Mikroişlemci

Texas Instruments TMS1000 ⓘ

Intel 4004 ⓘ

Motorola 6800 (MC6800) ⓘ

Modern bir 64 bit x86-64 işlemci (AMD Ryzen 5 2600, Zen+ tabanlı, 2017) ⓘ

Bir anakart üzerindeki AM4 soketinde AMD Ryzen 7 1800X (2016, Zen tabanlı) işlemci ⓘ

Mikroişlemci, veri işleme mantığı ve kontrolünün tek bir entegre devre veya az sayıda entegre devre üzerinde yer aldığı bir bilgisayar işlemcisidir. Mikroişlemci, bir bilgisayarın merkezi işlem biriminin işlevlerini yerine getirmek için gereken aritmetik, mantık ve kontrol devresini içerir. Entegre devre, program talimatlarını yorumlama ve yürütme ve aritmetik işlemleri gerçekleştirme yeteneğine sahiptir. Mikroişlemci, ikili verileri girdi olarak kabul eden, belleğinde saklanan talimatlara göre işleyen ve sonuçları (yine ikili biçimde) çıktı olarak sağlayan çok amaçlı, saatle çalışan, kayıt tabanlı, dijital bir entegre devredir. Mikroişlemciler hem kombinasyonel mantık hem de sıralı dijital mantık içerir ve ikili sayı sisteminde temsil edilen sayılar ve semboller üzerinde çalışır. ⓘ

Çok Büyük Ölçekli Entegrasyon (VLSI) kullanılarak bütün bir CPU'nun tek veya birkaç entegre devre üzerine entegre edilmesi, işlem gücü maliyetini büyük ölçüde düşürmüştür. Entegre devre işlemcileri, yüksek otomasyonlu metal-oksit-yarı iletken (MOS) üretim süreçleriyle çok sayıda üretilir ve bu da nispeten düşük bir birim fiyatla sonuçlanır. Tek çipli işlemciler güvenilirliği artırır çünkü arızalanabilecek çok daha az elektrik bağlantısı vardır. Mikroişlemci tasarımları geliştikçe, bir çipin üretim maliyeti (aynı boyuttaki bir yarı iletken çip üzerine inşa edilen daha küçük bileşenlerle) Rock yasasına göre genellikle aynı kalır. ⓘ

Mikroişlemcilerden önce küçük bilgisayarlar, tipik olarak TTL tipinde birçok orta ve küçük ölçekli entegre devre içeren devre kartı rafları kullanılarak inşa ediliyordu. Mikroişlemciler bunu bir ya da birkaç büyük ölçekli IC'de birleştirdi. Piyasada bulunan ilk mikroişlemci 1971 yılında tanıtılan Intel 4004'tür. ⓘ

Mikroişlemci kapasitesinde devam eden artışlar, en küçük gömülü sistemler ve el cihazlarından en büyük ana bilgisayarlar ve süper bilgisayarlara kadar her şeyde kullanılan bir veya daha fazla mikroişlemci ile o zamandan beri diğer bilgisayar türlerini neredeyse tamamen kullanılmaz hale getirmiştir (bkz. bilgi işlem donanımının tarihi). ⓘ

1970'lerin ortalarından itibaren mikroişlemciler, mikrobilgisayarların doğuşunu mümkün kılmıştır. Bundan önce, tipik olarak elektronik ana işlem birimleri, sadece birkaç transistöre eşdeğer büyük, ayrık anahtarlama (switching) aygıtları (daha sonra Small-Scale tüm devreler) kullanılarak yapılıyordu. İşlemciyi, bir ya da birkaç Large-Scale tüm devre (binlerce veya milyonlarca ayrık transistörün eşdeğeri) içine gömmekle işlemci gücü fiyatı büyük ölçüde düşürüldü. 1970'lerin ortalarında tüm devrelerin doğuşuyla mikroişlemci, diğer bütün türleri değiştirip, ana işlem biriminin yapımında en yaygın yol oldu. ⓘ

Yapı

Aritmetik ve mantık bölümünü, kayıt dosyasını, kontrol mantığı bölümünü ve harici adres ve veri hatlarına giden tamponları gösteren Z80 mikroişlemcinin mimarisinin blok diyagramı ⓘ

Bir entegre devrenin karmaşıklığı, bir çip üzerine yerleştirilebilecek transistör sayısı, işlemciyi sistemin diğer parçalarına bağlayabilecek paket sonlandırma sayısı, çip üzerinde yapılabilecek ara bağlantı sayısı ve çipin dağıtabileceği ısı üzerindeki fiziksel sınırlamalarla sınırlıdır. Gelişen teknoloji daha karmaşık ve güçlü çiplerin üretimini mümkün kılmaktadır. ⓘ

