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Computergeschichte: Meilensteine der Mikroprozessoren

Durch die fortschreitende Miniaturisierung der Halbleitertechnik in den 1960-er Jahren konnten immer komplexere Funktionen in von Integrierten Schaltkreisen realisiert werden. In der Digitaltechnik war es allerdings unwirtschaftlich, für jede Anwendung einen eigenen Schaltkreis zu entwickeln und in relativ niedriger Stückzahl herzustellen. Um Tischrechner weiter auf das Maß eines Taschenrechners verkleinern zu können, entwickelte Intel einen universellen, programmierbaren Schaltkreis: der Intel 4004 war der erste Mikroprozessor.

Die Hauptbestandteile der Mikroprozessoren sind alle zentralen Elemente eines Computers. Vor allem das Rechenwerk, ein paar Register zum Speichern einzelner Werte, das Steuerwerk sowie Ein- und Ausgabeeinheiten. Beim Intel 4004 genügten insgesamt 2250 Transistoren, um alle Funktionen, die ein Taschenrechner benötigt unterzubringen. 4 Bit genügten für die Zahlen 0 bis 9. Neben dem Mikroprozessor sind dann nur noch wenige weitere externe Schaltkreise erforderlich, um einen komplett funktionsfähigen Taschenrechner zu realisieren.

Das Potential des Mikroprozessors wurde zunächst kaum erkannt. Elekronik war vor allem noch analog, und für die Digitaltechnik gab es noch nicht so viele Einsatzzwecke. Computer waren groß, teuer und noch wenig verbreitet. Es war nicht vorstellbar, mit nur einem einzigen zentralen Chip einen Computer bauen zu können. Mikroprozessoren blieben zunächst nur Spezialanwendungen vorbehalten.

Mit dem ersten 8-Bit-Mikroprozessor, dem Intel 8008, war es erstmals relativ einfach möglich, ein ganzes Byte am Stück zu verarbeiten. Damit konnten Anwendungen nicht nur mit Ziffern, sondern auch mit Buchstaben und andere Zeichen arbeiten. Die ersten Mikrocomputer wurden von Bastern wie Kenback entwickelt, Computerclubs entstanden. Persönlichkeiten wie Steve Jobs, Steve Wozniak und Bill Gates erkannten schließlich das riesige Potential der Microcomputer und die Bedeutung von Software für jedermann. Womit die die Geschichten von Apple und Microsoft begannen.

Jetzt war die Nachfrage nach preisgünstigen und immer leistungsfähigeren Mikroprozessoren da. Intel und inzwischen auch andere Halbleiterhersteller brachten regelmäß neue, bessere Microprozessoren auf den Markt. Gorden Moore machte Mitte der 60-er Jahre eine Prognose, dass die Integrationsdichte von Integrierten Schaltkreisen sich etwa alle 1 bis 2 Jahre verdoppeln würde. Als sog. Moore'sche Gesetz hat es sich bis heute, nach über nach 50 Jahren auf die Leistungsfähigkeit von Mikroprozessoren anwenden lassen.

Die Enwicklung von Mikroprozessoren hat viele Dimensionen. Vor allem die Erhöhung der maximalen Taktfrequenz von MHz bis GHz und die Vergrößerung der Busbreite von 4 über 8, 16, 32 auf 64 Bit waren lange Zeit die markantesten Kennzahlen. Genauso wichtig war aber auch die Integration weiterer Funktionen. Jeder neue Prozessor hatte neue, leistungsfähige Befehle, die direkt in Hardware abgebildet wurden wie z.B. mathematische Funktionen, besondere Speicherzugriffe, Virtualisierung oder komplette Grafikeinheiten. Weitere Leistungssteigerung ließen sich dadurch erreichen, dass einfach einzelne Einheiten mehrfach implementiert wurden und gleichzeitig verwendet werden können. Das begann mit Registern und Recheneinheiten und geht bis zu kompletten sog. CPU-Kernen.

