی که سیستم های تعبیه شده را کار می کنند ادغام می شوند. در جایی که انتظار می رود یک سیستم حجم بیشتری از داده را مدیریت کند یا به رابط کاربری انعطاف پذیرتری نیاز دارد ، از پردازنده های 16، 32 یا 64 بیتی استفاده می شود. یک پردازنده 8 یا 16 بیتی ممکن است از روی یک پردازنده 32 بیتی برای سیستم روی تراشه یا برنامه های میکروکنترلر که به الکترونیک بسیار کم مصرف نیاز دارند یا بخشی از یک مدار مجتمع با سیگنال مختلط با تراشه حساس به نویز انتخاب شود. الکترونیک آنالوگ مانند مبدل های آنالوگ به دیجیتال با وضوح بالا یا هر دو. برخی افراد می گویند که اجرای محاسبات 32 بیتی بر روی یک تراشه 8 بیتی می تواند در نهایت قدرت بیشتری مصرف کند، زیرا تراشه باید نرم افزاری را با چندین دستورالعمل اجرا کند. با این حال، دیگران می گویند که تراشه های 8 بیتی مدرن همیشه در هنگام اجرای روال های نرم افزاری معادل، از تراشه های 32 بیتی کارآمدتر هستند.

برنامه های کاربردی تعبیه شده

هزاران موردی که به طور سنتی به کامپیوتر مرتبط نبودند شامل ریزپردازنده ها می شوند. اینها شامل لوازم خانگی ، وسایل نقلیه (و لوازم جانبی آنها)، ابزارها و ابزارهای آزمایش، اسباب بازی ها، کلیدهای نور/دیمر و قطع کننده های مدار الکتریکی ، آلارم دود، بسته های باتری، و قطعات صوتی/بصری Hi-Fi (از پخش کننده دی وی دی گرفته تا میزهای گرامافون ) است. . محصولاتی مانند تلفن های همراه، سیستم های ویدئویی DVD و سیستم های پخش HDTV اساساً به دستگاه های مصرف کننده با ریزپردازنده های قدرتمند و کم هزینه نیاز دارند. استانداردهای سختگیرانه فزاینده کنترل آلودگی به طور مؤثری از سازندگان خودرو می‌خواهد که از سیستم‌های مدیریت موتور ریزپردازنده استفاده کنند تا امکان کنترل بهینه انتشار گازهای گلخانه‌ای در شرایط عملیاتی بسیار متفاوت یک خودرو را فراهم کنند. برای دستیابی به نتایج ممکن با یک ریزپردازنده، کنترل‌های غیرقابل برنامه‌ریزی نیاز به اجرای حجیم یا پرهزینه دارند.

یک برنامه کنترل ریزپردازنده ( نرم افزار تعبیه شده ) را می توان متناسب با نیازهای یک خط تولید طراحی کرد و امکان ارتقاء عملکرد با حداقل طراحی مجدد محصول را فراهم کرد. ویژگی های منحصر به فرد را می توان در مدل های مختلف خط تولید با هزینه تولید ناچیز پیاده سازی کرد.

کنترل ریزپردازنده یک سیستم می‌تواند استراتژی‌های کنترلی را ارائه دهد که اجرای آنها با استفاده از کنترل‌های الکترومکانیکی یا کنترل‌های الکترونیکی هدفمند غیرعملی است. به عنوان مثال، سیستم کنترل یک موتور احتراق داخلی می تواند زمان احتراق را بر اساس سرعت موتور، بار، دما و هرگونه تمایل مشاهده شده برای ضربه تنظیم کند و به موتور اجازه می دهد با طیف وسیعی از درجه های سوخت کار کند.

تاریخ

ظهور رایانه های ارزان قیمت به وسیله مدارهای مجتمع ، جامعه مدرن را متحول کرده است . ریزپردازنده های همه منظوره در رایانه های شخصی برای محاسبات، ویرایش متن، نمایش چندرسانه ای و ارتباط از طریق اینترنت استفاده می شوند . بسیاری از ریزپردازنده‌های بیشتر بخشی از سیستم‌های تعبیه‌شده هستند که کنترل دیجیتالی را بر روی تعداد بیشماری از اشیاء از لوازم خانگی گرفته تا خودروها تا تلفن‌های همراه و کنترل فرآیندهای صنعتی ارائه می‌کنند . ریزپردازنده ها عملیات دودویی را بر اساس منطق بولی انجام می دهند که به نام جورج بول نامگذاری شده است . توانایی کار با سیستم های کامپیوتری با استفاده از منطق بولی اولین بار در پایان نامه ای در سال 1938 توسط دانشجوی کارشناسی ارشد کلود شانون ، که بعداً به سمت استادی رفت، اثبات شد. شانون را «پدر نظریه اطلاعات» می دانند. در سال 1951 ریزبرنامه‌نویسی توسط موریس ویلکس در دانشگاه منچستر انگلستان اختراع شد ، زیرا متوجه شد که پردازنده مرکزی می‌تواند توسط یک برنامه تخصصی در یک ROM اختصاصی کنترل شود . ویلکس همچنین با ایده برچسب‌های نمادین، ماکروها و کتابخانه‌های زیر روال اعتبار دارد.

به دنبال توسعه تراشه‌های مدار مجتمع MOS در اوایل دهه 1960، تراشه‌های MOS نسبت به مدارهای مجتمع دوقطبی تا سال 1964 به تراکم ترانزیستور بالاتر و هزینه‌های ساخت کمتری دست یافتند . (LSI) با صدها ترانزیستور روی یک تراشه MOS تا اواخر دهه 1960. استفاده از تراشه‌های MOS LSI در محاسبات ، پایه‌ای برای اولین ریزپردازنده‌ها بود، زیرا مهندسان متوجه شدند که یک پردازنده کامپیوتری کامل می‌تواند بر روی چندین تراشه MOS LSI قرار گیرد. طراحان در اواخر دهه 1960 در تلاش بودند تا عملکردهای واحد پردازش مرکزی (CPU) یک کامپیوتر را روی تعداد انگشت شماری از تراشه‌های MOS LSI، که چیپ‌ست‌های واحد ریزپردازنده (MPU) نامیده می‌شوند، یکپارچه کنند.

در حالی که در مورد اینکه چه کسی ریزپردازنده را اختراع کرد اختلاف نظر وجود دارد، اولین ریزپردازنده تجاری موجود Intel 4004 بود که به عنوان یک تراشه MOS LSI در سال 1971 منتشر شد. ریزپردازنده تک تراشه با توسعه امکان پذیر شد. فناوری MOS سیلیکون گیت (SGT). اولین ترانزیستورهای MOS دارای دروازه‌های فلزی آلومینیومی بودند که فدریکو فاگین فیزیکدان ایتالیایی آنها را با دروازه‌های خود تراز سیلیکونی جایگزین کرد تا اولین تراشه MOS دروازه سیلیکونی را در Fairchild Semiconductor در سال 1968 توسعه دهد. بعداً فاگین به اینتل پیوست و از سیلیکون خود استفاده کرد. فناوری گیت MOS برای توسعه 4004 همراه با مارسیان هاف ، استنلی مازور و ماساتوشی شیما در سال 1971 . آن را به یک طراحی جدید تک تراشه تبدیل کنید. اینتل اولین ریزپردازنده تجاری، 4 بیتی اینتل 4004 را در سال 1971 معرفی کرد. پس از آن، ریزپردازنده 8 بیتی اینتل 8008 در سال 1972 عرضه شد. چیپست MP944 مورد استفاده در F-14 Central Air Data Computer نیز در سال 1970 به عنوان یک ریزپردازنده اولیه ذکر شد، اما تا زمانی که در سال 1998 از طبقه بندی خارج شد، برای عموم شناخته شده نبود.

