Mikroprosesor adalah prosesor komputer yang logika pemrosesan data dan kontrolnya disertakan pada satu sirkuit terpadu (IC), atau sejumlah kecil IC. Mikroprosesor berisi sirkuit aritmatika, logika, dan kontrol yang diperlukan untuk menjalankan fungsi unit pemrosesan pusat (CPU) komputer. Mikroprosesor adalah sirkuit terpadu digital multiguna, berbasis clock, berbasis register, yang menerima data biner sebagai input, memprosesnya sesuai dengan instruksi yang tersimpan di memorinya, dan memberikan hasil (juga dalam bentuk biner) sebagai output. Mikroprosesor berisi logika kombinasional dan logika digital sekuensial, dan beroperasi pada angka dan simbol yang direpresentasikan dalam sistem bilangan biner.
Integrasi seluruh CPU ke dalam satu atau beberapa sirkuit terpadu menggunakan Integrasi Skala Sangat Besar (VLSI) sangat mengurangi biaya daya pemrosesan. Prosesor sirkuit terpadu diproduksi dalam jumlah besar dengan proses fabrikasi metal-oksida-semikonduktor (MOS) yang sangat otomatis, sehingga menghasilkan harga satuan yang relatif rendah. Prosesor chip tunggal meningkatkan keandalan karena ada lebih sedikit sambungan listrik yang dapat gagal. Seiring dengan meningkatnya desain mikroprosesor, biaya pembuatan chip (dengan komponen yang lebih kecil yang dibangun di atas chip semikonduktor dengan ukuran yang sama) pada umumnya tetap sama sesuai dengan hukum Rock.
Sebelum mikroprosesor, komputer kecil dibuat dengan menggunakan rak papan sirkuit dengan banyak sirkuit terintegrasi skala menengah dan kecil, biasanya dari jenis TTL. Mikroprosesor menggabungkan ini menjadi satu atau beberapa IC skala besar. Meskipun ada ketidaksepakatan tentang siapa yang pantas mendapatkan kredit atas penemuan mikroprosesor, mikroprosesor pertama yang tersedia secara komersial adalah Intel 4004, yang dirancang oleh Federico Faggin dan diperkenalkan pada tahun 1971.
Peningkatan kapasitas mikroprosesor yang terus berlanjut sejak saat itu membuat bentuk komputer lain hampir sepenuhnya usang (lihat sejarah perangkat keras komputasi), dengan satu atau lebih mikroprosesor yang digunakan dalam segala hal, mulai dari sistem tertanam dan perangkat genggam terkecil hingga komputer utama dan superkomputer terbesar.
Mikroprosesor berbeda dengan mikrokontroler termasuk sistem pada sebuah chip. Mikroprosesor terkait tetapi berbeda dengan prosesor sinyal digital.
Struktur
Kompleksitas sirkuit terpadu dibatasi oleh keterbatasan fisik pada jumlah transistor yang dapat dimasukkan ke dalam satu chip, jumlah terminasi paket yang dapat menghubungkan prosesor ke bagian lain dari sistem, jumlah interkoneksi yang dimungkinkan untuk dilakukan pada chip, dan panas yang dapat dihilangkan oleh chip. Kemajuan teknologi membuat chip yang lebih kompleks dan kuat menjadi layak untuk diproduksi.
Mikroprosesor hipotetis minimal mungkin hanya mencakup unit logika aritmatika (ALU), dan bagian logika kontrol. ALU melakukan penjumlahan, pengurangan, dan operasi seperti AND atau OR. Setiap operasi ALU menetapkan satu atau lebih flag dalam register status, yang menunjukkan hasil operasi terakhir (nilai nol, angka negatif, overflow, atau lainnya). Logika kontrol mengambil kode instruksi dari memori dan memulai urutan operasi yang diperlukan ALU untuk melaksanakan instruksi. Satu kode operasi dapat mempengaruhi banyak jalur data, register, dan elemen lain dari prosesor.