Die steigende Rechenleistung benötigte trotz Miniaturisierung immer mehr elektrische Leistung. Bei etwa 100 Watt pro Quadratzentimer wird allerdings eine Grenze erreicht, bei der die Wärme nicht mehr ausreichend abgeführt werden kann. Während die erste Mikroprozessoren wie der Intel 8080 noch in kleine, ungekühlte Plastikgehäuse passten, benötigen aktuelle leistungsfähige große Gehäuse aus Keramik mit Kühlkörpern aus Metall.

Die Architektur der Mikroprozessoren ermöglicht per se die verschiedensten Einsatzbereiche, nicht nur PCs. In fast allen elektronischen Geräten kommen Mikroprozessoren zum Einsatz. Viele Industriezweige nutzen die Möglichkeiten von Prozessoren. Sie finden sich in Nähmaschinen, in der Technik im Auto und auch Messgeräte in der Labortechnik sammeln und verarbeiten mit Hilfe dieser Technik ihre Daten. Die breite Durchdringung von Mikroprozessoren in alle Bereiche des Alltags der Gegenwart führt zu hohen Stückzahlen, so dass es immer mehr spezialisierte Mikroprozessoren gibt. Dabei geht es inzwischen nicht mehr primär um eine Steigerung der Rechengeschwindigkeit, sondern um minimalen Energiebedarf und geringste Abmessungen. Gleichzeitig werden Spezialfunktionen integriert, um den Bedarf an externen elektronischen Komponenten zu minimieren. Der kleinste Mikroprozessor der Welt hat gerade mal 2 mm Kantenlänge und kann in Schuhen oder auch Wasserleitungen Messwerte aufnehmen und per Funk zur Verarbeitung weiterleiten.