دیگر استفاده‌های جاسازی‌شده از ریزپردازنده‌های 4 بیتی و 8 بیتی، مانند پایانه‌ها ، چاپگرها ، انواع مختلف اتوماسیون و غیره، بلافاصله پس از آن دنبال شد. ریزپردازنده های 8 بیتی مقرون به صرفه با آدرس دهی 16 بیتی نیز منجر به ایجاد اولین میکروکامپیوترهای همه منظوره از اواسط دهه 1970 به بعد شد.

اولین استفاده از اصطلاح “ریزپردازنده” به Viatron Computer Systems نسبت داده می شود که مدار مجتمع سفارشی مورد استفاده در سیستم کامپیوتری کوچک سیستم 21 خود را که در سال 1968 اعلام شد، توصیف می کند.

از اوایل دهه 1970، افزایش ظرفیت ریزپردازنده ها از قانون مور پیروی می کند . این در ابتدا نشان داد که تعداد قطعاتی که می توان روی یک تراشه نصب کرد هر سال دو برابر می شود.

اولین پروژه ها

این پروژه‌ها تقریباً در همان زمان یک ریزپردازنده تحویل دادند: رایانه داده‌های هوای مرکزی Garrett AiResearch (1970)، TMS 1802NC Texas Instruments (سپتامبر 1971) و 4004 اینتل ( نوامبر 1971، بر اساس Busicom قبلی 1969) . طرح). مسلماً، ریزپردازنده سیستم چهار فاز AL1 نیز در سال 1969 ارائه شد.

سیستم های چهار فاز AL1 (1969)

سیستم‌های چهار فاز AL1 یک تراشه برش بیتی 8 بیتی بود که شامل هشت رجیستر و یک ALU بود. این توسط لی بویزل در سال 1969 طراحی شد . بعداً زمانی که در پاسخ به دعوای دعوی در دهه 1990 توسط تگزاس اینسترومنتز ، Boysel یک سیستم نمایشی ساخت که در آن یک AL1 منفرد، بخشی از یک سیستم کامپیوتری نمایشی در دادگاه، همراه با RAM، ROM و یک دستگاه ورودی-خروجی را تشکیل می‌داد، ریزپردازنده نامیده شد.

Garrett AiResearch CADC (1970)

در سال 1968، Garrett AiResearch (که طراحان ری هولت و استیو گلر را به کار گرفت) دعوت شد تا یک کامپیوتر دیجیتال برای رقابت با سیستم های الکترومکانیکی تولید کند که سپس برای کامپیوتر کنترل پرواز اصلی در جنگنده جدید F-14 Tomcat نیروی دریایی ایالات متحده در حال توسعه بود . طراحی تا سال 1970 کامل شد و از یک چیپست مبتنی بر MOS به عنوان CPU اصلی استفاده کرد. طراحی به طور قابل توجهی (تقریباً 20 برابر) کوچکتر و بسیار قابل اعتمادتر از سیستم های مکانیکی بود که با آنها رقابت می کرد و در تمام مدل های اولیه تامکت استفاده می شد. این سیستم حاوی “یک ریزپردازنده چندگانه 20 بیتی خط لوله و موازی ” بود. نیروی دریایی تا سال 1997 اجازه انتشار طرح را نداد. مستندات مربوط به CADC و چیپست MP944 در سال 1998 منتشر شد . داستان زندگی‌نامه‌ای ری هولت از این طراحی و توسعه در کتاب: مهندس تصادفی ارائه شده است.

ری هولت در سال 1968 از دانشگاه پلی تکنیک ایالتی کالیفرنیا، پومونا فارغ التحصیل شد و کار طراحی کامپیوتر خود را با CADC آغاز کرد. از زمان آغاز به کار، تا سال 1998 محرمانه بود تا زمانی که به درخواست هولت، نیروی دریایی ایالات متحده اجازه داد اسناد در اختیار عموم قرار گیرد. هولت ادعا کرده است که هیچ کس این ریزپردازنده را با ریزپردازنده هایی که بعداً عرضه شد مقایسه نکرده است.

مقالات علمی و ادبیات منتشر شده در حدود سال 1971 نشان می دهد که پردازنده دیجیتال MP944 مورد استفاده برای هواپیمای F-14 Tomcat نیروی دریایی ایالات متحده به عنوان اولین ریزپردازنده واجد شرایط است. اگرچه جالب بود، اما این یک پردازنده تک تراشه ای نبود، همانطور که Intel 4004 هم نبود – هر دو بیشتر شبیه به مجموعه ای از بلوک های ساختمانی موازی بودند که می توانید از آنها برای ایجاد یک فرم همه منظوره استفاده کنید. این شامل یک CPU،RAM،ROMو دو تراشه پشتیبانی دیگر مانند Intel 4004 است. از همانفناوریکانال P ساخته شده بود، بامشخصات نظامیکار می کرد و دارای تراشه های بزرگتر بود – طراحی مهندسی کامپیوتر عالی با هر استانداردی. طراحی آن نشان دهنده پیشرفت بزرگی نسبت به اینتل و دو سال قبل از آن است. زمانی که اینتل 4004 معرفی شد، در واقع کار می کرد و در F-14 در حال پرواز بود. این نشان می دهد که موضوع صنعت امروزی همگرای معماریهایمیکروکنترلرDSPدر سال 1971 آغاز شد.

این همگرایی معماری های DSP و میکروکنترلر به عنوان کنترل کننده سیگنال دیجیتال شناخته می شود.

گیلبرت هایت (1970)

در سال 1990، به مهندس آمریکایی گیلبرت هایت ، پتنت بر اساس یک کامپیوتر سریال 16 بیتی که در خانه خود که از تخته‌های تراشه‌های دوقطبی ساخته بود، جایزه دریافت کرد. اگرچه حق ثبت اختراع در دسامبر 1970 و قبل از بایگانی تگزاس اینسترومنتز برای TMX 1795 و TMS 0100 ارائه شده بود، اختراع هایت هرگز ساخته نشد. با این وجود این منجر به ادعاهایی شد مبنی بر اینکه Hyatt مخترع ریزپردازنده و پرداخت حق امتیاز قابل توجهی از طریق یک شرکت تابعه Philips NV بود. تا زمانی که Texas Instruments در یک نبرد حقوقی پیچیده در سال 1996 پیروز شد. اداره ثبت اختراع ایالات متحده بخش های کلیدی پتنت را لغو کرد و در عین حال به هایات اجازه داد آن را حفظ کند. هایت در مقاله‌ای در لس‌آنجلس تایمز در سال 1990 گفت که اگر سرمایه‌گذاران بالقوه‌اش از او حمایت می‌کردند، اختراع او ایجاد می‌شد، و سرمایه‌گذاران مخاطره‌آمیز جزئیات تراشه‌اش را به صنعت درز کردند، اگرچه او با شواهدی توضیح نداد. برای حمایت از این ادعا در همان مقاله، نویسنده تراشه، تی آر رید، نقل کرد که مورخان ممکن است در نهایت Hyatt را به عنوان یکی از مخترعان ریزپردازنده معرفی کنند، به نحوی که Noyce اینتل و Kilby از TI اعتبار اختراع تراشه در 1958: “کیلبی ابتدا این ایده را دریافت کرد، اما نویس آن را عملی کرد. حکم قانونی سرانجام به نفع نویس بود، اما آنها مخترعان مشترک در نظر گرفته می شوند. همین اتفاق می تواند در اینجا بیفتد.” هایت به نبرد حقوقی چندین دهه با ایالت کالیفرنیا بر سر مالیات های پرداخت نشده بر درآمد بادآورده حق اختراع خود پس از سال 1990 ادامه داد، که به یک پرونده تاریخی عالی در دادگاه عالی ختم شد که مصونیت حاکمیت ایالت ها را در هیئت مالیاتی فرانشیز مورد بررسی قرار داد.