Minimal bir varsayımsal mikroişlemci yalnızca bir aritmetik mantık birimi (ALU) ve bir kontrol mantığı bölümü içerebilir. ALU toplama, çıkarma ve VE ya da VEYA gibi işlemleri gerçekleştirir. ALU'nun her işlemi, son işlemin sonuçlarını (sıfır değeri, negatif sayı, taşma veya diğerleri) gösteren bir durum kaydında bir veya daha fazla bayrak ayarlar. Kontrol mantığı komut kodlarını bellekten alır ve ALU'nun komutu yerine getirmesi için gereken işlem sırasını başlatır. Tek bir işlem kodu, işlemcinin birçok ayrı veri yolunu, kaydedicisini ve diğer öğelerini etkileyebilir. ⓘ

Entegre devre teknolojisi ilerledikçe, tek bir çip üzerinde giderek daha karmaşık işlemciler üretmek mümkün oldu. Veri nesnelerinin boyutu büyüdü; bir çip üzerinde daha fazla transistöre izin verilmesi, kelime boyutlarının 4 ve 8 bitlik kelimelerden günümüzün 64 bitlik kelimelerine kadar artmasını sağladı. İşlemci mimarisine ek özellikler eklendi; daha fazla çip üstü yazmaç programları hızlandırdı ve karmaşık talimatlar daha kompakt programlar yapmak için kullanılabildi. Örneğin, kayan noktalı aritmetik genellikle 8-bit mikroişlemcilerde mevcut değildi, ancak yazılımda gerçekleştirilmesi gerekiyordu. Kayan nokta biriminin önce ayrı bir entegre devre olarak, sonra da aynı mikroişlemci yongasının bir parçası olarak entegre edilmesi, kayan nokta hesaplamalarını hızlandırdı. ⓘ

Bazen, entegre devrelerin fiziksel sınırlamaları bit dilimi yaklaşımı gibi uygulamaları gerekli kılmıştır. Uzun bir kelimenin tamamını tek bir entegre devrede işlemek yerine, birden fazla devre paralel olarak her kelimenin alt kümelerini işledi. Bu, örneğin her bir dilimde taşıma ve taşma işlemlerini gerçekleştirmek için ekstra mantık gerektirse de, sonuçta her biri yalnızca dört bit kapasiteli entegre devreler kullanarak örneğin 32 bitlik sözcükleri işleyebilen bir sistem ortaya çıkmıştır. ⓘ

Bir çip üzerine çok sayıda transistör yerleştirme yeteneği, belleği işlemciyle aynı kalıp üzerine entegre etmeyi mümkün kılmaktadır. Bu CPU önbelleği, çip dışı bellekten daha hızlı erişim avantajına sahiptir ve birçok uygulama için sistemin işlem hızını artırır. İşlemci saat frekansı harici bellek hızından daha hızlı artmıştır, bu nedenle işlemcinin daha yavaş harici bellek tarafından geciktirilmemesi için ön bellek gereklidir. ⓘ

CISC mimarisinin karakteristik iki özelliğinden birisi, değişken uzunluktaki komutlar, diğeri ise karmaşık komutlardır. Değişken ve karmaşık uzunluktaki komutlar bellek tasarrufu sağlar. Karmaşık komutlar İki ya da daha fazla komutu tek bir komut haline getirdikleri için hem bellekleri hem de programda yer alması gereken komut sayısından tasarruf sağlar. CISC yapısının en çok kullanıldığı alan sinyal işlemede kullanılan DSP işlemcileridir. ⓘ

Özel amaçlı tasarımlar

Mikroişlemci genel amaçlı bir varlıktır. Bunu çeşitli özel işlem cihazları takip etmiştir:

• Bir dijital sinyal işlemcisi (DSP) sinyal işleme için uzmanlaşmıştır.
• Grafik işleme birimleri (GPU'lar) öncelikle görüntülerin gerçek zamanlı işlenmesi için tasarlanmış işlemcilerdir.
• Video işleme ve makine görüşü için başka özel birimler de mevcuttur. (Bkz: Donanım hızlandırma.)
• Gömülü sistemler ve çevresel aygıtlardaki mikro denetleyiciler.
• Çip üzerindeki sistemler (SoC'ler) genellikle bir veya daha fazla mikroişlemci ve mikrodenetleyici çekirdeğini radyo modemler gibi diğer bileşenlerle entegre eder ve akıllı telefonlarda ve tablet bilgisayarlarda kullanılır. ⓘ

