تولد ریزپردازنده‌ها؛ داستان Intel 4004 تا 8085 و انقلاب کامپیوترهای شخصی

همانطور که در بخش اول این مطلب با عنوان تاریخچه‌ی کامپیوترها؛ از لوله های خلاء تا مدارهای ترانزیستوری توضیح داده شد، در دهه‌های ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰، نخستین کامپیوترهای الکترونیکی با استفاده از لامپ‌های خلأ ساخته می‌شدند. این دستگاه‌ها بسیار بزرگ، پرمصرف و غیرقابل‌اعتماد بودند. اختراع ترانزیستور در سال ۱۹۴۷ نقطه‌ی عطفی بود؛ زیرا به مهندسان امکان داد کامپیوترهایی کوچکتر، سریع‌تر و قابل‌اعتمادتر بسازند.

اما با وجود پیشرفت بزرگ ترانزیستور، وقتی یک سیستم نیاز داشت هزاران یا ده‌ها هزار ترانزیستور در کنار هم کار کنند، اتصال دادن این قطعات ریز به‌صورت تک‌به‌تک روی بردهای مختلف هم دشوار، هم پرهزینه و هم مستعد خطا بود. در همین دوره بود که ایده‌ی انقلابی ادغام چندین ترانزیستور و اجزای الکترونیکی در یک قطعه‌ی کوچک نیمه‌رسانا شکل گرفت. دو نفر تقریباً هم‌زمان به این ایده رسیدند:

• جک کیلْبی (Texas Instruments) در سال ۱۹۵۸
• رابرت نویس (Fairchild Semiconductor) در سال ۱۹۵۹

نتیجه‌ی کار آنها چیزی بود که امروز به آن مدار مجتمع (Integrated Circuit) می‌گوییم: یک تراشه‌ی کوچک از جنس سیلیکون که درون آن ده‌ها، صدها، و بعدها میلیون‌ها ترانزیستور با روش‌های دقیق و خودکار تولید می‌شود. تولید IC نه‌تنها اندازه و مصرف انرژی سیستم‌ها را به شدت کاهش داد، بلکه قابلیت اطمینان، سرعت و امکان تولید انبوه با هزینه‌ی پایین را نیز فراهم کرد.

این فناوری آنقدر تحول‌آفرین بود که در دهه‌ی ۱۹۶۰ باعث شکل‌گیری نسل جدیدی از کامپیوترها شد و در نهایت در اوایل دهه ۱۹۷۰ به تولد ریزپردازنده‌ها و کامپیوترهای شخصی انجامید. فرآیند پیشرفت تکنولوژی ساخت مدارهای مجتمع به 3 دوره اصلی تقسیم می‌شود که در هر دوره پردازنده‌های جدید و پیشرفته‌تری ساخته شده است.

در این مطلب، هر دوره با معرفی و بررسی چند نمونه مشهور از پردازنده‌ها و کامپیوترهای آن زمان توضیح داده می‌شود. با توجه به تعداد زیاد کامپیوترها و پردازنده‌های ساخته شده در این دروه، مطلب به دو قسمت تقسیم شده است که بخش اول از زمان ساخت کامپیوتر چند بردی Nova و تا پردازنده تک چیپی Intel 8085 را پوشش می‌دهد.

آغاز دوران مدارهای مجتمع کوچک و متوسط (SSI / MSI) – اواخر 1960 تا اوایل 1970

با تولد مدارهای مجتمع در اواخر دهه ۱۹۵۰، صنعت الکترونیک وارد مرحله‌ای شد که به‌تدریج امکان تولید مدارهایی با تعداد بیشتری ترانزیستور روی یک تراشه‌ی واحد را فراهم می‌کرد. در اوایل دهه ۱۹۶۰ نخستین نسل از IC ها که بعدها «مدارهای مجتمع با مقیاس کوچک» یاSSI (Small‑Scale Integration)  نام گرفتند وارد بازار شدند. این تراشه‌ها معمولاً تنها شامل چند ده ترانزیستور بودند و اجزای ساده‌ای مانند گیت‌های منطقی پایه  AND)، OR، (NOT، فلیپ‌فلاپ‌ها و شمارنده‌های ابتدایی را تشکیل می‌دادند.