Texas Instruments TMX 1795 (1970-1971)

همراه با اینتل (که 8008 را توسعه داد )، تگزاس اینسترومنت در سال های 1970 تا 1971 یک CPU یک تراشه جایگزین برای ترمینال Datapoint 2200 ، TMX 1795 (بعدها TMC 1795.) توسعه داد، مانند 8008، توسط مشتری Datapoint رد شد. به گفته گری بون، TMX 1795 هرگز به تولید نرسید. با این حال در 24 فوریه 1971 به حالت نمونه اولیه رسید، بنابراین اولین ریزپردازنده 8 بیتی جهان است. از آنجایی که با همان مشخصات ساخته شده بود، مجموعه دستورالعمل آن بسیار شبیه به Intel 8008 بود.

Texas Instruments TMS 1802NC (1971)

TMS1802NC در 17 سپتامبر 1971 معرفی شد و یک ماشین حساب چهار کاره را پیاده سازی کرد. TMS1802NC، با وجود نامگذاری آن، بخشی از سری TMS 1000 نبود . بعداً به عنوان بخشی از سری TMS 0100 که در ماشین حساب TI Datamath استفاده شد، دوباره طراحی شد. اگرچه TMS1802NC به عنوان یک ماشین حساب روی یک تراشه به بازار عرضه شد، اما به طور کامل قابل برنامه ریزی بود، از جمله روی تراشه یک CPU با یک کلمه دستورالعمل 11 بیتی، 3520 بیت (320 دستورالعمل) ROM و 182 بیت RAM.

Pico/General Instrument (1971)

در سال 1971، Pico Electronics و General Instrument (GI) اولین همکاری خود را در IC ها معرفی کردند، یک IC ماشین حساب کامل تک تراشه برای ماشین حساب Monroe/ Litton Royal Digital III. این تراشه همچنین می تواند ادعا کند که یکی از اولین ریزپردازنده ها یا میکروکنترلرهایی است که ROM ، RAM و مجموعه دستورالعمل RISC روی تراشه دارد. طرح چهار لایه فرآیند PMOS با دست در مقیاس x500 بر روی فیلم mylar ترسیم شد، که در آن زمان با توجه به پیچیدگی تراشه، کار مهمی بود.

Pico توسط پنج مهندس طراح GI که ​​چشم انداز آنها ایجاد آی سی های ماشین حساب تک تراشه بود بود. آنها تجربه طراحی قبلی قابل توجهی در چیپست های ماشین حساب چندگانه با GI و Marconi-Elliott داشتند . اعضای کلیدی تیم در ابتدا توسط Elliott Automation موظف شده بودند که یک کامپیوتر 8 بیتی در MOS ایجاد کنند و به ایجاد یک آزمایشگاه تحقیقاتی MOS در گلنروتس ، اسکاتلند در سال 1967 کمک کردند .

ماشین حساب ها در حال تبدیل شدن به بزرگترین بازار واحد نیمه هادی ها بودند، بنابراین Pico و GI به موفقیت چشمگیری در این بازار در حال رشد دست یافتند. GI به نوآوری در ریزپردازنده ها و میکروکنترلرها با محصولاتی از جمله CP1600، IOB1680 و PIC1650 ادامه داد. در سال 1987، تجارت میکروالکترونیک GI به تجارت میکروکنترلر PIC میکروچیپ تبدیل شد .

اینتل 4004 (1971)

اینتل 4004 اغلب (به اشتباه) به عنوان اولین ریزپردازنده واقعی ساخته شده بر روی یک تراشه، با قیمت 60 دلار آمریکا (معادل 450 دلار در سال 2023) در نظر گرفته می شود. ادعای اولین بودن قطعا نادرست است، زیرا TMS1802NC قبلی نیز یک ریزپردازنده واقعی بود که بر روی یک تراشه ساخته شده بود و همین امر در مورد – فقط نمونه اولیه – 8 بیتی TMX 1795 صدق می کند. اولین آگهی شناخته شده برای 4004 تاریخ 15 نوامبر 1971 است و در اخبار الکترونیک ظاهر شد .ریزپردازنده توسط تیمی متشکل از مهندس ایتالیایی فدریکو فاگین ، مهندسان آمریکایی Marcian Hoff و Stanley Mazor و مهندس ژاپنی Masatoshi Shima طراحی شده است .

پروژه ای که 4004 را تولید کرد در سال 1969 آغاز شد، زمانی که Busicom ، سازنده ماشین حساب ژاپنی، از اینتل خواست تا یک چیپست برای ماشین حساب های رومیزی با کارایی بالا بسازد . طراحی اولیه Busicom نیاز به یک مجموعه تراشه قابل برنامه ریزی متشکل از هفت تراشه مختلف داشت. سه تا از تراشه‌ها قرار بود یک CPU با هدف خاص بسازند که برنامه آن در ROM و داده‌های آن در حافظه خواندن و نوشتن shift register ذخیره می‌شد. تد هاف ، مهندس اینتل که برای ارزیابی پروژه منصوب شده بود، معتقد بود که طراحی Busicom را می‌توان با استفاده از ذخیره‌سازی رم پویا برای داده‌ها، به جای حافظه رجیستر شیفت، و معماری سنتی‌تر CPU همه منظوره ساده‌تر کرد. هاف یک پیشنهاد معماری چهار تراشه ای ارائه کرد: یک تراشه ROM برای ذخیره برنامه ها، یک تراشه RAM پویا برای ذخیره داده ها، یک دستگاه I/O ساده و یک واحد پردازش مرکزی 4 بیتی (CPU). اگرچه یک طراح تراشه نبود، اما احساس می کرد که CPU می تواند در یک تراشه واحد ادغام شود، اما از آنجایی که او دانش فنی نداشت، این ایده فعلاً فقط یک آرزو باقی ماند.