Seiring dengan kemajuan teknologi sirkuit terpadu, memungkinkan untuk membuat prosesor yang lebih kompleks pada satu chip. Ukuran objek data menjadi lebih besar; memungkinkan lebih banyak transistor pada sebuah chip yang memungkinkan ukuran kata meningkat dari kata 4 dan 8-bit hingga kata 64-bit saat ini. Fitur tambahan ditambahkan ke arsitektur prosesor; lebih banyak register dalam chip mempercepat program, dan instruksi yang rumit dapat digunakan untuk membuat program yang lebih ringkas. Aritmatika floating-point, misalnya, sering kali tidak tersedia pada mikroprosesor 8-bit, tetapi harus dilakukan dalam perangkat lunak. Integrasi unit floating-point, pertama sebagai sirkuit terintegrasi yang terpisah dan kemudian sebagai bagian dari chip mikroprosesor yang sama, mempercepat perhitungan floating-point.
Kadang-kadang, keterbatasan fisik sirkuit terpadu membuat praktik seperti pendekatan bit slice diperlukan. Alih-alih memproses semua kata yang panjang pada satu sirkuit terintegrasi, beberapa sirkuit secara paralel memproses subset dari setiap kata. Meskipun hal ini membutuhkan logika tambahan untuk menangani, misalnya, carry dan overflow dalam setiap irisan, hasilnya adalah sistem yang dapat menangani, misalnya, kata 32-bit menggunakan sirkuit terintegrasi dengan kapasitas hanya empat bit.
Kemampuan untuk menempatkan transistor dalam jumlah besar pada satu chip membuatnya memungkinkan untuk mengintegrasikan memori pada die yang sama dengan prosesor. Cache CPU ini memiliki keunggulan akses yang lebih cepat daripada memori off-chip dan meningkatkan kecepatan pemrosesan sistem untuk banyak aplikasi. Frekuensi clock prosesor telah meningkat lebih cepat daripada kecepatan memori eksternal, sehingga memori cache diperlukan jika prosesor tidak ingin ditunda oleh memori eksternal yang lebih lambat.
Desain beberapa prosesor telah menjadi cukup rumit sehingga sulit untuk diuji sepenuhnya, dan hal ini telah menyebabkan masalah pada penyedia cloud yang besar.
Desain tujuan khusus
Mikroprosesor adalah entitas serba guna. Beberapa perangkat pemrosesan khusus telah menyusul:
-
Prosesor sinyal digital (DSP) dikhususkan untuk pemrosesan sinyal.
-
Unit pemrosesan grafis (GPU) adalah prosesor yang dirancang terutama untuk rendering gambar secara real-time.
-
Unit khusus lainnya ada untuk pemrosesan video dan visi mesin.
-
Mikrokontroler dalam sistem tertanam dan perangkat periferal.
-
Sistem pada chip (SoC) sering kali mengintegrasikan satu atau lebih inti mikroprosesor dan mikrokontroler dengan komponen lain seperti modem radio, dan digunakan pada ponsel cerdas dan komputer tablet.
Pertimbangan kecepatan dan daya
Mikroprosesor dapat dipilih untuk aplikasi yang berbeda berdasarkan ukuran kata, yang merupakan ukuran kompleksitasnya. Ukuran kata yang lebih panjang memungkinkan setiap siklus clock prosesor untuk melakukan lebih banyak komputasi, tetapi sesuai dengan sirkuit terpadu yang secara fisik lebih besar dengan konsumsi daya siaga dan operasi yang lebih tinggi. Prosesor 4, 8, atau 12-bit secara luas diintegrasikan ke dalam mikrokontroler yang mengoperasikan sistem yang disematkan. Di mana sistem diharapkan menangani volume data yang lebih besar atau memerlukan antarmuka pengguna yang lebih fleksibel, prosesor 16, 32, atau 64-bit digunakan. Prosesor 8- atau 16-bit dapat dipilih daripada prosesor 32-bit untuk sistem pada chip atau aplikasi mikrokontroler yang membutuhkan elektronik berdaya sangat rendah, atau merupakan bagian dari sirkuit terpadu sinyal campuran dengan elektronik analog dalam chip yang peka terhadap kebisingan seperti konverter analog ke digital resolusi tinggi, atau keduanya. Beberapa orang mengatakan bahwa menjalankan aritmatika 32-bit pada chip 8-bit dapat menggunakan lebih banyak daya, karena chip harus menjalankan perangkat lunak dengan banyak instruksi. Namun, yang lain mengatakan bahwa chip 8-bit modern selalu lebih hemat daya daripada chip 32-bit saat menjalankan rutinitas perangkat lunak yang setara.