Hız ve güçle ilgili hususlar

Intel Core i9-9900K (2018, Coffee Lake tabanlı) ⓘ

Mikroişlemciler, karmaşıklıklarının bir ölçüsü olan kelime boyutlarına göre farklı uygulamalar için seçilebilir. Daha uzun kelime boyutları, bir işlemcinin her bir saat döngüsünün daha fazla hesaplama yapmasına izin verir, ancak daha yüksek bekleme ve çalışma gücü tüketimi ile fiziksel olarak daha büyük entegre devre kalıplarına karşılık gelir. 4, 8 veya 12 bit işlemciler, gömülü sistemleri çalıştıran mikro denetleyicilere yaygın olarak entegre edilmiştir. Bir sistemin daha büyük hacimlerde veri işlemesi beklendiğinde veya daha esnek bir kullanıcı arayüzü gerektirdiğinde, 16-, 32- veya 64-bit işlemciler kullanılır. Son derece düşük güç elektroniği gerektiren veya yüksek çözünürlüklü analogdan dijitale dönüştürücüler gibi gürültüye duyarlı yonga üstü analog elektronikler içeren karışık sinyal entegre devresinin bir parçası olan yonga üstü sistem veya mikrodenetleyici uygulamaları için 32 bit işlemci yerine 8 veya 16 bit işlemci seçilebilir veya her ikisi de kullanılabilir. 8 bitlik bir çipte 32 bitlik aritmetik çalıştırmak, çipin birden fazla talimat içeren yazılımı yürütmesi gerektiğinden daha fazla güç kullanmasına neden olabilir. ⓘ

Gömülü uygulamalar

Geleneksel olarak bilgisayarla ilgili olmayan binlerce ürün mikroişlemcileri içermektedir. Bunlar arasında ev aletleri, araçlar (ve aksesuarları), aletler ve test cihazları, oyuncaklar, ışık anahtarları/ dimmerler ve elektrik devre kesicileri, duman alarmları, pil paketleri ve hi-fi ses/görüntü bileşenleri (DVD oynatıcılardan fonograf pikaplarına kadar) bulunmaktadır. Cep telefonları, DVD video sistemleri ve HDTV yayın sistemleri gibi ürünler temelde güçlü, düşük maliyetli mikro işlemcilere sahip tüketici cihazları gerektirmektedir. Giderek daha sıkı hale gelen kirlilik kontrol standartları, otomobil üreticilerinin, bir otomobilin geniş ölçüde değişen çalışma koşullarında emisyonların en iyi şekilde kontrol edilmesini sağlamak için mikroişlemcili motor yönetim sistemlerini kullanmalarını gerektirmektedir. Programlanamayan kontroller, bir mikroişlemci ile mümkün olan sonuçları elde etmek için hantal veya maliyetli uygulama gerektirecektir. ⓘ

Bir mikroişlemci kontrol programı (gömülü yazılım), bir ürün hattının ihtiyaçlarına uyacak şekilde uyarlanabilir ve ürünün minimum düzeyde yeniden tasarlanmasıyla performansta yükseltmelere izin verir. Benzersiz özellikler, ihmal edilebilir üretim maliyetiyle ürün hattının çeşitli modellerine uygulanabilir. ⓘ

Bir sistemin mikroişlemci kontrolü, elektromekanik kontroller veya amaca yönelik elektronik kontroller kullanılarak uygulanması pratik olmayan kontrol stratejileri sağlayabilir. Örneğin, bir içten yanmalı motorun kontrol sistemi ateşleme zamanlamasını motor hızına, yüke, sıcaklığa ve gözlemlenen vuruntu eğilimine göre ayarlayarak motorun çeşitli yakıt sınıflarında çalışmasına olanak tanıyabilir. ⓘ

Tarihçe

Entegre devreler üzerinde düşük maliyetli bilgisayarların ortaya çıkışı modern toplumu dönüştürmüştür. Kişisel bilgisayarlardaki genel amaçlı mikroişlemciler hesaplama, metin düzenleme, multimedya görüntüleme ve İnternet üzerinden iletişim için kullanılmaktadır. Çok daha fazla sayıda mikroişlemci gömülü sistemlerin bir parçasıdır ve cihazlardan otomobillere, cep telefonlarına ve endüstriyel süreç kontrolüne kadar sayısız nesne üzerinde dijital kontrol sağlar. Mikroişlemciler, adını George Boole'dan alan boole mantığına dayalı ikili işlemler gerçekleştirir. Boole Mantığını kullanarak bilgisayar sistemlerini çalıştırma yeteneği ilk olarak 1938 yılında, daha sonra profesör olacak olan yüksek lisans öğrencisi Claude Shannon'un tezinde kanıtlanmıştır. Shannon "Bilgi Teorisinin Babası" olarak kabul edilir. ⓘ