در حالی که معماری و مشخصات MCS-4 از تعامل هاف با استنلی مازور ، مهندس نرم افزاری که به او گزارش می داد، و با مهندس Busicom ماساتوشی شیما ، در طول سال 1969، مازور و هاف به پروژه های دیگری رفتند. در آوریل 1970، اینتل مهندس ایتالیایی فدریکو فاگین را به عنوان رهبر پروژه استخدام کرد، اقدامی که در نهایت طراحی نهایی CPU تک تراشه را به واقعیت تبدیل کرد (شیما در عین حال سفت‌افزار ماشین حساب Busicom را طراحی کرد و در شش ماه اول پیاده‌سازی به فاگین کمک کرد). فاگین، که در اصل فناوری گیت سیلیکونی (SGT) را در سال 1968 در Fairchild Semiconductor توسعه داد و اولین مدار مجتمع تجاری جهان را با استفاده از SGT، Fairchild 3708 طراحی کرد، پیشینه درستی برای هدایت پروژه به سمت آنچه که اولین تجاری خواهد شد، داشت. ریزپردازنده همه منظوره از آنجایی که SGT اختراع خودش بود، فاگین همچنین از آن برای ایجاد روش جدید خود برای طراحی منطق تصادفی استفاده کرد که امکان پیاده‌سازی یک CPU تک تراشه را با سرعت مناسب، اتلاف نیرو و هزینه مناسب فراهم کرد. مدیر بخش طراحی MOS اینتل در زمان توسعه MCS-4 Leslie L. Vadász بود ، اما توجه Vadász کاملاً بر تجارت اصلی حافظه های نیمه هادی متمرکز بود بنابراین او رهبری و مدیریت پروژه MCS-4 را به Faggin سپرد. ، که در نهایت مسئول هدایت پروژه 4004 به سمت تحقق آن بود. واحدهای تولیدی 4004 برای اولین بار در مارس 1971 به Busicom تحویل و در اواخر سال 1971 به مشتریان دیگر ارسال شد.

طرح های 8 بیتی

اینتل 4004 در سال 1972 توسط اینتل 8008 ، اولین ریزپردازنده 8 بیتی اینتل، دنبال شد . با این حال، 8008 توسعه طراحی 4004 نبود، بلکه در عوض نقطه اوج یک پروژه طراحی جداگانه در اینتل بود که از قراردادی با Computer Terminals Corporation در سن آنتونیو TX برای یک تراشه برای یک ترمینال ناشی شد. در حال طراحی، Datapoint 2200 – جنبه های اساسی طراحی نه از اینتل بلکه از CTC آمده است. در سال 1968، Vic Poor و Harry Pyle از CTC طرح اصلی را برای مجموعه دستورالعمل و عملکرد پردازنده توسعه دادند. در سال 1969، CTC با دو شرکت اینتل و تگزاس اینسترومنت قرارداد بست تا یک پیاده‌سازی تک‌تراشه‌ای به نام CTC 1201 بسازند . در سال 1970، در حالی که اینتل هنوز این قطعه را تحویل نداده است، CTC تصمیم گرفت از پیاده سازی خود در Datapoint 2200 استفاده کند و در عوض از منطق سنتی TTL استفاده کند (بنابراین اولین ماشینی که “کد 8008” را اجرا کرد در واقع اصلا یک ریزپردازنده نبود و تحویل داده شد. یک سال قبل). نسخه اینتل از ریزپردازنده 1201 در اواخر سال 1971 وارد بازار شد، اما بسیار دیر، کند بود و به تعدادی تراشه پشتیبانی اضافی نیاز داشت. CTC هیچ علاقه ای به استفاده از آن نداشت. CTC در ابتدا برای این تراشه با اینتل قرارداد بسته بود و 50000 دلار آمریکا (معادل 376171 دلار در سال 2023) برای کارهای طراحی خود به آنها بدهکار بود . CTC برای جلوگیری از پرداخت هزینه تراشه‌ای که نمی‌خواستند (و نمی‌توانستند استفاده کنند)، اینتل را از قرارداد خود آزاد کرد و به آنها اجازه استفاده رایگان از طراحی را داد. اینتل آن را به عنوان 8008 در آوریل 1972 به عنوان اولین ریزپردازنده 8 بیتی جهان به بازار عرضه کرد. این پایه برای کیت کامپیوتر معروف Mark-8 بود که در مجله Radio-Electronics در سال 1974 تبلیغ شد. این پردازنده دارای یک گذرگاه داده 8 بیتی و یک گذرگاه آدرس 14 بیتی بود.

8008 پیشروی موفقیت آمیز اینتل 8080 (1974) بود که عملکرد بهتری نسبت به 8008 داشت و به تراشه های پشتیبانی کمتری نیاز داشت. فدریکو فاگین آن را با استفاده از MOS کانال N ولتاژ بالا طراحی و طراحی کرد. Zilog Z80 (1976) نیز یک طرح Faggin بود که از کانال N ولتاژ پایین با بار تخلیه و پردازنده های 8 بیتی مشتق شده اینتل استفاده می کرد: همه با روشی که Faggin برای 4004 ایجاد کرد طراحی شده بود. موتورولا 6800 رقیب را در آگوست 1974 منتشر کرد و مشابه MOS Technology 6502 در سال 1975 منتشر شد (هر دو عمدتا توسط افراد مشابه طراحی شده اند). خانواده 6502 از نظر محبوبیت با Z80 در دهه 1980 رقابت کردند.

هزینه کلی کم، بسته بندی کم، نیازهای ساده اتوبوس کامپیوتری ، و گاهی ادغام مدارهای اضافی (مثلاً مدار تجدید حافظه داخلی Z80 ) باعث شد تا «انقلاب» رایانه خانگی در اوایل دهه 1980 به شدت شتاب بگیرد. این دستگاه‌های ارزان‌قیمتی مانند Sinclair ZX81 را تحویل داد که به قیمت 99 دلار آمریکا (معادل 331.79 دلار در سال 2023) فروخته شد. نسخه ای از 6502، MOS Technology 6510 در Commodore 64 مورد استفاده قرار گرفت و نوع دیگری به نام 8502، قدرت Commodore 128 را تامین کرد .

مرکز طراحی Western, Inc (WDC) CMOS WDC 65C02 را در سال 1982 معرفی کرد و مجوز طراحی را به چندین شرکت داد. از آن به عنوان CPU در رایانه های شخصی Apple IIe و IIc و همچنین در ضربان سازها و دفیبریلاتورهای قابل کاشت پزشکی ، خودروها، دستگاه های صنعتی و مصرفی استفاده می شد. WDC در صدور مجوز برای طرح‌های ریزپردازنده پیشگام بود و بعدها توسط ARM (32 بیتی) و سایر ارائه‌دهندگان مالکیت معنوی ریزپردازنده (IP) در دهه 1990 دنبال شد.

موتورولا MC6809 را در سال 1978 معرفی کرد. این یک طراحی 8 بیتی بلندپروازانه و کاملاً فکر شده بود که منبع سازگار با 6800 بود و با استفاده از منطق کاملاً سخت سیمی (ریزپردازنده های 16 بیتی بعدی معمولاً تا حدی از میکروکد استفاده می کردند. الزامات طراحی CISC برای منطق سخت سیمی بسیار پیچیده شده بود).

یکی دیگر از ریزپردازنده های اولیه 8 بیتی Signetics 2650 بود که به دلیل معماری مجموعه دستورالعمل های نوآورانه و قدرتمند خود، از موج کوتاهی از علاقه برخوردار شد .