آی سی های مشهور منطقی سری 7400 که امروزه هم استفاده می شوند، در این دوره تولید شدند. البته در آن زمان ابعادشان بزرگ‌تر بود، کیفیت ساخت پایین تری داشتند و تکنولوژی ساخت آن‌ها متفاوت بود. از آنجایی که در این دوره تکنولوژی ساخت مدارهای مجتمع به اندازه کافی رشد نکرده بود، هنوز امکان ساخت یک پردازنده بر روی یک آی‌سی امکان پذیر نبود. برای همین از این آی سی ها برای پیاده سازی بخش های مختلف پردازنده مثل واحد محاسباتی (ALU)، مدارهای کنترل و رجیسترها استفاده می‌شد. در اواسط دهه ۱۹۶۰ نسل پیشرفته‌تر این فناوری با نام MSI (Medium‑Scale Integration)  عرضه شد. تراشه‌های MSI شامل صدها ترانزیستور بودند و می‌توانستند توابع منطقی و ترتیبی پیچیده‌تری مانند ثبات‌ها (Registers)، شمارنده‌های چندبیتی، مالتی‌پلکسرها، دیکدرها و بلوک‌های کنترل اولیه را در خود جای دهند. این جهش در ظرفیت ادغام باعث شد که بخش‌های بزرگی از واحدهای پردازشی و کنترلیِ کامپیوترها، که قبلاً از چندین برد الکترونیکی تشکیل می‌شدند، اکنون در قالب چندIC  قابل‌استفاده باشند.

همزمان با پیشرفت در SSI و MSI، شرکت‌هایی مانند Fairchild، Texas Instruments و بعدها Intel خطوط تولید IC های استاندارد منطقی را توسعه دادند و خانواده‌های معروفی مثل TTL و CMOS منطقی را معرفی کردند. این استانداردسازی برای نخستین بار امکان طراحی سیستم‌های دیجیتال ماژولار را فراهم ساخت؛ طوری که سازندگان کامپیوتر می‌توانستند یک سیستم کامل را با ترکیب ده‌ها یا صدها تراشه‌ی آماده بسازند. در همین دوره اولین کامپیوترهای نسل سوم نیز پا به عرصه گذاشتند.  از نمونه کامپیوترهایی که در این دوره ساخته شدند می توان به Data General Nova اشاره کرد.

Nova یک مینی‌کامپیوتر 16 بیتی بود که در سال 1969 ساخته شد. این کامپیوتر از ترکیب آی‌سی های سری 7400 که با تکنولوژی SSI یا MSI ساخته شده بودند، طراحی شده بود. معماری Nova شامل چند بخش اصلی بود: واحد رجیسترها، واحد محاسبه و منطق (ALU)، واحد کنترل (Control Logic) و واحد حافظه (Memory Interface). هر کدام از این بخش ها روی یک برد جداگانه پیاده‌سازی شده بودند. واحد رجیستر از آی‌سی های 7474 که یک Dual D Flip Flop بود به همراه تعدادی آی‌سی منطقی شامل 7404 (گیت NOT) و 7420 (گیت NAND) برای تولید سیگنال‌های کنترلی تشکیل می‌شد. واحد ALU از 4 آی سی 74181 تشکیل شده بود. 74181 یک ALU از نوع 4 بیتی بود که از ترکیب 4 تا از این آی‌سی یک ALU از نوع 16 بیتی ساخته می‌شد.

واحد کنترل از ترکیب آی‌سی‌های دیکدر 74155، مالتی پلکسر 74151 و فلیپ‌فلاپ 7474 ساخته شده بود. واحد حافظه (RAM) هم از حافظه‌ی هسته‌ی مغناطیسی با ظرفیت 4 تا 32 کیلوبایت تشکیل می‌شد. Nova به لطف معماری ساده‌اش، به سرعت معروف شد؛ به طوری‌که حتی NASA و ارتش آمریکا هم از آن استفاده کردند.

ظهور ریزپردازنده‌ی تک‌تراشه‌ای (مدارهای مجتمع LSI و VLSI)– اوایل 1970 تا امروز

با پیشرفت فناوری ساخت مدارهای مجتمع در اوایل دهه ۱۹۷۰، تعداد ترانزیستورهایی که می‌توانستند روی یک تراشه‌ی سیلیکونی قرار بگیرند به‌طور چشمگیری افزایش یافت. این پیشرفت به مرحله‌ای رسید که به آنLSI (Large‑Scale Integration) گفته می‌شود؛ مرحله‌ای که در آن هزاران ترانزیستور در یک مدار مجتمع جای می‌گرفتند. در نتیجه، بسیاری از بخش‌هایی که پیش‌تر با تعداد زیادی آی‌سی‌های SSI و MSI روی بردهای بزرگ ساخته می‌شدند، توانستند در قالب تراشه‌های پیچیده‌تر و فشرده‌تر پیاده‌سازی شوند.