Aplikasi yang disematkan
Ribuan item yang secara tradisional tidak berhubungan dengan komputer termasuk mikroprosesor. Ini termasuk peralatan rumah tangga, kendaraan (dan aksesorinya), alat dan instrumen uji, mainan, sakelar/peredup lampu dan pemutus sirkuit listrik, alarm asap, kemasan baterai, dan komponen audio/visual hi-fi (mulai dari pemutar DVD hingga meja putar piringan hitam). Produk seperti telepon seluler, sistem video DVD, dan sistem siaran HDTV pada dasarnya membutuhkan perangkat konsumen dengan mikroprosesor yang kuat dan murah. Standar pengendalian polusi yang semakin ketat secara efektif mengharuskan produsen mobil untuk menggunakan sistem manajemen mesin mikroprosesor untuk memungkinkan pengendalian emisi yang optimal pada kondisi pengoperasian mobil yang sangat bervariasi. Kontrol yang tidak dapat diprogram akan membutuhkan implementasi yang besar, atau mahal untuk mencapai hasil yang mungkin dicapai dengan mikroprosesor.
Program kontrol mikroprosesor(perangkat lunak tertanam) dapat disesuaikan agar sesuai dengan kebutuhan lini produk, sehingga memungkinkan peningkatan kinerja dengan desain ulang produk yang minimal. Fitur unik dapat diimplementasikan dalam berbagai model lini produk dengan biaya produksi yang dapat diabaikan.
Kontrol mikroprosesor pada suatu sistem dapat memberikan strategi kontrol yang tidak praktis untuk diterapkan menggunakan kontrol elektromekanis atau kontrol elektronik yang dibuat khusus. Sebagai contoh, sistem kontrol mesin pembakaran internal dapat menyesuaikan waktu pengapian berdasarkan kecepatan mesin, beban, suhu, dan kecenderungan knocking yang teramati-memungkinkan mesin beroperasi pada berbagai tingkat bahan bakar.
Sejarah
Munculnya komputer berbiaya rendah pada sirkuit terpadu telah mengubah masyarakat modern. Mikroprosesor serba guna pada komputer pribadi digunakan untuk komputasi, pengeditan teks, tampilan multimedia, dan komunikasi melalui Internet. Banyak lagi mikroprosesor yang merupakan bagian dari sistem tertanam, yang menyediakan kontrol digital atas banyak sekali objek mulai dari peralatan, mobil, telepon seluler, dan kontrol proses industri. Mikroprosesor melakukan operasi biner berdasarkan logika Boolean, yang diambil dari nama George Boole. Kemampuan untuk mengoperasikan sistem komputer menggunakan Logika Boolean pertama kali dibuktikan dalam tesis tahun 1938 oleh mahasiswa master Claude Shannon, yang kemudian menjadi profesor. Shannon dianggap sebagai "Bapak Teori Informasi". Pada tahun 1951, Microprogramming ditemukan oleh Maurice Wilkes di University of Manchester, Inggris, dari kesadaran bahwa prosesor pusat dapat dikontrol oleh program khusus dalam ROM khusus. Wilkes juga dikreditkan dengan ide label simbolik, makro, dan perpustakaan subrutin.