یک ریزپردازنده اصلی در دنیای پروازهای فضایی RCA 1802 RCA (با نام مستعار CDP1802، RCA COSMAC) (معرفی در سال 1976) بود که در کاوشگر گالیله به مشتری استفاده شد ( پرتاب شد 1989، وارد 1995 شد). RCA COSMAC اولین کسی بود که فناوری CMOS را پیاده سازی کرد . CDP1802 به این دلیل مورد استفاده قرار گرفت که می‌توانست با توان بسیار کم کار کند ، و به این دلیل که یک نوع آن با استفاده از یک فرآیند تولید خاص ساخته شده بود، سیلیکون روی یاقوت کبود (SOS)، که محافظت بسیار بهتری در برابر تشعشعات کیهانی و تخلیه الکترواستاتیکی نسبت به سایر موارد ایجاد می‌کرد. پردازنده آن دوران بنابراین، گفته شد که نسخه SOS 1802 اولین ریزپردازنده سخت شده با تشعشع است .

RCA 1802 طراحی ایستا داشت ، به این معنی که فرکانس ساعت را می‌توان به طور دلخواه پایین آورد یا حتی متوقف کرد. این به فضاپیمای گالیله اجازه می‌دهد از حداقل توان الکتریکی برای سفرهای طولانی و بدون حادثه استفاده کند. تایمرها یا حسگرها پردازنده را به موقع برای کارهای مهم بیدار می کنند، مانند به روز رسانی ناوبری، کنترل نگرش، جمع آوری داده ها و ارتباطات رادیویی. نسخه‌های فعلی Western Design Center 65C02 و 65C816 نیز دارای هسته‌های ثابت هستند و بنابراین داده‌ها را حتی زمانی که ساعت کاملاً متوقف شده است، حفظ می‌کنند.

طرح های 12 بیتی

خانواده Intersil 6100 متشکل از یک ریزپردازنده 12 بیتی (6100) و طیف وسیعی از آی سی های پشتیبانی و حافظه جانبی بود. ریزپردازنده مجموعه دستورالعمل مینی کامپیوتر DEC PDP-8 را تشخیص داد. به این ترتیب گاهی اوقات به عنوان CMOS-PDP8 نامیده می شد . از آنجایی که این خودرو نیز توسط شرکت هریس تولید شده است، به نام هریس HM-6100 نیز شناخته می شود . به دلیل فناوری CMOS و مزایای مرتبط، 6100 تا اوایل دهه 1980 در برخی از طراحی های نظامی گنجانده شده بود.

طرح های 16 بیتی

اولین ریزپردازنده 16 بیتی چند تراشه ای، National Semiconductor IMP-16 بود که در اوایل سال 1973 معرفی شد. نسخه 8 بیتی چیپست در سال 1974 با نام IMP-8 معرفی شد.

دیگر ریزپردازنده‌های 16 بیتی چند تراشه‌ای اولیه شامل MCP-1600 است که Digital Equipment Corporation (DEC) در مجموعه بردهای OEM LSI-11 استفاده کرد و مینی کامپیوتر PDP-11/03 بسته‌بندی شده —و Fairchild Semiconductor MicroFlame 9440 که هر دو در سال معرفی شدند. 1975-76. در اواخر سال 1974، نشنال اولین ریزپردازنده تک تراشه 16 بیتی، National Semiconductor PACE را معرفی کرد که بعداً یک نسخه NMOS به نام INS8900 دنبال شد .

بعدی در لیست General Instrument CP1600 است که در فوریه 1975 منتشر شد، که عمدتاً در کنسول Intellivision استفاده می شد .

یکی دیگر از ریزپردازنده های 16 بیتی تک تراشه اولیه، TMS 9900 TI بود که با خط کوچک کامپیوترهای TI-990 آنها نیز سازگار بود . 9900 در مینی کامپیوتر TI 990/4، کامپیوتر خانگی TI-99/4A و برد میکرو کامپیوترهای OEM TM990 استفاده شد. این تراشه در یک بسته DIP 64 پین سرامیکی بزرگ بسته بندی شده بود ، در حالی که اکثر ریزپردازنده های 8 بیتی مانند Intel 8080 از DIP پلاستیکی 40 پین رایج تر، کوچکتر و ارزان تر استفاده می کردند. یک تراشه بعدی، TMS 9980، برای رقابت با Intel 8080 طراحی شده بود، دارای مجموعه کامل دستورالعمل 16 بیتی TI 990 بود، از یک بسته پلاستیکی 40 پین استفاده می کرد، داده ها را 8 بیت در یک زمان منتقل می کرد، اما فقط می توانست آدرس دهی کند. 16  کیلوبایت ​تراشه سوم، TMS 9995، طراحی جدیدی بود. این خانواده بعداً به 99105 و 99110 گسترش یافت.

مرکز طراحی غربی (WDC) ارتقاء 16 بیتی CMOS 65816 WDC CMOS 65C02 را در سال 1984 معرفی کرد. ریزپردازنده 16 بیتی 65816 هسته اصلی Apple IIGS و بعداً سیستم سرگرمی Super Nintendo بود که آن را به یکی از بهترین ها تبدیل کرد. طرح های محبوب 16 بیتی در تمام دوران

اینتل طراحی 8080 خود را به 16 بیتی اینتل 8086 ، اولین عضو خانواده x86 ، که اکثر کامپیوترهای مدرن از نوع PC را تامین می کند، “بزرگ” کرد . اینتل 8086 را به‌عنوان روشی مقرون‌به‌صرفه برای انتقال نرم‌افزار از خطوط 8080 معرفی کرد و موفق شد تجارت زیادی را با این فرض به دست آورد. 8088 ، نسخه ای از 8086 که از یک گذرگاه داده خارجی 8 بیتی استفاده می کرد، ریزپردازنده اولین رایانه شخصی IBM بود . اینتل سپس 80186 و 80188 ، 80286 و در سال 1985 80386 32 بیتی را منتشر کرد و تسلط خود بر بازار رایانه های شخصی را با سازگاری با خانواده پردازنده ها تثبیت کرد. 80186 و 80188 اساساً نسخه‌های 8086 و 8088 بودند که با برخی تجهیزات جانبی و چند دستورالعمل جدید بهبود یافته بودند. اگرچه 80186 و 80188 اینتل در طراحی‌های نوع رایانه‌های شخصی IBM مورد استفاده قرار نگرفتند، نسخه‌های منبع دوم از NEC، V20 و V30 اغلب مورد استفاده قرار می‌گرفتند . 8086 و جانشینان آن یک روش نوآورانه اما محدود برای تقسیم‌بندی حافظه داشتند ، در حالی که 80286 یک واحد مدیریت حافظه تقسیم‌بندی شده کامل (MMU) را معرفی کرد. 80386 یک مدل حافظه مسطح 32 بیتی با مدیریت حافظه صفحه شده را معرفی کرد.

پردازنده‌های 16 بیتی اینتل x86 تا 80386 شامل واحدهای ممیز شناور (FPU) نمی‌شوند . اینتل پردازنده‌های مشترک ریاضی 8087 ، 80187 ، 80287 و 80387 را برای افزودن قابلیت‌های ممیز شناور سخت‌افزاری و عملکرد متعالی به پردازنده‌های 8086 تا 80386 معرفی کرد. 8087 با 8086/8088 و 80186/80188 کار می کند، 80187 با 80186 کار می کند اما 80188 کار نمی کند، 80287 با 80286 کار می کند و 80387 با ترکیب 8. an8. و یک پردازنده مشترک x87 یک ریزپردازنده تک تراشه ای را تشکیل می دهد. این دو تراشه به عنوان یک واحد با استفاده از یک مجموعه دستورالعمل یکپارچه برنامه ریزی شده اند. پردازنده‌های مشترک 8087 و 80187 به موازات گذرگاه‌های داده و آدرس پردازنده والد خود متصل هستند و مستقیماً دستورالعمل‌های در نظر گرفته شده برای آنها را اجرا می‌کنند. پردازنده‌های مشترک 80287 و 80387 از طریق پورت‌های I/O در فضای آدرس CPU به CPU متصل می‌شوند، این برای برنامه شفاف است، که نیازی به دانستن یا دسترسی مستقیم به این پورت‌های I/O ندارد. برنامه به کمک پردازنده و رجیسترهای آن از طریق کدهای عملیاتی عادی دسترسی دارد.