مهم‌ترین نتیجه‌ی این تحول، پدید آمدن پردازنده‌های تک‌تراشه‌ای (Microprocessor) بود. در این فناوری، واحد پردازش مرکزی که پیش‌تر از ده‌ها یا صدها مدار منطقی جداگانه تشکیل می‌شد، برای نخستین بار در قالب یک تراشه‌ی واحد ساخته شد. این دستاورد نه‌تنها اندازه و هزینه‌ی کامپیوترها را به‌شدت کاهش داد، بلکه راه را برای تولید انبوه سیستم‌های محاسباتی کوچک‌تر، ارزان‌تر و در دسترس‌تر هموار کرد. به همین دلیل، دوره‌ی LSI نقطه‌ی عطفی در تاریخ رایانه به شمار می‌آید؛ دوره‌ای که زمینه‌ساز ظهور ریزرایانه‌ها و گسترش سریع صنعت کامپیوتر در اواخر دهه‌ی ۱۹۷۰ شد. در این دوره کمپانی‌های بزرگ، پردازنده‌های مختلفی طراحی کردند که در ادامه مهم‌ترین آن‌ها بررسی می‌گردد.

1. Intel 4004

Intel 4004، اولین پردازنده‌ی تک چیپی جهان است که در سال 1971 ساخته شد. این پردازنده توسط شرکت Intel طراحی و ساخته شد، اما ریشه‌ی ابداع آن به شرکت Busicom بر می‌گردد. داستان از این قرار است که شرکت Busicom که سازنده‌ی ماشین‌حساب بود، قبل از طراحی این آی سی، ماشین‌حساب را با منطق سیم‌کشی شده (Hardwired Logic) می ساخت، یعنی هر عملیات جمع، تفریق و … مدار اختصاصی خودش را داشت و هر مدار از چندین آی سی SSI/MSI ساخته شده بود. بنابراین برای هر تغییر کوچک در طراحی ماشین‌حساب، لازم بود کل مدار از نو طراحی و ساخته شود. علاوه بر این برای ساخت یک ماشین‌حساب پیشرفته باید ابعاد بزرگی در نظر گرفته می‌شد.

در سال 1969، Busicom تصمیم گرفت ماشین حساب پیشرفته‌ی PF-141 را بسازد. برای طراحی این ماشین حساب، حدود 12 چیپ سفارشی مختلف در نظر گرفت که هر کدام مسئول یک بخش خاص شامل عملیات حسابی، کنترل، حافظه، ورودی و نمایشگر بود. آن ها برای ساخت این چیپ‌ها سراغ شرکت اینتل رفتند. Ted Hoff، یکی از مهندسان Intel، پیشنهاد داد که به جای ساخت 12 چیپ خاص‌منظوره، یک پردازنده‌ی عمومی قابل برنامه‌ریزی بسازیم و بقیه‌ی کار را با نرم افزار انجام دهیم.

در نتیجه‌ی این پیشنهاد تعداد چیپ ها از 12 به 4 کاهش یافت که شامل یک پردازنده‌ی اینتل 4004، یک آی‌سی ROM Intel 4001 برای ذخیره‌سازی کد برنامه، یک آی‌سی RAM Intel 4002 برای ذخیره‌سازی داده و یک آی‌سیI/O Controller Intel 4003 برای کنترل ورودی و خروجی‌ها بود (به این ساختار چهار چیپی اصطلاحا MCS-4) گفته می‌شد) و اینجا بود که پردازنده‌ی Intel 4004 متولد شد. Intel 4004 یک پردازنده‌ی 4 بیتی بود که از 2300 ترانزیستور تشکیل می‌شد. در مجموع 16 رجیستر 4 بیتی برای ذخیره کردن متغیرهای درون برنامه و یک استک 3 سطحی برای اجرا توابع تو در تو داشت. سرعت کلاک آن 740 کیلوهرتز بود و حدود 92 هزار دستور را در یک ثانیه اجرا می‌کرد.

2. Intel 8008

Intel 8008 اولین پردازنده‌ی 8 بیتی جهان است که توسط شرکت Intel طراحی و تولید شد و مبدا طراحی پردازنده‌های دیگری در آینده شد. داستان تولد این پردازنده به طراحی دستگاه Datapoint 2200 برمی‌گردد. Datapoint 2200 یک ترمینال بود که توسط شرکت CTC ساخته شده بود. ترمینال در واقع نوعی کیبرد و نمایشگر بود که از طریق ارتباط سریال (مثل RS232) به یک کامپیوتر بزرگ متصل می‌شد و امکان کنترل آن از راه دور را ممکن می ساخت.