1960'ların başında MOS entegre devre çiplerinin geliştirilmesinin ardından, MOS çipleri 1964 yılına kadar bipolar entegre devrelerden daha yüksek transistör yoğunluğuna ve daha düşük üretim maliyetlerine ulaştı. MOS çipler Moore yasasının öngördüğü oranda karmaşıklık bakımından daha da artarak 1960'ların sonlarında tek bir MOS çip üzerinde yüzlerce transistör içeren büyük ölçekli entegrasyona (LSI) yol açtı. MOS LSI çiplerinin bilgisayarlara uygulanması ilk mikroişlemcilerin temelini oluşturdu, çünkü mühendisler tam bir bilgisayar işlemcisinin birkaç MOS LSI çipinde bulunabileceğini fark etmeye başladılar. 1960'ların sonlarında tasarımcılar, bir bilgisayarın merkezi işlem birimi (CPU) işlevlerini mikroişlemci birimi (MPU) yonga setleri olarak adlandırılan bir avuç MOS LSI yongasına entegre etmeye çalışıyorlardı. ⓘ

Ticari olarak üretilen ilk mikroişlemci, 1971 yılında tek bir MOS LSI yongası olarak piyasaya sürülen Intel 4004 idi. Tek çipli mikroişlemci, MOS silikon kapı teknolojisinin (SGT) geliştirilmesiyle mümkün olmuştur. İlk MOS transistörler alüminyum metal kapılara sahipti ve İtalyan fizikçi Federico Faggin 1968'de Fairchild Semiconductor'da ilk silikon kapı MOS çipini geliştirmek için bunları silikon kendinden hizalı kapılarla değiştirdi. Faggin daha sonra Intel'e katıldı ve silikon kapılı MOS teknolojisini 1971 yılında Marcian Hoff, Stanley Mazor ve Masatoshi Shima ile birlikte 4004'ü geliştirmek için kullandı. 4004, Faggin'in Intel'deki ekibi yeni bir tek çipli tasarıma dönüştürmeden önce 1969'da daha önce çok çipli bir tasarım önermiş olan Busicom için tasarlandı. Intel 1971 yılında ilk ticari mikroişlemci olan 4-bit Intel 4004'ü tanıttı. Bunu 1972'de 8-bit mikroişlemci Intel 8008 takip etti. ⓘ

Terminaller, yazıcılar, çeşitli otomasyon türleri gibi 4-bit ve 8-bit mikroişlemcilerin diğer gömülü kullanımları da kısa süre sonra bunu takip etti. 16-bit adreslemeli uygun fiyatlı 8-bit mikroişlemciler de 1970'lerin ortalarından itibaren ilk genel amaçlı mikrobilgisayarlara yol açtı. ⓘ

"Mikroişlemci" teriminin ilk kullanımı, 1968'de duyurulan System 21 küçük bilgisayar sisteminde kullanılan özel entegre devreyi tanımlayan Viatron Computer Systems'a atfedilir. ⓘ

1970'lerin başından bu yana, mikroişlemcilerin kapasitesindeki artış Moore yasasını takip etmiştir; bu yasa başlangıçta bir çip üzerine yerleştirilebilecek bileşen sayısının her yıl iki katına çıktığını öne sürmekteydi. Günümüz teknolojisiyle bu süre aslında her iki yılda birdir ve sonuç olarak Moore daha sonra bu süreyi iki yıl olarak değiştirmiştir. ⓘ

İlk projeler

Bu projeler hemen hemen aynı zamanda bir mikroişlemci sunmuştur: Garrett AiResearch'ün Merkezi Hava Veri Bilgisayarı (CADC) (1970), Texas Instruments'ın TMS 1802NC'si (Eylül 1971) ve Intel'in 4004'ü (Kasım 1971, daha önceki bir 1969 Busicom tasarımına dayanmaktadır). Muhtemelen, Four-Phase Systems AL1 mikroişlemcisi de 1969 yılında teslim edilmiştir. ⓘ

Dört Fazlı Sistemler AL1 (1969)

Four-Phase Systems AL1, sekiz kayıt ve bir ALU içeren 8 bitlik bir bit dilim yongasıydı. Lee Boysel tarafından 1969 yılında tasarlanmıştır. O zamanlar, üç AL1'li dokuz çipli, 24 bit CPU'nun bir parçasını oluşturuyordu. Daha sonra, 1990'larda Texas Instruments tarafından açılan davaya yanıt olarak Boysel, tek bir AL1'in RAM, ROM ve bir giriş-çıkış cihazı ile birlikte bir mahkeme salonu gösteri bilgisayar sisteminin bir parçasını oluşturduğu bir gösteri sistemi kurduğunda mikroişlemci olarak adlandırıldı. ⓘ