طرح های 32 بیتی

طرح های 16 بیتی فقط برای مدت کوتاهی در بازار بودند که پیاده سازی های 32 بیتی ظاهر شدند.

مهمترین طرح 32 بیتی موتورولا MC68000 است که در سال 1979 معرفی شد. 68k همانطور که به طور گسترده شناخته شده بود دارای ثبات های 32 بیتی در مدل برنامه نویسی خود بود اما از مسیرهای داده داخلی 16 بیتی، سه عدد حسابی 16 بیتی استفاده می کرد. واحدهای منطقی و یک گذرگاه داده خارجی 16 بیتی (برای کاهش تعداد پین) و به صورت خارجی فقط آدرس های 24 بیتی را پشتیبانی می کند (در داخل با آدرس های کامل 32 بیتی کار می کرد). در کامپیوترهای مرکزی سازگار با IBM، میکروکد داخلی MC68000 برای تقلید از سیستم 32 بیتی سیستم/370 اصلی IBM اصلاح شد. موتورولا به طور کلی آن را به عنوان یک پردازنده 16 بیتی توصیف کرد. ترکیبی از عملکرد بالا، فضای حافظه بزرگ (16  مگابایت یا 224  بایت) و هزینه نسبتاً کم، آن را به محبوب ترین طراحی CPU در کلاس خود تبدیل کرده است. طرح‌های اپل لیزا و مکینتاش از 68000 استفاده کردند، مانند طرح‌های دیگر در اواسط دهه 1980، از جمله آتاری ST و آمیگا .

اولین ریزپردازنده تمام 32 بیتی تک تراشه جهان، با مسیرهای داده 32 بیتی، گذرگاه های 32 بیتی و آدرس های 32 بیتی، AT&T Bell Labs BELLMAC-32A بود که اولین نمونه ها در سال 1980 تولید شد و در سال 1982 تولید شد. پس از واگذاری AT&T در سال 1984، آن را به WE 32000 تغییر نام داد (WE برای وسترن الکتریک )، و دو نسل بعدی داشت ، WE 32100 و WE 32200. این ریزپردازنده ها در AT&T استفاده شدند. مینی کامپیوترهای 3B5 و 3B15؛ در 3B2، اولین ابر میکرو کامپیوتر رومیزی جهان؛ در “Companion”، اولین کامپیوتر لپ تاپ 32 بیتی جهان ؛ و در “الکساندر”، اولین ابر میکروکامپیوتر به اندازه کتاب در جهان، دارای کارتریج های حافظه ROM-pack شبیه به کنسول های بازی امروزی است. همه این سیستم ها سیستم عامل UNIX System V را اجرا می کردند .

اولین ریزپردازنده تجاری، تک تراشه و کاملاً 32 بیتی موجود در بازار، HP FOCUS بود .

اولین ریزپردازنده 32 بیتی اینتل iAPX 432 بود که در سال 1981 معرفی شد، اما موفقیت تجاری نداشت. این معماری شی گرا مبتنی بر قابلیت های پیشرفته داشت ، اما عملکرد ضعیفی در مقایسه با معماری های معاصر مانند 80286 خود اینتل (معرفی 1982) داشت، که تقریباً چهار برابر سریعتر از تست های بنچمارک معمولی بود. با این حال، نتایج برای iAPX432 تا حدی به دلیل یک کامپایلر Ada عجله و در نتیجه غیربهینه بود .

موفقیت موتورولا با 68000 منجر به MC68010 شد که پشتیبانی از حافظه مجازی را اضافه کرد . MC68020 که در سال 1984 معرفی شد ، داده ها و گذرگاه های آدرس کامل 32 بیتی را اضافه کرد. 68020 در بازار ابر میکروکامپیوترهای یونیکس بسیار محبوب شد و بسیاری از شرکت‌های کوچک (مانند Altos ، Charles River Data Systems ، Cromemco ) سیستم‌هایی با اندازه دسکتاپ تولید کردند. MC68030 در مرحله بعدی معرفی شد و با ادغام MMU در تراشه، طراحی قبلی را بهبود بخشید . موفقیت مداوم منجر به MC68040 شد که شامل یک FPU برای عملکرد بهتر ریاضی بود. 68050 نتوانست به اهداف عملکردی خود دست یابد و عرضه نشد و MC68060 بعدی به بازاری اشباع شده توسط طراحی های بسیار سریع RISC عرضه شد. خانواده 68k در اوایل دهه 1990 از استفاده از بین رفت.

شرکت های بزرگ دیگر 68020 و موارد بعدی را در تجهیزات جاسازی شده طراحی کردند. در یک نقطه، تعداد 68020 دستگاه در تجهیزات جاسازی شده بیشتر از پنتیوم های اینتل در رایانه های شخصی بود. هسته های پردازشگر ColdFire مشتقاتی از 68020 هستند.

در این زمان (اوایل تا اواسط دهه 1980)، National Semiconductor یک ریزپردازنده داخلی 32 بیتی 16 بیتی بسیار مشابه به نام NS 16032 (که بعداً به 32016 تغییر نام داد) معرفی کرد که نسخه کامل 32 بیتی آن NS 32032 نام گرفت . بعداً، National Semiconductor NS 32132 را تولید کرد که به دو CPU اجازه می داد در یک گذرگاه حافظه با داوری داخلی قرار بگیرند. NS32016/32 بهتر از MC68000/10 عمل کرد، اما NS32332 – که تقریباً همزمان با MC68020 وارد شد – عملکرد کافی نداشت. تراشه نسل سوم، NS32532، متفاوت بود. عملکرد آن تقریباً دو برابر MC68030 بود که تقریباً در همان زمان منتشر شد. ظاهر پردازنده های RISC مانند AM29000 و MC88000 (اکنون هر دو مرده) بر معماری هسته نهایی یعنی NS32764 تأثیر گذاشت. از نظر فنی پیشرفته – با هسته RISC فوق اسکالر، گذرگاه 64 بیتی و اورکلاک داخلی – هنوز هم می تواند دستورالعمل های سری 32000 را از طریق ترجمه بلادرنگ اجرا کند.

