Intel 4004

定义

Intel 4004是一枚4位中央处理器，也是英特尔公司推出的第一款微处理器产品，被公认为世界上第一款商用微处理器^[1]。它采用10微米制程工艺，芯片内集成约2250至2300个晶体管，裸片尺寸约3毫米×4毫米，采用16引脚双列直插封装。它并非独立工作的元件，而是MCS-4微计算机芯片组的一部分，必须与4001只读存储器、4002随机存储器和4003移位寄存器配合，才能构成一个完整的微型计算机系统^[2]。

原理

Intel 4004采用4位数据宽度，指令以8位为一个字，地址为12位，可寻址4096字节的程序存储空间^[3]。它把程序与数据分开存放，程序只能放在4001只读存储器中，4002随机存储器仅用于保存数据，不能存放或执行程序^[4]。

芯片使用一条4位双向数据总线在处理器与存储器芯片之间传输信息，为控制引脚数量，地址、指令和数据分时复用同一条总线^[3]。工作时，4004先在前三个时钟周期送出12位地址，选中的4001在随后两个周期返回8位指令，最后三个周期完成译码与执行；一条基本指令需要8个或16个时钟周期^[3]。外部提供750千赫兹的两相时钟，指令周期约为10.8微秒或21.6微秒^[3]。

指令集共包含46条指令，其中41条为8位宽，5条为16位宽；芯片内部有16个4位寄存器、一个4位累加器和一个进位触发器，子程序堆栈可嵌套三层。指令集面向十进制运算设计，支持二进制与十进制算术、条件分支和子程序跳转^[3]。

发展历程

项目的起点是1969年，日本计算器制造商Busicom委托英特尔为其计算器设计一套专用芯片，最初的方案是7枚或12枚芯片。英特尔工程师泰德·霍夫认为原方案过于复杂，提出改用一枚通用的4位CPU加存储器、移位寄存器的四芯片方案，斯坦利·马泽尔参与完善了架构定义。1970年4月，曾在仙童半导体开发出硅栅工艺的费德里科·法金加入英特尔，负责这四枚芯片的电路设计、版图与测试，Busicom工程师嶋正利则承担了4004的逻辑设计。1971年1月，首批4004晶圆在实验室点亮，3月得到功能完整的芯片^[5]。

1971年中期，4004作为Busicom 141-PF计算器的一部分首次交货^[6]。由于计算器市场下滑，Busicom要求降价，英特尔同意让价，并以此换取了在计算器以外市场自由销售该芯片的权利，代价是退还Busicom投入的6万美元开发费用。1971年11月15日，英特尔在行业刊物《电子新闻》上刊登广告，正式向通用市场发布4004及MCS-4芯片组，广告以「集成电子的新时代」和「芯片上的微可编程计算机」为标题^[6]。这枚芯片把英特尔从一家存储器公司带入了处理器业务^[7]。

应用

4004的首个应用是Busicom 141-PF桌面计算器，该机型使用一枚4004、两枚4002、三枚4003和四枚4001，构成主频约750千赫兹、每秒约执行10万条指令的系统^[5]。向通用市场发布后，4004还被用于英特尔的SIM-4开发系统以及Bally公司的街机设备。

作为通用可编程芯片，4004的用途并不限于计算器，它可以承担各种设备的控制与运算任务。不过，其设计者之一的马泽尔后来指出，由于当时工程师普遍不了解微处理器的用法，英特尔大约花了5年时间才让业界学会基于微处理器开发新产品^[1]。

局限

4004的数据宽度只有4位，一次只能处理半个字节，处理8位以上的数值需要分成多步完成^[8]。它的运算速度也有限，一次8位十进制加法约需850微秒，最高时钟频率为740千赫兹，每秒可执行约4.6万至9.3万条指令^[4]。

在存储结构上，4004把程序区与数据区严格分开，随机存储器只能存数据，程序代码必须存放在可掩膜编程的只读存储器中，因此更换程序意味着更换芯片^[4]。其子程序堆栈只有三层，寄存器数量也很少，适合计算器等小型控制任务，而不适合运行复杂的软件。

为压低引脚数量，4004把地址、指令和数据放在同一条4位总线上分时传输，这一设计限制了数据吞吐能力^[3]。关于它是否是世界上第一枚微处理器，业界通常要加上「单芯片」和「商用」两个限定语，因为在此之前已有用于军事装备的多芯片微处理器系统投入使用^[6]。

参见

• 微处理器 —— 把中央处理器的运算与控制电路集成在单一芯片上的器件，Intel 4004 属于这一类产品。

• 中央处理器 —— 计算机中负责指令译码与执行的部件，Intel 4004 是一枚 4 位中央处理器。

• 集成电路 —— 把大量晶体管与互连线路制作在同一块半导体基片上的电路，是 4004 得以实现的技术基础。

• 只读存储器 —— 4001 芯片即用于存放程序的只读存储器，其内容在制造时以掩膜方式写入。

• 硅栅工艺 —— 费德里科·法金开发的 MOS 制造工艺，使 4004 的单芯片集成成为可能。