Datapoint 2200 از ترکیب آی‌سی‌های SSI/MSI ساخته شده بود. CTC می‌خواست پردازنده‌ی Datapoint 2200 را از روی مدارهای SSI/MSI به یک چیپ واحد تبدیل کند. طرح CPU جدید را خود CTC طراحی کرده بود و اینتل فقط باید آن را در قالب یک IC می‌ساخت. اما به دلیل مشکلاتی اینتل نتوانست تولید IC جدید را به موقع تمام کند و از طرف دیگر CTC باید محصول جدیدش را هر چه زودتر ارائه می‌کرد، بنابراین CTC منتظر اینتل نماند و پردازنده‌ی موردنظرش را خودش با ترکیب آی سی های 7400 ساخت. اما اینتل به طور مستقل طراحی 8008 را جلو برد تا در سال 1972 بالاخره Intel 8008 متولد شد.

پردازنده‌ی Intel 8008

3. Intel 8080

بعد از عرضه‌ی 8008 در سال 1972، بلافاصله چند مشکل جدی مشخص شد. 8008 تنها 14 خط آدرس‌دهی داشت و در نتیجه حداکثر می‌توانست از یک حافظه‌ی خارجی با ظرفیت  پشتیبانی کند. علاوه بر این 14 خط آدرس با خط دیتا مالتی‌پلکس شده بود و نیاز به یک آی‌سی خارجی (Demultiplexer) برای جداسازی آدرس از دیتا بود. مشکل دیگر این بود که آی سی 8008 از ترانزیستورهای PMOS ساخته شده بود که به نسبت کند بودند.

در کنار این مشکلات، شرکت های رقیب مثل Motorola وNational Semiconductior نیز دست به کار شده بودند تا پردازنده‌های بهتری طراحی کنند. بنابراین تیم طراح 4004 و 8008 پروژه‌ی 8080 را به سرپرستی فدریکو فاگین شروع کردند و در سال 1974 پردازنده‌ی 8080 رونمایی شد. 8080 دارای خط آدرس 16بیتی بود که می توانست از 64 کیلوبایت حافظه پشتیبانی کند. علاوه بر این، خط آدرس و داده جدا از هم بودند و در نتیجه نیاز به آی‌سی خارجی برای جداسازی آدرس از داده رفع شد.

هم‌چنین 8080 از تکنولوژی NMOS ساخته شده بود که سرعت 8 برابری نسبت به 8008 مزیت مهم آن بود. یک مزیت مهم دیگر 8080 نسبت به 8008 این بود که در 8008 استک واقعی وجود نداشت. در واقع 8008 یک استک 7 لایه‌ای داشت که محل آن در رجیسترهای خود پردازنده بود. اما در 8080 رجیسترهای استک همان خانه‌های حافظه رم متصل به پردازنده بودند. یعنی عمق استک می‌توانست به اندازه‌ی خود رم باشد. اینجا بود که اصطلاح recursion معنی پیدا کرد، یعنی تابع می‌توانست خودش را صدا بزند.

پردازنده‌ی Intel 8080

اولین کامپیوتری که از این پردازنده استفاده کرد، Altair 8800 بود که توسط شرکت MITS واقع در ایالت نیومکزیکو ساخته شده بود. این کامپیوتر اولین کامپیوتر شخصی جهان بود که کارخانه‌ها و دانشجوها می توانستند از آن استفاده کنند.

بر خلاف پردازنده‌های قبلی که برای برنامه‌نویسی از زبان ماشین اسمبلی استفاده می‌شد، در این کامپیوتر برای اولین بار از زبان سطح بالاتر BASIC استفاده شد. ابداع زبان BASIC داستان جالبی دارد که در نهایت منجر به تاسیس شرکت مایکروسافت شد! این زبان بر خلاف اکثر زبان های امروزی از نوع کامپایل‌شونده نبود بلکه در واقع یک مفسر (Interpreter) بود، یعنی بر خلاف زبان‌های امروزی که برنامه توسط کامپایلر به زبان اسمبلی ترجمه می‌شود، این زبان یک مفسر داشت که خط به خط کد را می‌خواند و آن را با استفاده از توابعی که به زبان اسمبلی نوشته شده بودند، بلافاصله اجرا می‌کرد. برای همین بود که این زبان کند عمل می‌کرد و بعدها برای افزایش سرعت، نسخه‌ی Complied Basic ساخته شد.

شاید این سوال پیش بیاید که چرا از اول نسخه‌ی کامپایل‌شونده نوشته نشد، دلیل این است که اگر کامپایلر بخواهد برنامه‌ی نوشته شده به زبان Basic را به اسمبلی ترجمه کند، نیاز به فضای زیادی دارد و کامپیوتر Altair که تنها 64 کیلوبایت رم داشت، برای این کار مناسب نبود.