Mengikuti pengembangan chip sirkuit terpadu MOS pada awal 1960-an, chip MOS mencapai kepadatan transistor yang lebih tinggi dan biaya produksi yang lebih rendah daripada sirkuit terpadu bipolar pada tahun 1964. Chip MOS semakin meningkat dalam kompleksitas pada tingkat yang diprediksi oleh hukum Moore, yang mengarah pada integrasi skala besar (LSI) dengan ratusan transistor pada satu chip MOS pada akhir 1960-an. Penerapan chip MOS LSI pada komputasi adalah dasar dari mikroprosesor pertama, karena para insinyur mulai menyadari bahwa prosesor komputer yang lengkap dapat dimuat dalam beberapa chip MOS LSI. Para perancang pada akhir tahun 1960-an berusaha keras untuk mengintegrasikan fungsi central processing unit (CPU) komputer ke dalam beberapa chip MOS LSI, yang disebut chipset unit mikroprosesor (MPU).
Meskipun ada ketidaksepakatan mengenai siapa yang menemukan mikroprosesor, mikroprosesor pertama yang tersedia secara komersial adalah Intel 4004, yang dirilis sebagai chip MOS LSI tunggal pada tahun 1971. Mikroprosesor chip tunggal ini dimungkinkan dengan pengembangan teknologi gerbang silikon MOS (SGT). Transistor MOS yang paling awal memiliki gerbang logam aluminium, yang kemudian digantikan oleh fisikawan Italia, Federico Faggin, dengan gerbang silikon yang dapat disejajarkan sendiri untuk mengembangkan chip MOS gerbang silikon pertama di Fairchild Semiconductor pada tahun 1968. Faggin kemudian bergabung dengan Intel dan menggunakan teknologi MOS gerbang silikonnya untuk mengembangkan 4004, bersama dengan Marcian Hoff, Stanley Mazor, dan Masatoshi Shima pada tahun 1971. 4004 dirancang untuk Busicom, yang sebelumnya telah mengusulkan desain multi-chip pada tahun 1969, sebelum tim Faggin di Intel mengubahnya menjadi desain chip tunggal yang baru. Intel memperkenalkan mikroprosesor komersial pertama, Intel 4004 4-bit, pada tahun 1971. Kemudian disusul dengan mikroprosesor 8-bit Intel 8008 pada tahun 1972. Chipset MP944 yang digunakan di F-14 Central Air Data Computer pada tahun 1970 juga disebut-sebut sebagai mikroprosesor awal, tetapi tidak diketahui publik sampai dideklasifikasi pada tahun 1998.
Penggunaan mikroprosesor 4-bit dan 8-bit lainnya yang tertanam, seperti terminal, printer, berbagai jenis otomatisasi, dan lain-lain, segera menyusul setelahnya. Mikroprosesor 8-bit yang terjangkau dengan pengalamatan 16-bit juga menghasilkan mikrokomputer serba guna pertama sejak pertengahan 1970-an.
Penggunaan pertama istilah "mikroprosesor" dikaitkan dengan Viatron Computer Systems yang menggambarkan sirkuit terintegrasi khusus yang digunakan dalam sistem komputer kecil System 21 yang diumumkan pada tahun 1968.
Sejak awal tahun 1970-an, peningkatan kapasitas mikroprosesor telah mengikuti hukum Moore; hukum ini pada awalnya menyatakan bahwa jumlah komponen yang dapat dipasang pada sebuah chip meningkat dua kali lipat setiap tahunnya. Dengan teknologi saat ini, sebenarnya setiap dua tahun sekali, [sumber usang] dan akibatnya Moore kemudian mengubah periode tersebut menjadi dua tahun sekali.