هنگامی که National Semiconductor تصمیم گرفت بازار یونیکس را ترک کند، تراشه به پردازنده Swordfish Embedded با مجموعه ای از لوازم جانبی روی تراشه دوباره طراحی شد. این تراشه برای بازار پرینترهای لیزری بسیار گران بود و کشته شد. تیم طراحی به اینتل رفتند و در آنجا پردازنده Pentium را طراحی کردند که از نظر داخلی بسیار شبیه به هسته NS32764 است. موفقیت بزرگ سری 32000 در بازار پرینترهای لیزری بود، جایی که NS32CG16 با دستورالعمل‌های BitBlt میکروکد شده، قیمت/عملکرد بسیار خوبی داشت و توسط شرکت‌های بزرگی مانند Canon مورد استفاده قرار گرفت. در اواسط دهه 1980، Sequent اولین کامپیوتر کلاس سرور SMP را با استفاده از NS 32032 معرفی کرد. این یکی از معدود بردهای طراحی بود و در اواخر دهه 1980 ناپدید شد. MIPS R2000 (1984) و R3000 ( 1989) ریزپردازنده های RISC 32 بیتی بسیار موفقی بودند. آنها در ایستگاه های کاری و سرورهای پیشرفته توسط SGI ، در میان دیگران، مورد استفاده قرار گرفتند. طرح های دیگر شامل Zilog Z80000 بود که خیلی دیر به بازار آمد و شانسی نداشت و به سرعت ناپدید شد.

ARM برای اولین بار در سال 1985 ظاهر شد. این یک طراحی پردازنده RISC است که از آن زمان به دلیل بهره وری انرژی، مدل صدور مجوز و انتخاب گسترده سیستم، بر فضای پردازنده سیستم های تعبیه شده 32 بیتی تسلط یافته است . ابزارهای توسعه تولید کنندگان نیمه هادی ها معمولاً هسته ها را مجوز می دهند و آنها را در سیستم خود روی محصولات تراشه ادغام می کنند . تنها تعداد کمی از فروشندگان مانند اپل مجوز تغییر هسته های ARM یا ایجاد هسته های خود را دارند. اکثر تلفن‌های همراه دارای یک پردازنده ARM هستند، همانطور که طیف گسترده‌ای از محصولات دیگر نیز وجود دارند. هسته‌های ARM مبتنی بر میکروکنترلر بدون پشتیبانی از حافظه مجازی و همچنین پردازنده‌های متقارن چند پردازنده‌ای (SMP) با حافظه مجازی وجود دارد.

از سال 1993 تا 2003، معماری 32 بیتی x86 به طور فزاینده ای در بازارهای دسکتاپ ، لپ تاپ و سرور غالب شد و این ریزپردازنده ها سریعتر و توانمندتر شدند. اینتل مجوز نسخه‌های اولیه معماری را به شرکت‌های دیگر داده بود، اما از دادن مجوز Pentium خودداری کرد، بنابراین AMD و Cyrix نسخه‌های بعدی معماری را بر اساس طرح‌های خود ساختند. در طول این بازه، پیچیدگی (تعداد ترانزیستورها) و قابلیت (دستورالعمل ها/ثانیه) این پردازنده ها حداقل تا سه مرتبه افزایش یافت. خط پنتیوم اینتل احتمالاً معروف‌ترین و شناخته‌شده‌ترین مدل پردازنده ۳۲ بیتی است، حداقل در میان عموم مردم.

طراحی های 64 بیتی در رایانه های شخصی

در حالی که طرح های ریزپردازنده های 64 بیتی از اوایل دهه 1990 در چندین بازار مورد استفاده قرار گرفته اند (از جمله کنسول بازی Nintendo 64 در سال 1996)، در اوایل دهه 2000 شاهد معرفی ریزپردازنده های 64 بیتی برای بازار رایانه های شخصی بودیم.

با معرفی معماری 64 بیتی AMD به عقب سازگار با x86، x86-64 (همچنین AMD64 نامیده می شود)، در سپتامبر 2003، و پس از آن پسوندهای 64 بیتی تقریباً کاملاً سازگار اینتل (اول به نام IA-32e یا EM64T نامیده شدند، بعداً به اینتل تغییر نام دادند. 64 )، عصر دسکتاپ 64 بیتی آغاز شد. هر دو نسخه می توانند برنامه های قدیمی 32 بیتی را بدون جریمه عملکرد و همچنین نرم افزارهای جدید 64 بیتی اجرا کنند. با سیستم‌عامل‌های Windows XP x64 ، Windows Vista x64، Windows 7 x64، Linux ، BSD و macOS که 64 بیتی به صورت بومی اجرا می‌شوند، این نرم‌افزار همچنین برای استفاده کامل از قابلیت‌های این پردازنده‌ها طراحی شده است. حرکت به 64 بیت چیزی بیش از افزایش اندازه رجیستر نسبت به IA-32 است زیرا تعداد رجیسترهای همه منظوره را نیز دو برابر می کند.

انتقال به 64 بیت توسط PowerPC از زمان طراحی معماری در اوایل دهه 90 در نظر گرفته شده بود و دلیل اصلی ناسازگاری نبود. رجیسترهای اعداد صحیح موجود مانند همه مسیرهای داده مرتبط گسترش یافته اند، اما، همانطور که در مورد IA-32 رخ داد، هر دو واحد ممیز شناور و بردار برای چندین سال در 64 بیت یا بالاتر از آن کار می کردند. برخلاف آنچه که IA-32 به x86-64 گسترش یافت، هیچ رجیستر هدف عمومی جدیدی در PowerPC 64 بیتی اضافه نشد، بنابراین هر عملکردی که هنگام استفاده از حالت 64 بیتی برای برنامه‌هایی که از فضای آدرس بزرگ‌تر استفاده نمی‌کنند حداقل است.

در سال 2011، ARM معماری جدید 64 بیتی ARM را معرفی کرد.

RISC

در اواسط دهه 1980 تا اوایل دهه 1990، مجموعه‌ای از ریزپردازنده‌های جدید با کارایی بالا با مجموعه دستورالعمل‌های کاهش‌یافته کامپیوتری ( RISC ) ظاهر شدند که تحت تأثیر طراحی‌های مجزای CPU مشابه RISC مانند IBM 801 و غیره بودند. ریزپردازنده‌های RISC در ابتدا در ماشین‌های ویژه و ایستگاه‌های کاری یونیکس مورد استفاده قرار گرفتند ، اما پس از آن در نقش‌های دیگر مقبولیت گسترده‌ای پیدا کردند.

اولین طراحی تجاری ریزپردازنده RISC در سال 1984 توسط MIPS Computer Systems منتشر شد، R2000 32 بیتی (R1000 منتشر نشد). در سال 1986، HP اولین سیستم خود را با CPU PA-RISC عرضه کرد . در سال 1987، Acorn Archimedes مبتنی بر ARM2 ، 32 بیتی و سپس بدون حافظه نهان، کامپیوترهای غیریونیکس Acorn به اولین موفقیت تجاری با استفاده از معماری ARM تبدیل شد که در آن زمان به عنوان Acorn RISC Machine (ARM) شناخته می شد. اولین سیلیکون ARM1 در سال 1985. R3000 طراحی را واقعاً کاربردی کرد و R4000 اولین ریزپردازنده 64 بیتی RISC 64 بیتی را معرفی کرد. پروژه های رقیب منجر به معماری IBM POWER و Sun SPARC می شود . به زودی هر فروشنده بزرگی طرح RISC را منتشر کرد، از جمله AT&T CRISP ، AMD 29000 ، Intel i860 و Intel i960 ، Motorola 88000 ، DEC Alpha .