بعد از Intel 8080 شرکت‌های دیگر هم دست به کار شدند و شروع به ساخت پردازنده‎های قوی‌تر و بهینه‌تر کردند که در ادامه چند مورد از مهم‌ترین ها بررسی می‌شود.

4. Motorola 6800

سال 1974، زمانی که هنوز پردازنده‌ها خیلی نو بودند، اینتل 8080 تازه وارد بازار شده بود که موتورولا (که تجربه‌ی بزرگ در ساخت تراشه‌های صنعتی داشت) تصمیم گرفت وارد بازی CPU شود و نتیجه ساخت اولین پردازنده‌ی 8 بیتی شرکت موتورولا یعنی Motorola 6800 شد.  قیمت اولیه‌ی 6800 تقریباً 300 دلار بود، یعنی یک قطعه‌ی لوکس. بازار هدف آن نیز کنترل‌گرهای صنعتی، ابزارهای تجاری و پروژهای مخابراتی بود نه کامپیوترهای خانگی! همین تفاوت فلسفه نیز باعث شد تا پدل (Peddle) و منسش (Mensch)، مهندسان اصلی طراحی این پردازنده، بعدها شرکت موتورولا را ترک کنند و به شرکت دیگری بپیوندند.

چون این دو مهندس می خواستند پردازنده‌ای بسازند که قیمت خیلی کمتری داشته باشد و قابل استفاده در کامپیوترهای خانگی باشد. اما مدیران ارشد موتورولا نمی خواستند قیمت را پایین بیاورند چون اعتقاد داشتند کامپیوتر خانگی بازاری نخواهد داشت. در نتیجه این دو مهندس استعفا دادند و به شرکت MOS Technology پیوستند.

5. MOS 6502

بعد از پیوستن پدل و منسش به شرکت MOS Technology آن‌ها تصمیم گرفتند تا یک پردازنده‌ی ارزان، ساده و سریع نسبت به قیمت بسازند و نتیجه تولد پردازنده‌ی MOS 6502 در سال 1975با قیمت باورنکردنی 25 دلار شد (در مقایسه با 6800 موتورولا با قیمت 300 دلار و 8080 اینتل با قیمت 350 دلار). این قیمت صنعت را شوکه کرد، به طوری‌که در کنفرانس Wescon 1975 (یکی از بزرگ‌ترین نمایشگاه‌ها و کنفرانس‌های صنعت الکترونیک در آمریکا)، مدیران اینتل و موتورولا حاضر نشدند باور کنند که 6502 واقعا کار می‌کند! ارزان بودن 6502 سه دلیل داشت: دلیل اول این بود که طراحی 6502 نسبت به 8080 و 6800 بسیار ساده‌تر بود، برای مثال 6502 فقط سه رجیستر داشت و همین باعث می‌شد مدار کنترل ساده تر باشد، ترانزیستورها کمتر شوند و در نتیجه فرآیند تولید پردازنده ارزان‌تر شود.

دلیل دوم استفاده از تکنیک‌های جدید ساخت آی‌سی بود، چون شرکت MOS تخصص فوق‌العاده‌ای در تولید NMOS داشت و دلیل سوم این بود که MOS از روز اول دنبال ساخت کامپیوتر خانگی بود، نه نظامی و صنعتی. این پردازنده چند ویژگی خاص داشت که در ادامه بررسی می‌شوند.

پردازنده‌ی Motorola 6800

• آدرس‌دهی Indexed بسیار قوی

این امکان به این صورت است که برای خواندن مقدار یک خانه در حافظه لازم نیست که آدرس واقعی آن خانه استفاده شود، بلکه می‌توان آدرس را به صورت مقدار یک رجیستر که با یک مقدار ثابت جمع می‌شود، وارد کرد. این ویژگی برای دسترسی به خانه‌های یک آرایه و هم‌چنین استفاده در حلقه‌ها بسیار مفید می‌باشد و باعث سریع‌تر شدن اجرای کد می‌شود. اتفاقا همین ویژگی باعث برتری 6502 در اجرای بازی‌ها و کارهای گرافیکی شد.

• Stack بسیار سریع

اشاره‌گر استک (Stack Pointer) در این پردازنده تنها یک بایت است و همین باعث اجرای سریع توابع می‌شود.

پردازنده‌ی MOS 6502

این پردازنده به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردش در قلب تمام ماشین‌های خانگی نسل اول مثل کامپیوتر Apple I،Apple II ، Commodor و Atari 2600 قرار گرفت.

Apple I

اولین محصول رسمی شرکت اپل بود که در سال 1976 عرضه شد (اپل در همین سال تاسیس شد). این کامپیوتر اولین کامپیوتری بود که نیاز به ترمینال نداشت و کیبرد و مانیتور را می توانست مستقیما به آن وصل کرد.