Proyek pertama
Proyek-proyek ini menghasilkan mikroprosesor pada waktu yang hampir bersamaan: Central Air Data Computer (CADC) Garrett AiResearch(1970), TMS 1802NC dari Texas Instruments(September 1971), dan 4004 dari Intel(November 1971, berdasarkan rancangan Busicom tahun 1969). Bisa dibilang, mikroprosesor Four-Phase Systems AL1 juga diluncurkan pada tahun 1969.
Sistem Empat Fase AL1 (1969)
Four-Phase Systems AL1 adalah chip irisan bit 8-bit yang berisi delapan register dan ALU. Ini dirancang oleh Lee Boysel pada tahun 1969. Pada saat itu, ini merupakan bagian dari sembilan chip, CPU 24-bit dengan tiga AL1. Kemudian disebut mikroprosesor ketika, sebagai tanggapan atas litigasi tahun 1990-an oleh Texas Instruments, Boysel membangun sistem demonstrasi di mana satu AL1 menjadi bagian dari sistem komputer demonstrasi ruang sidang, bersama dengan RAM, ROM, dan perangkat input-output.
Garrett AiResearch CADC (1970)
Pada tahun 1968, Garrett AiResearch (yang mempekerjakan desainer Ray Holt dan Steve Geller) diundang untuk memproduksi komputer digital untuk bersaing dengan sistem elektromekanis yang saat itu sedang dikembangkan untuk komputer kontrol penerbangan utama di pesawat tempur F-14 Tomcat Angkatan Laut AS yang baru. Desain ini selesai pada tahun 1970, dan menggunakan chipset berbasis MOS sebagai CPU inti. Desainnya secara signifikan (sekitar 20 kali) lebih kecil dan jauh lebih dapat diandalkan daripada sistem mekanis yang menjadi saingannya dan digunakan pada semua model Tomcat awal. Sistem ini berisi " multi-mikroprosesor paralel 20-bit, pipa, dan paralel ". Angkatan Laut menolak untuk mengizinkan publikasi desain sampai tahun 1997. Dirilis pada tahun 1998, dokumentasi tentang CADC, dan chipset MP944, sangat terkenal. Kisah otobiografi Ray Holt tentang desain dan pengembangan ini disajikan dalam buku ini: Insinyur yang tidak disengaja (The Accidental Engineer).
Ray Holt lulus dari California State Polytechnic University, Pomona pada tahun 1968, dan memulai karier desain komputernya dengan CADC. Sejak awal, proyek ini diselimuti kerahasiaan hingga tahun 1998, ketika atas permintaan Holt, Angkatan Laut AS mengizinkan dokumen-dokumen tersebut masuk ke dalam domain publik. Holt mengklaim bahwa tidak ada yang membandingkan mikroprosesor ini dengan mikroprosesor yang muncul setelahnya. Menurut Parab dkk. (2007),
Makalah dan literatur ilmiah yang diterbitkan sekitar tahun 1971 mengungkapkan bahwa prosesor digital MP944 yang digunakan untuk pesawat F-14 Tomcat Angkatan Laut AS memenuhi syarat sebagai mikroprosesor pertama. Meskipun menarik, prosesor ini bukanlah prosesor chip tunggal, seperti halnya Intel 4004 - keduanya lebih seperti sekumpulan blok bangunan paralel yang dapat Anda gunakan untuk membuat bentuk serba guna. Ini berisi CPU, RAM, ROM, dan dua chip pendukung lainnya seperti Intel 4004. Itu dibuat dari teknologi P-channel yang sama, dioperasikan pada spesifikasi militer dan memiliki chip yang lebih besar - desain rekayasa komputer yang sangat baik menurut standar apa pun. Desainnya menunjukkan kemajuan besar atas Intel, dan dua tahun sebelumnya. Ini benar-benar bekerja dan terbang di F-14 ketika Intel 4004 diumumkan. Hal ini menunjukkan bahwa tema industri saat ini tentang konvergensi arsitektur DSP-mikrokontroler telah dimulai pada tahun 1971.