Garrett AiResearch CADC (1970)

1968'de Garrett AiResearch (tasarımcılar Ray Holt ve Steve Geller'ı istihdam eden), ABD Donanması'nın yeni F-14 Tomcat avcı uçağındaki ana uçuş kontrol bilgisayarı için geliştirilmekte olan elektromekanik sistemlerle rekabet edecek bir dijital bilgisayar üretmeye davet edildi. Tasarım 1970 yılında tamamlandı ve çekirdek CPU olarak MOS tabanlı bir yonga seti kullanıldı. Tasarım, rekabet ettiği mekanik sistemlerden önemli ölçüde (yaklaşık 20 kat) daha küçük ve çok daha güvenilirdi ve ilk Tomcat modellerinin tümünde kullanıldı. Bu sistem "20-bit, boru hatlı, paralel çoklu mikroişlemci" içeriyordu. Donanma 1997 yılına kadar tasarımın yayınlanmasına izin vermemiştir. 1998 yılında yayınlanan CADC ve MP944 yonga setine ilişkin belgeler iyi bilinmektedir. Ray Holt'un bu tasarım ve geliştirmeye ilişkin otobiyografik öyküsü kitapta yer almaktadır: The Accidental Engineer (Kazara Mühendis).

Ray Holt 1968 yılında California Polytechnic Üniversitesi'nden mezun oldu ve bilgisayar tasarım kariyerine CADC ile başladı. Başlangıcından itibaren, 1998 yılında Holt'un talebi üzerine ABD Donanması belgelerin kamuya açılmasına izin verene kadar gizlilik içinde yürütülmüştür. Holt, hiç kimsenin bu mikroişlemciyi daha sonra gelenlerle karşılaştırmadığını iddia etmiştir. Parab ve diğerlerine göre (2007),

1971'de yayınlanan bilimsel makaleler ve literatür, ABD Donanması'nın F-14 Tomcat uçağı için kullanılan MP944 dijital işlemcinin ilk mikroişlemci olarak nitelendirildiğini ortaya koymaktadır. İlginç olmasına rağmen, Intel 4004 gibi tek çipli bir işlemci değildi - her ikisi de daha çok genel amaçlı bir form oluşturmak için kullanabileceğiniz bir dizi paralel yapı taşına benziyordu. Intel 4004 gibi bir CPU, RAM, ROM ve diğer iki destek yongası içerir. Aynı P-kanal teknolojisinden üretilmişti, askeri özelliklerde çalışıyordu ve daha büyük çiplere sahipti - herhangi bir standarda göre mükemmel bir bilgisayar mühendisliği tasarımı. Tasarımı Intel'e göre büyük bir ilerlemeye işaret ediyordu ve iki yıl önce yapılmıştı. Intel 4004 duyurulduğunda gerçekten çalışıyordu ve F-14'te uçuyordu. Bu da günümüz endüstrisinin DSP-mikrodenetleyici mimarilerini birleştirme temasının 1971 yılında başladığını göstermektedir.

DSP ve mikrodenetleyici mimarilerinin bu yakınsaması dijital sinyal denetleyicisi olarak bilinir. ⓘ

Pico/Genel Enstrüman

PICO1/GI250 çipi 1971 yılında tanıtıldı: Pico Electronics (Glenrothes, İskoçya) tarafından tasarlanmış ve General Instrument of Hicksville NY tarafından üretilmiştir. ⓘ

1971 yılında Pico Electronics ve General Instrument (GI), Monroe/Litton Royal Digital III hesap makinesi için eksiksiz bir tek çipli hesap makinesi IC'si olan IC'lerdeki ilk işbirliklerini tanıttı. Bu çip aynı zamanda ROM, RAM ve çip üzerinde bir RISC komut setine sahip ilk mikroişlemci veya mikrodenetleyicilerden biri olma iddiasında da bulunabilir. PMOS sürecinin dört katmanının yerleşimi mylar film üzerine x500 ölçeğinde elle çizilmişti ki bu, çipin karmaşıklığı göz önüne alındığında o zaman için önemli bir görevdi. ⓘ

Pico, vizyonları tek çipli hesap makinesi IC'leri yaratmak olan beş GI tasarım mühendisi tarafından kuruldu. Daha önce hem GI hem de Marconi-Elliott ile birden fazla hesap makinesi yonga seti üzerinde önemli tasarım deneyimine sahiptiler. Ekibin kilit üyeleri başlangıçta Elliott Automation tarafından MOS'ta 8 bitlik bir bilgisayar yaratmakla görevlendirilmiş ve 1967'de Glenrothes, İskoçya'da bir MOS Araştırma Laboratuvarı kurulmasına yardımcı olmuşlardı. ⓘ