کامپیوتر Apple I

Apple II

یکی از شاهکارهای خلاقیت در مهندسی بود که توسط استیو وزنیاک (یکی از بنیان‌گذاران اپل) ساخته شد. این کامپیوتر دارای چند نوآوری بود. اولین و مهم‌ترین نوآوری آن کنار گذاشتن چیپ گرافیک بود. همانند کامپیوترهای امروزی در آن زمان نیز برای تولید تصویر یک چیپ گرافیکی جداگانه در نظر گرفته می‌شد که دارای رم اختصاصی برای پردازش تصویر بود و این باعث می‌شد رم اصلی سیستم به طور اختصاصی برای پردازنده (CPU) باشد. اما وزنیاک با در نظر گفتن این حقیقت که در فرمت تصویری NTSC تنها در سیکل‌های خاصی نیاز به ارسال اطلاعات مربوط به پیکسل‌های تصویر است، از یک رم مشترک برای گرافیک و پردازنده استفاده کرد.

در این صورت در سیکل‌های مشخصی دسترسی پردازنده به رم قطع می‌شد و در این زمان، مدار ویدیو اطلاعات تصویر را از رم می‌خواند و به مانیتور ارسال می‌کرد. در نتیجه با حذف چیپ گرافیک، هزنیه‌ی ساخت به طور قابل توجهی کاهش یافت. وزنیاک برای افزایش بیشتر سرعت مدار ویدیو ترفند دیگری هم به کار برده بود. او به جای اینکه آدرس خانه‌های رم به صورت خطی افزایش یابد، آن‌ها را به گونه‌ای چیده بود که متناسب با پروتکل تصویر در فرمت NTSC آدرس‌دهی شوند.

در نتیجه مدار ویدیو نیاز به محاسبه‌ی آدرس پیکسل نداشت و این CPU بود که باید آدرس را محاسبه می‌کرد. برای اینکه به دلیل محاسبه‌ی آدرس، سرعت CPU کاهش نیابد؛ برنامه‌نویس‌ها از یک Lookup Table برای محاسبه‌ی آدرس خانه‌ها در رم استفاده می‌کردند. ترفند دیگر وزنیاک استفاده از باگ فرمت تصویری NTSC برای تولید رنگ بود. در این فرمت اگر زمان‌بندی ارسال اطلاعات پیکسل‌ها کمی جلو و عقب شود، مانیتور اطلاعات مربوط به روشنایی پیکسل‌ها را اشتباها متناظر با رنگ پیکسل در نظر می‌گیرد. وزنیاک از این باگ برای تولید رنگ استفاده کرد و در نتیجه مجبور نبود برای تولید اطلاعات رنگ، زمان بیشتری مصرف کند. یعنی از باگ سیستم به عنوان یک مزیت استفاده کرد!

کامپیوتر Apple II به همراه دو دسته‌ی بازی و نوارخوان پاناسونیک

Commodore PET (1977)

Commodore در واقع نام مالک شرکت Mos Technology بود. بنابراین آن‌ها CPU را عملا با هزینه‌ی کم در اختیار داشتند. Commodore PET اولین کامپیوتر این شرکت بود. این کامپیوتر دارای مانیتور و کیبرد داخلی بود و ویژگی مهمش این بود که برخلاف Altair 8800 مفسر BASIC را در حافظه‌ی رام قرار داده بود و بنابراین لازم نبود هر بار بعد از روشن شدن کامپیوتر، برنامه در حافظه‌ی RAM بارگذاری شود.

کامپیوتر Commodore PET

5. Atari 2600

شاید نام آتاری را در دوران کودکی شنیده باشیم. Atari 2600 اولین کنسول بازی از شرکت آتاری بود که در سال 1977 رونمایی شد و آنقدر محبوب شد که بیش از 30 میلیون دستگاه از آن فروخته شد. این کنسول اولین کنسول بازی بود که قابلیت اجرای بازی‌های کارتریجی قابل تعویض را داشت و توسعه دهندگان مستقل، برایش بازی ساختند. پردازنده‌ی مرکزی این کنسول MOS 6507 بود که در واقع نسخه‌ی ارزان شده‌ی 6502 بود. Atari 2600 معماری عجیبی داشت؛ به‌صورت معمول، کنسول‌ها یا کامپیوترها یک حافظه‌ی نمایش (Framebuffer) دارند که CPU داده‌ی گرافیکی را در آن می‌نویسد. اما Atari 2600 هیچ حافظه‌ای برای تصویر نداشت.