Konvergensi arsitektur DSP dan mikrokontroler ini dikenal sebagai pengontrol sinyal digital.
Gilbert Hyatt (1970)
Pada tahun 1990, insinyur Amerika Gilbert Hyatt dianugerahi Paten AS No. 4,942,516, yang didasarkan pada komputer serial 16-bit yang dibuatnya di rumahnya di Northridge, California, pada tahun 1969 dari papan chip bipolar setelah berhenti bekerja di Teledyne pada tahun 1968; meskipun paten telah diajukan pada bulan Desember 1970 dan sebelum pengarsipan Texas Instruments untuk TMX 1795 dan TMS 0100, penemuan Hyatt tidak pernah diproduksi. Meskipun demikian, hal ini menyebabkan klaim bahwa Hyatt adalah penemu mikroprosesor dan pembayaran royalti yang substansial melalui anak perusahaan Philips N.V., hingga Texas Instruments menang dalam pertarungan hukum yang rumit pada tahun 1996, ketika Kantor Paten A.S. membatalkan paten tersebut. A. Kantor Paten A.S. membatalkan bagian-bagian penting dari paten tersebut, sementara mengizinkan Hyatt untuk mempertahankannya. Hyatt mengatakan dalam sebuah artikel Los Angeles Times tahun 1990 bahwa penemuannya akan tercipta jika calon investornya mendukungnya, dan bahwa investor ventura membocorkan rincian chipnya kepada industri, meskipun dia tidak menjelaskan dengan bukti untuk mendukung klaim ini. [Dalam artikel yang sama, penulis The Chip, T.R. Reid, dikutip mengatakan bahwa para sejarawan pada akhirnya dapat menempatkan Hyatt sebagai salah satu penemu mikroprosesor, seperti halnya Noyce dari Intel dan Kilby dari TI yang berbagi pujian atas penemuan chip pada tahun 1958: "Kilby mendapatkan idenya terlebih dahulu, namun Noyce membuatnya menjadi praktis. Keputusan hukum akhirnya memenangkan Noyce, tetapi mereka dianggap sebagai penemu bersama. Hal yang sama bisa terjadi di sini." Hyatt kemudian bertarung dalam pertarungan hukum selama beberapa dekade dengan negara bagian California atas dugaan pajak yang belum dibayar atas rejeki nomplok patennya setelah tahun 1990, yang kemudian berujung pada kasus penting di Mahkamah Agung yang membahas kekebalan kedaulatan negara bagian dalam Franchise Tax Board of California v. Hyatt (2019).
Texas Instruments TMX 1795 (1970-1971)
Bersama dengan Intel (yang mengembangkan 8008), Texas Instruments mengembangkan pada tahun 1970-1971 pengganti CPU satu chip untuk terminal Datapoint 2200, TMX 1795 (kemudian TMC 1795.) Seperti 8008, itu ditolak oleh pelanggan Datapoint. Menurut Gary Boone, TMX 1795 tidak pernah mencapai tahap produksi. Namun, ia mencapai kondisi prototipe yang berfungsi pada 24 Februari 1971, oleh karena itu ia merupakan mikroprosesor 8-bit pertama di dunia. Karena dibuat dengan spesifikasi yang sama, set instruksinya sangat mirip dengan Intel 8008.
Texas Instruments TMS 1802NC (1971)
TMS1802NC diumumkan pada tanggal 17 September 1971, dan mengimplementasikan kalkulator empat fungsi. TMS1802NC, terlepas dari peruntukannya, bukanlah bagian dari seri TMS 1000; kemudian didesain ulang sebagai bagian dari seri TMS 0100, yang digunakan dalam kalkulator TI Datamath. Meskipun dipasarkan sebagai kalkulator pada chip, TMS1802NC sepenuhnya dapat diprogram, termasuk pada chip CPU dengan kata instruksi 11-bit, 3520 bit (320 instruksi) ROM, dan 182 bit RAM.
Disadur dari: en.wikipedia.org