Hesap makineleri yarı iletkenler için en büyük tek pazar haline geliyordu, bu nedenle Pico ve GI bu gelişen pazarda önemli başarılar elde etmeye devam etti. GI, CP1600, IOB1680 ve PIC1650 gibi ürünlerle mikroişlemciler ve mikrodenetleyiciler alanında yenilikler yapmaya devam etti. 1987'de GI Microelectronics işi Microchip PIC mikrodenetleyici işine dönüştürüldü. ⓘ

Intel 4004 (1971)

Kapağı çıkarılmış 4004 (solda) ve gerçekte kullanıldığı haliyle (sağda) ⓘ

Intel 4004 genellikle 60 ABD Doları (2021'de 400 ABD Dolarına eşdeğer) fiyatıyla tek bir çip üzerine inşa edilen ilk gerçek mikroişlemci olarak kabul edilir. 4004 için bilinen ilk reklam 15 Kasım 1971 tarihlidir ve Electronic News'de yayınlanmıştır. Mikroişlemci, İtalyan mühendis Federico Faggin, Amerikalı mühendisler Marcian Hoff ve Stanley Mazor ile Japon mühendis Masatoshi Shima'dan oluşan bir ekip tarafından tasarlanmıştır. ⓘ

4004'ü üreten proje 1969 yılında Japon hesap makinesi üreticisi Busicom'un Intel'den yüksek performanslı masaüstü hesap makineleri için bir yonga seti üretmesini istemesiyle başladı. Busicom'un orijinal tasarımı yedi farklı çipten oluşan programlanabilir bir çip seti gerektiriyordu. Çiplerden üçü, programı ROM'da ve verileri shift register okuma-yazma belleğinde saklanan özel amaçlı bir CPU oluşturacaktı. Projeyi değerlendirmekle görevlendirilen Intel mühendisi Ted Hoff, Busicom tasarımının, veriler için shift register bellek yerine dinamik RAM depolama alanı ve daha geleneksel bir genel amaçlı CPU mimarisi kullanılarak basitleştirilebileceğine inanıyordu. Hoff dört çipli bir mimari önerisi getirdi: programları saklamak için bir ROM çipi, verileri saklamak için dinamik bir RAM çipi, basit bir I/O cihazı ve 4 bitlik bir merkezi işlem birimi (CPU). Bir çip tasarımcısı olmamasına rağmen, CPU'nun tek bir çipe entegre edilebileceğini düşündü, ancak teknik bilgi birikiminden yoksun olduğu için bu fikir şimdilik sadece bir dilek olarak kaldı. ⓘ

Intel'in ilk mikroişlemcisi, 4004 ⓘ

MCS-4'ün mimarisi ve teknik özellikleri Hoff'un kendisine bağlı bir yazılım mühendisi olan Stanley Mazor ve Busicom mühendisi Masatoshi Shima ile etkileşimi sonucu ortaya çıkarken, 1969 yılında Mazor ve Hoff başka projelere geçti. Nisan 1970'te Intel, İtalyan mühendis Federico Faggin'i proje lideri olarak işe aldı ve bu hamle tek çipli CPU'nun nihai tasarımını gerçeğe dönüştürdü (Shima bu arada Busicom hesap makinesi yazılımını tasarladı ve uygulamanın ilk altı ayında Faggin'e yardımcı oldu). İlk olarak 1968 yılında Fairchild Semiconductor'da silikon kapı teknolojisini (SGT) geliştiren ve SGT kullanan dünyanın ilk ticari entegre devresi olan Fairchild 3708'i tasarlayan Faggin, projeyi ilk ticari genel amaçlı mikroişlemciye dönüştürecek doğru geçmişe sahipti. SGT kendi buluşu olduğu için, Faggin bunu aynı zamanda uygun hız, güç dağılımı ve maliyetle tek çipli bir CPU'nun uygulanmasını mümkün kılan rastgele mantık tasarımı için yeni metodolojisini oluşturmak için de kullandı. MCS-4'ün geliştirildiği dönemde Intel'in MOS Tasarım Departmanının yöneticisi Leslie L. Vadász'dı, ancak Vadász'ın dikkati tamamen yarı iletken belleklerin ana akım işine odaklanmıştı, bu nedenle MCS-4 projesinin liderliğini ve yönetimini Faggin'e bıraktı ve sonuçta 4004 projesinin gerçekleştirilmesine öncülük etmekten sorumlu oldu. 4004'ün üretim birimleri ilk olarak Mart 1971'de Busicom'a teslim edildi ve 1971'in sonlarında diğer müşterilere gönderildi. ⓘ