این یعنی CPU باید هر پیکسل یا هر خط تصویر را در همان لحظه در چیپ ویدیو بنویسد و در نتیجه ساختن تصویر، کاملاً زنده و زمان‌بندی‌شده انجام می‌شود؛ به این حالت اصطلاحا racing the beam یعنی مسابقه با بیم نمایشگر می‌گفتند. این معماری یکی از سخت‌ترین و خلاقانه‌ترین سیستم‌های تاریخ را ساخت. این کنسول برای بخش گرافیک از چیپ TIA استفاده می‌کرد. این چیپ قابلیت تولید تعدادی کاراکتر اشیاء از پیش تعریف شامل دو بازیکن، دو موشک، یک توپ و یک پس‌زمینه را داشت. پس گرافیک‌هایی که امروز در بازی‌های 2600 می‌بینیم (قهرمانان، اشیاء، دشمن‌ها، نقشه‌ها) همه با ترفندهای عجیب نرم‌افزاری ساخته شده‌اند. برای اینکه بیشتر متوجه روند کار شویم، این فرآیند با یک مثال توضیح داده می‌شود.

همانطور که گفته شد، برای نمایش گرافیکی از racing the beam استفاده می‌شد. مانیتور برای رسم یک فریم، خط به خط صفحه CRT را اسکن می‌کند و اطلاعات فریم را خط به خط رسم می‌کند. بنابراین اگر در هر خط فریم، مکان بازیکن را تغییر دهیم، در مجموع بیش از یک بازیکن در صفحه رسم می‌شود و چون سرعت رسم فریم بالا است، چشم ما متوجه تغییر محل بازیکن نمی‌شود و بیش از یک بازیکن را در یک فریم مشاهده می‌کند. همچنین با تغییر مکان و رسم پیوسته‌ی سایر اشیاء، می‌شد اشیاء جدیدی ساخت. رزولوشنی که این دستگاه ارائه می‌داد، چیزی در حدود 192*160 بود. (البته تصویر در آن زمان آنالوگ بود و رزولوشن برای آن تعریف نمی‌شد، ولی می توان روزولوشن موثر برای آن در نظر گرفت).

کنسول بازی Atari 2600 که یک کارتریج بازی درون آن قرار گرفته است.

6. Zilog Z80

بعد از ساخت پردازنده‌ی 8080، فدریکو فاگین که مغز اصلی پشت طراحی آن بود، پیشنهاد داد یک پردازنده‌ی بهتر که نواقص 8080 را برطرف می‌کند، ساخته شود. اما اینتل در بازه‌ی زمانی 1974-1973 در واقع یک شرکت حافظه بود و پردازنده را یک محصول جانبی می‌دید نه یک محصول استراتژیک، برای همین به پیشنهاد فاگین اهمیت چندانی نداد. اینجا بود که فاگین تصمیم گرفت شرکت خودش یعنی Zilog را تاسیس کند. تاسیس شرکت جدید به او آزادی عمل بیشتری داد و باعث شد پردازنده‌ی Z80 را طراحی کند.

در نهایت Z80 در سال 1976 عرضه شد و به قدری خوب عمل کرد که ده‌ها میلیون واحد از آن فروخته شد و توانست بازار کامپیوترهای 8 بیتی را تسخیر کند. Z80 در مقایسه با 8080 که تنها 80 دستور داشت از 150 دستور پشتیبانی می‎کرد و همین باعث می‌شد برنامه، حافظه‌ی کمتری در رم اشغال کند و علاوه بر این سریع‌تر اجرا شود. این پردازنده تعداد رجیسترها و اینتراپت های بیشتری هم داشت و بر خلاف 8080 که برای refresh کردن رم باید یک مدار جداگانه در نظر گرفته می‌شد، خودش یک مدار داخلی برای این کار داشت. دانستن این نکته جالب است که Z80 حتی در کنسول‌های بازی SEGA که اکثرا در کودکی با آن آشنا بودیم هم استفاده می‎شد و مسئول مدیریت پخش صدا بود!

7. VAX

در دهه‌ی ۶۰ و ۷۰، شرکت Digital Equipment Corporation (DEC) با خانواده‌ی کامپیوترهای PDP (Programmed Data Processor)، مخصوصاً PDP‑11، بازار مینی‌کامپیوترها را در اختیار داشت. اما تا میانه‌ی دهه‌ی ۷۰، محدودیت آدرس‌دهی ۱۶ بیتی PDP‑11 (حداکثر ۶۴ کیلوبایت برای هر فضا) مانع رشد نرم‌افزارهای بزرگ شد. بنابراین DEC تصمیم گرفت یک جانشین ۳۲ بیتی طراحی کند که با نرم‌افزارهای PDP‑11 سازگار باشد، اما بتواند فضای حافظه‌ی بسیار بزرگ‌تر و امکانات مدرن‌تر ارائه دهد.