در اواخر دهه 1990، تنها دو معماری RISC 64 بیتی هنوز در حجم برای برنامه های کاربردی غیر تعبیه شده تولید می شد: SPARC و Power ISA ، اما با افزایش روزافزون ARM، در اوایل دهه 2010، سومین معماری RISC در کل شد. بخش محاسباتی

SMP و طراحی چند هسته ای

متقارن چند پردازشی پیکربندی از دو، چهار یا چند CPU (به صورت جفت) است که معمولاً از دهه 1990 در سرورها، ایستگاه های کاری خاص و در رایانه های شخصی رومیزی استفاده می شود. یک پردازنده چند هسته ای یک CPU است که بیش از یک هسته ریزپردازنده دارد.

این مادربرد دو سوکتی محبوب Abit در سال 1999 به عنوان اولین مادربرد رایانه شخصی مجهز به SMP منتشر شد، Intel Pentium Pro اولین CPU تجاری بود که به سازندگان سیستم و علاقه مندان ارائه شد. Abit BP9 از دو CPU اینتل Celeron پشتیبانی می کند و هنگامی که با سیستم عامل دارای SMP (ویندوز NT/2000/لینوکس) استفاده می شود، بسیاری از برنامه ها عملکرد بسیار بالاتری نسبت به یک CPU دارند. سلرون‌های اولیه به راحتی قابل اورکلاک هستند و علاقه‌مندان از این پردازنده‌های نسبتاً ارزان با کلاک 533 مگاهرتز استفاده می‌کردند – بسیار فراتر از مشخصات اینتل. پس از کشف ظرفیت این مادربردها، اینتل دسترسی به ضریب را در CPUهای بعدی حذف کرد.

در سال 2001 IBM CPU POWER4 را منتشر کرد ، این پردازنده ای بود که طی پنج سال تحقیق توسعه یافت و در سال 1996 با استفاده از تیمی متشکل از 250 محقق آغاز شد. تلاش برای به انجام رساندن غیرممکن‌ها با توسعه و از طریق همکاری از راه دور و تعیین مهندسان جوان‌تر برای کار با مهندسین با تجربه‌تر تقویت شد. کار تیم ها با ریزپردازنده جدید Power4 به موفقیت دست یافتند. این یک CPU دو در یک است که عملکرد را با نصف قیمت رقبا بیش از دو برابر کرده است و یک پیشرفت بزرگ در محاسبات است. مجله کسب و کار eWeek نوشت: “Power4 1GHz جدید طراحی شده نشان دهنده یک جهش فوق العاده نسبت به سلف خود است . ” یک تحلیلگر صنعت، براد دی از گروه اطلاعات Giga گفت: “IBM بسیار تهاجمی است و این سرور یک تغییر دهنده بازی است.”

Power4 برنده ” جایزه انتخاب تحلیلگران برای بهترین ایستگاه کاری/پردازنده سرور در سال 2001″ شد و رکوردهای قابل توجهی را شکست، از جمله برنده شدن در مسابقه ای در برابر بهترین بازیکنان در خطر! نمایش تلویزیونی ایالات متحده.

اسم رمز Yonah CPU اینتل در 6 ژانویه 2006 راه اندازی شد و با دو قالب بسته بندی شده بر روی یک ماژول چند تراشه ای تولید شد . در بازاری پر مناقشه، AMD و سایرین نسخه‌های جدید پردازنده‌های چند هسته‌ای را منتشر کردند، AMD’s SMP پردازنده‌های Athlon MP را از سری AthlonXP در سال 2001 فعال کرد، Sun Niagara و Niagara 2 را با هشت هسته منتشر کرد، AMD’s Athlon X2 در ژوئن منتشر شد. 2007. شرکت‌ها درگیر مسابقه‌ای بی‌پایان برای سرعت بودند، در واقع نرم‌افزارهای سخت‌تر، قدرت پردازش بیشتر و سرعت پردازنده‌های سریع‌تر را الزامی می‌کردند.

تا سال 2012، پردازنده‌های دو و چهار هسته‌ای به طور گسترده در رایانه‌های شخصی و لپ‌تاپ‌ها مورد استفاده قرار گرفتند، پردازنده‌های جدیدتر – شبیه به سطح حرفه‌ای اینتل زئون – با هسته‌های اضافی که دستورالعمل‌ها را به صورت موازی اجرا می‌کنند، بنابراین عملکرد نرم‌افزار معمولاً افزایش می‌یابد، مشروط بر اینکه نرم‌افزار برای استفاده طراحی شده باشد. سخت افزار پیشرفته سیستم‌های عامل از چند هسته‌ها و پردازنده‌های SMD پشتیبانی می‌کنند، بسیاری از برنامه‌های نرم‌افزاری از جمله حجم کار زیاد و برنامه‌های کاربردی با منابع فشرده – مانند بازی‌های سه بعدی – طوری برنامه‌ریزی شده‌اند که از سیستم‌های چند هسته‌ای و چند پردازنده‌ای استفاده کنند.

اپل، اینتل و AMD در حال حاضر با پردازنده های چند هسته ای دسکتاپ و ایستگاه های کاری در بازار پیشرو هستند. اگرچه آنها اغلب برای برتری در سطح عملکرد از یکدیگر جهش می کنند. اینتل فرکانس‌های بالاتری را حفظ می‌کند و بنابراین سریع‌ترین عملکرد تک هسته‌ای را دارد، در حالی که AMD به دلیل ISA پیشرفته‌تر و گره فرآیندی که پردازنده‌های مرکزی روی آن ساخته می‌شوند، اغلب در روتین‌های چند رشته‌ای پیشرو است.

مفاهیم چند پردازشی برای پیکربندی‌های چند هسته‌ای/چند cpu با قانون Amdahl مرتبط است .

آمار بازار

در سال 1997، حدود 55 درصد از کل پردازنده های فروخته شده در جهان، میکروکنترلرهای 8 بیتی بودند که بیش از 2 میلیارد از آنها فروخته شد.

در سال 2002، کمتر از 10 درصد از کل پردازنده های فروخته شده در جهان 32 بیتی یا بیشتر بودند. از کل پردازنده های 32 بیتی فروخته شده، حدود 2٪ در رایانه های شخصی رومیزی یا لپ تاپ استفاده می شود. اکثر ریزپردازنده ها در برنامه های کاربردی کنترل جاسازی شده مانند لوازم خانگی، خودروها و لوازم جانبی کامپیوتر استفاده می شوند. در مجموع، متوسط ​​قیمت یک ریزپردازنده، میکروکنترلر یا DSP کمی بیش از 6 دلار آمریکا (معادل 10.16 دلار در سال 2023) است.

در سال 2003، حدود 44 میلیارد دلار (معادل حدود 73 میلیارد دلار در سال 2023) ریزپردازنده به ارزش تولید و فروخته شد. اگرچه حدود نیمی از این پول برای CPUهای مورد استفاده در رایانه‌های شخصی رومیزی یا لپ‌تاپ خرج شد ، آن‌ها تنها حدود 2٪ از کل پردازنده‌های فروخته شده را تشکیل می‌دهند. قیمت تنظیم‌شده با کیفیت ریزپردازنده‌های لپ‌تاپ بین 25- تا 35- درصد در سال در سال‌های 2004-2010 بهبود یافت و نرخ بهبود به 15- تا 25- درصد در سال در سال‌های 2010-2013 کاهش یافت.

حدود 10 میلیارد CPU در سال 2008 ساخته شد. بیشتر CPUهای جدید تولید شده در هر سال تعبیه شده اند.