Übersicht von Intel-Prozessoren und Kompatible

1970/td> Intel
i4004
Der allererste Mikroprozessor. 4 bit data bus, 12 bit address bus (multiplexed).
Technology: PMOS. Die size: 24 mm2, 2250 transistors.
1972 Intel
i4040
Intel i4004 CPU with extra features: more instructions, interrupt support. 4 bit data bus, 12 bit address bus (multiplexed).
Technology: PMOS.
Intel
i8008
8 bit data bus.16 bit address bus. April 1972.
Technology: PMOS. 3300 transistors. Used in Kenback-1.
1973 Intel
i8080
8 bit data bus, 16 bit address bus. Data and address bus are multiplexed.
2 MHz, 2.67 MHz, 3.125 MHz.
Package: 40 pin CERDIP (CERamic Dual In-line Package).
Intel i8080 CPU: PMOS, 4500 transistors.
Intel i8080A CPU: NMOS, 4000 transistors. (8080A, 1976)
  Zilog
Z80
Intel i8080 CPU upward instruction compatible. Not Intel i8080 CPU pin compatible (included: clock generator).
2.5 MHz: NMOS.
4 MHz: NMOS.
6 MHz: NMOS.
8 MHz: NMOS.
10 MHz: CMOS.
Package: 40 pin CERDIP (CERamic Dual In-line Package).
1976 Intel
i8085A
i8085AH
Intel i8080 CPU upward instruction compatible. Extra instructions: SIM (Set Interrupt Mask), RIM (Read Interrupt Mask). Extra interrupt lines, including NMI (Non-Maskable Interrupt). 8 bit data bus, 16 bit address bus, Data and address bus are multiplexed.
Package: 40 pin CERDIP (CERamic Dual In-line Package). 6200 transistors.
3 MHz, 5 MHz, 6 MHz.
1978 Intel
i8086A
i80C86A
16 bit internal data bus, 16 bit external data bus, 20 bit address bus.Data and address bus are multiplexed. 1 Mbyte address space, 64 kbyte per segment.
4 MHz, 5 MHz, 8 MHz, 10 MHz, 12 Mhz.
Used in IBM PC clones, IBM PC/XT clones.
Package: 40 pin CERDIP (CERamic Dual In-line Package). 29E3 transistors.
1979 Intel 
i8088A
i80C88A
16 bit internal data bus, 8 bit external data bus (can co-operate with all Intel i8085 CPU periphery chips). 20 bit address bus. Data and address bus are multiplexed. 1 Mbyte address space, 64 kbyte per segment.
5 MHz, 8 MHz, 10 MHz, 12 MHz.
Package: 40 pin CERDIP (CERamic Dual In-line Package).
Used in IBM PC and IBM PC/XT.
Nachbauten von AMD, Harris, Siemens.
1983 Intel
80186/
80C186
80188/
80C188
Intel i8086 CPU / Intel i8088 CPU with extra features.
  NEC
V20
Intel i8088 CPU pin compatible, Intel i80188 CPU upward instruction compatible.
Extra features: extra instructions: BCD, Intel i8080 CPU simulation, fewer CPI (Cycles Per Instruction).
8 MHz, 10 MHz: $10. Also made by Sony under license from NEC.
  NEC
V30
Intel i8086 CPU pin compatible. Intel i80186 CPU upward instruction compatible.
Extra features: extra instructions: BCD, Intel i8080 CPU simulation, fewer CPI (Cycles Per Instruction). 10 MHz: $10.
Intel i80886 (?)
1984 Intel
i80286
Real mode: Intel i8086/i8088 CPU mode.
Protected mode: 16 MByte address space, 64 kbyte per segment, 1 Gbyte virtual memory. 16 bit data bus, 24 bit address bus.
6 MHz, 8 MHz, 10 MHz, 12 MHz, 16 MHz, 20 MHz.
Package: 68 pin CERDIP (CERamic Dual In-line Package).
Used in IBM PC/AT.
Technology: HMOS. 134E3 transistors.
Nachbauten von AMD, Harris, Siemens.
  Intel
i80386
(all modells)
All modells:
Real mode: Intel i8086/i8088 CPU mode.
Protected mode: 64 Tbyte virtual memory, 4 Gbyte per segment.
Virtual 8086 mode (V86 mode): parallel simulation of more virtual Intel i8086/i8088 CPU's.
POPAD bug: EAX register is trashed when there is a memory access instruction directly after the POPAD instruction.
October 1985 Intel i80386
i80386DX
32 bit internal data bus, 32 bit external data bus (DX: Double-word eXternal), 32 bit address bus.
12 MHz: first 16 MHz CPU's had clock speed troubles and were released as 12 MHz items.
16 MHz: early Intel i80386 CPU's had a bug in the 32 bit MUL instruction (MUL bug); it is fixed in the double-sigma step level, no longer available.
20 MHz, 25 MHz, 33 MHz.
Package: 132 pin PGA (Pin Grid Array).
Technology: CMOS. 275.000 transistors.
June 1988 Intel
i80386SX
32 bit internal data bus, 16 bit external data bus (SX: Single-word eXternal). 24 bit address bus.
16 MHz, 20 MHz, 25 MHz, 33 MHz.
Package: 100 pin QFP (Quad Flat Package).
Technology: CMOS.
October 1990 Intel
i80386SL
Low power version of the Intel i80386SX CPU: SMM (System Management Mode) Static core. Extra pins assigned for power management. Extra features: PI-bus (Peripheral Interface), cache controller, tag RAM, MCU (Memory Control Unit), ISA-bus driver (Industry Standard Architecture). Intel i80386SX CPU upward pin compatible.
16 MHz, 20 MHz, 25 MHz, 33 MHz.
Technology: CMOS.

Quellen: u.a.:
CHIP LIST 5.0 by Aad Offerman, 27-06-94, 3137NE Vlaardingen The Netherlands, auf rtfm.mit.edu pub/usenet/news.answers/pc-hardware-faq/chiplist/

 


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