نتیجه‌ی آن معرفی VAX (Virtual Address eXtension) در سال 1977 و اولین کامپیوتر مبتنی بر آن یعنی VAX-11/780 شد که در زمان خودش به عنوان Superminicomputer شناخته شد. VAX اولین معماری‌ای بود که واقعا آدرس 32 بیتی خطی داشت و می‌توانست تا 4 گیگابایت حافظه را آدرس‌دهی کند. هم چنین از آدرس‌دهی مجازی پشتیبانی می‌کرد که باعث می‌شد هر برنامه فضای آدرس‌دهی خودش را داشته باشد. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های آن وجود 15 دستور مختلف برای حالت‌های مختلف آدرس‌دهی بود.

این همان چیزی است که باعث شد معماری آن CISC واقعی باشد. هم‌زمان با طراحی سخت‌افزار VAX، سیستم‌عامل VMS هم برای آن طراحی شد. ویژگی‌های این سیستم عامل امنیت سطح بالا، چند وظیفگی پیشرفته، حافظه‌ی مجازی قدرتمند و مدیریت استثناها و خطاها در سطح سخت‌افزار بود. در اواخر دهه‌ی 80 و 90 که معماری‌های جدیدی مثل RISC مطرح شدند پیچیدگی بیش از حد VAX و هزینه‌ی زیاد ساخت آن باعث شد، کنار گذاشته شود.

در واقع معماری VAX آنقدر پیچیده بود که حتی با استفاده از تکنولوژی LSI هم امکان ساخت پردازنده بر روی یک برد نبود؛ برای همین پردازنده از چندین برد ساخته می‌شد و کامپیوتر اندازه‌ی یک کمد بود. این پردازنده به دلیل اینکه یکی از پیچیده‌ترین معماری‌های CISC را دارا می‌باشد، در دانشگاه‌ها به عنوان یک نمونه از نامناسب بودن معماری CISC تدریس می‌شود!

8. Intel 8085 

این پردازنده که در سال 1976 معرفی شد، در واقع همان 8080 است با چند قابلیت مهم‌تر  که این تغییرات اندک سندی بر تفکر سازمانی اینتل بود که قصد سرمایه گذاری بیشتر روی تولید پردازنده را حداقل تا سال 1976 نداشت. 8080 برای کارکردن احتیاج به چند تراشه‌ی جانبی مثل مدار Clock generator و Bus controller داشت ولی 8085 تمام این‌ها را در داخل خودش داشت. علاوه بر این، 8085 چند دستور اضافه‌تر هم داشت، البته نه به اندازه‌ی Z80.

این پردازنده اولین پردازنده‌ی اینتل بود که به شدت برای سیستم‌های نهفته (Embedded) مناسب بود، چون که تعداد زیادی خط وقفه‌ی پیشرفته داشت و دستورات جدید IO، کنترل دقیق برای ورودی‌ها و خروجی‌ها را ممکن می‌کردند. اما 8085 به اندازه‌ی Z80 موفق نشد، چون که تعداد دستوراتش خیلی کمتر بود و بیشتر به عنوان پردازنده‌ی Embedded شناخته می‌شد در حالیکه PC ها بیشتر تمایل به استفاده از Z80 به عنوان پردازنده‌ی مرکزی داشتند. علاوه بر این اینتل، تمرکز خود را روی 8086 گذاشته بود. یکی از مزیت‌های مهم 8085 ساده و تمیز بودن آن بود، به گونه‌ای که حتی تا امروز هم در بعضی دانشگاه‌ها درس معماری کامپیوتر را با 8085 تدریس می‌کنند.

پردازنده INTEL 8085

نتیجه‌گیری

در این بخش دوران مدارهای مجتمع بررسی شد. در این دوران پردازنده ها به جای اینکه از کنارهم قرار گرفتن تعداد زیادی ترانزیستور ساخته شوند، با استفاده از مدارهای مجتمع که تعداد زیادی ترانزیستور را روی یک برد قرار می‌دادند، تشکیل شدند و در نتیجه‌ی این نوآوری، ابعاد و مصرف توان پردازنده‌ها به شدت کاهش یافت. در پردازنده‌های جدیدتر که در بخش بعدی مورد بررسی قرار می‌گیرند؛ معماری، عامل اصلی رقابت بین پردازنده‎ها است و شرکت‌های تولید پردازنده، با ارائه هر نسخه جدید معماری ساخت پردازنده را دگرگون می‌کنند! در بخش سوم با معرفی پردازنده Intel 8086 که آغازگر معماری x86 بود تا پردازنده‌های چندهسته ای Intel Core با ما همراه باشید.