Texas Instruments TMX 1795 (1970-1971)

Intel (8008'i geliştiren) ile birlikte Texas Instruments, 1970-1971 yıllarında Datapoint 2200 terminali için TMX 1795 (daha sonra TMC 1795) adlı tek çipli bir CPU geliştirdi. 8008 gibi bu da Datapoint müşterisi tarafından reddedildi. Gary Boone'a göre TMX 1795 hiçbir zaman üretime geçmedi. Aynı spesifikasyona göre üretildiği için komut seti Intel 8008'e çok benziyordu. ⓘ

Texas Instruments TMS 1802NC (1971)

TMS1802NC, 17 Eylül 1971'de duyuruldu ve dört işlevli bir hesap makinesi uyguladı. TMS1802NC, ismine rağmen TMS 1000 serisinin bir parçası değildi; daha sonra TI Datamath hesap makinesinde kullanılan TMS 0100 serisinin bir parçası olarak yeniden tasarlandı. Çip üzerinde hesap makinesi olarak pazarlanmasına rağmen, TMS1802NC tamamen programlanabilirdi; çip üzerinde 11 bit komut sözcüğüne sahip bir CPU, 3520 bit (320 talimat) ROM ve 182 bit RAM bulunuyordu. ⓘ

Gilbert Hyatt

Gilbert Hyatt, hem TI hem de Intel'den önceki bir buluşu iddia eden ve bir "mikro denetleyiciyi" tanımlayan bir patentle ödüllendirildi. Patent daha sonra geçersiz kılındı, ancak önemli miktarda telif ücreti ödenmeden önce değil. ⓘ

8-bit tasarımlar

Intel 4004'ü 1972 yılında dünyanın ilk 8-bit mikroişlemcisi olan Intel 8008 takip etti. Ancak 8008, 4004 tasarımının bir uzantısı değil, Intel'in San Antonio TX'deki Computer Terminals Corporation ile tasarlamakta oldukları Datapoint 2200 adlı terminal için bir çip için yaptığı sözleşmeden doğan ayrı bir tasarım projesinin sonucuydu - tasarımın temel yönleri Intel'den değil CTC'den geliyordu. 1968 yılında CTC'den Vic Poor ve Harry Pyle, işlemcinin komut seti ve çalışması için orijinal tasarımı geliştirdi. 1969 yılında CTC, CTC 1201 olarak bilinen tek çipli bir uygulama yapmak üzere Intel ve Texas Instruments adlı iki şirketle anlaştı. 1970'in sonlarında ya da 1971'in başlarında TI güvenilir bir parça üretemediği için işi bıraktı. Intel'in henüz parçayı teslim etmediği 1970 yılında CTC, Datapoint 2200'de geleneksel TTL mantığını kullanarak kendi uygulamasını kullanmayı tercih etti (bu nedenle "8008 kodunu" çalıştıran ilk makine aslında bir mikroişlemci değildi ve bir yıl önce teslim edildi). Intel'in 1201 mikroişlemci versiyonu 1971'in sonlarında geldi, ancak çok geç, yavaştı ve bir dizi ek destek yongası gerektiriyordu. CTC bunu kullanmakla ilgilenmedi. CTC başlangıçta çip için Intel ile sözleşme yapmıştı ve tasarım çalışmaları için onlara 50.000 ABD Doları (2021'de 334.552 ABD Dolarına eşdeğer) borçlu olacaktı. CTC, istemediği (ve kullanamayacağı) bir çip için ödeme yapmaktan kaçınmak için Intel'i sözleşmeden çıkardı ve tasarımın serbestçe kullanılmasına izin verdi. Intel bunu Nisan 1972'de 8008 olarak dünyanın ilk 8-bit mikroişlemcisi olarak pazarladı. Bu işlemci 1974 yılında Radio-Electronics dergisinde reklamı yapılan ünlü "Mark-8" bilgisayar kitinin temelini oluşturdu. Bu işlemcinin 8 bitlik bir veri yolu ve 14 bitlik bir adres yolu vardı. ⓘ

8008, 8008'e göre daha iyi performans sunan ve daha az destek yongası gerektiren başarılı Intel 8080'in (1974) öncüsüydü. Federico Faggin, yüksek voltajlı N kanallı MOS kullanarak tasarladı. Zilog Z80 (1976) de bir Faggin tasarımıydı, tükenme yükü ve türev Intel 8 bit işlemcilerle düşük voltajlı N kanalı kullanıyordu: hepsi Faggin'in 4004 için oluşturduğu metodoloji ile tasarlandı. Motorola Ağustos 1974'te rakip 6800'ü piyasaya sürdü ve benzer MOS Technology 6502 1975'te piyasaya sürüldü (her ikisi de büyük ölçüde aynı kişiler tarafından tasarlandı). 6502 ailesi 1980'lerde popülerlik açısından Z80'e rakip oldu. ⓘ

Düşük toplam maliyet, az paketleme, basit bilgisayar veri yolu gereksinimleri ve bazen ekstra devre entegrasyonu (örneğin Z80'in yerleşik bellek yenileme devresi) ev bilgisayarı "devriminin" 1980'lerin başında keskin bir şekilde hızlanmasını sağladı. Bu sayede 99 ABD dolarına (2021'de 295,08 dolara denk geliyor) satılan Sinclair ZX81 gibi ucuz makineler ortaya çıktı. 6502'nin bir varyasyonu olan MOS Technology 6510, Commodore 64'te kullanıldı ve bir başka varyant olan 8502, Commodore 128'e güç verdi. ⓘ

Western Design Center, Inc (WDC) 1982 yılında CMOS WDC 65C02'yi tanıttı ve tasarımı birkaç firmaya lisansladı. Apple IIe ve IIc kişisel bilgisayarlarının yanı sıra tıbbi implante edilebilir kalp pilleri ve defibrilatörler, otomotiv, endüstriyel ve tüketici cihazlarında CPU olarak kullanılmıştır. WDC, mikroişlemci tasarımlarının lisanslanmasına öncülük etmiş, daha sonra bunu 1990'larda ARM (32-bit) ve diğer mikroişlemci fikri mülkiyet (IP) sağlayıcıları izlemiştir. ⓘ

Motorola 1978 yılında MC6809'u tanıttı. Bu, 6800 ile kaynak uyumlu olan ve tamamen kablolu mantık kullanılarak uygulanan iddialı ve iyi düşünülmüş bir 8-bit tasarımdı (CISC tasarım gereksinimleri saf kablolu mantık için çok karmaşık hale geldiğinden, sonraki 16-bit mikroişlemciler tipik olarak bir dereceye kadar mikro kod kullandı). ⓘ

Bir diğer erken 8-bit mikroişlemci, yenilikçi ve güçlü komut seti mimarisi nedeniyle kısa bir süre ilgi gören Signetics 2650 idi. ⓘ

Uzay uçuşları dünyasında çığır açan bir mikroişlemci, Jüpiter'e giden Galileo sondasında (1989'da fırlatıldı, 1995'te ulaştı) kullanılan RCA'nın RCA 1802 (diğer adıyla CDP1802, RCA COSMAC) (1976'da tanıtıldı) idi. RCA COSMAC, CMOS teknolojisini ilk uygulayan cihazdır. CDP1802 çok düşük güçte çalışabildiği ve kozmik radyasyon ve elektrostatik deşarja karşı dönemin diğer işlemcilerinden çok daha iyi koruma sağlayan özel bir üretim süreci olan safir üzerine silikon (SOS) kullanılarak üretilen bir varyantı mevcut olduğu için kullanıldı. Bu nedenle, 1802'nin SOS versiyonunun radyasyona karşı dayanıklı ilk mikroişlemci olduğu söyleniyordu. ⓘ

RCA 1802 statik bir tasarıma sahipti, yani saat frekansı keyfi olarak düşürülebiliyor, hatta durdurulabiliyordu. Bu sayede Galileo uzay aracı uzun ve olaysız yolculuklar boyunca minimum elektrik gücü kullanabiliyordu. Zamanlayıcılar ya da sensörler, navigasyon güncellemeleri, tutum kontrolü, veri toplama ve radyo iletişimi gibi önemli görevler için işlemciyi zamanında uyandıracaktı. Western Design Center 65C02 ve 65C816'nın mevcut versiyonları da statik çekirdeklere sahiptir ve böylece saat tamamen durdurulduğunda bile verileri korur. ⓘ

12 bit tasarımlar

Intersil 6100 ailesi 12 bitlik bir mikroişlemci (6100) ve bir dizi çevresel destek ve bellek IC'lerinden oluşuyordu. Mikroişlemci DEC PDP-8 mini bilgisayar komut setini tanıyordu. Bu nedenle bazen CMOS-PDP8 olarak anılmıştır. Harris Corporation tarafından da üretildiği için Harris HM-6100 olarak da biliniyordu. CMOS teknolojisi ve buna bağlı avantajları sayesinde 6100, 1980'lerin başına kadar bazı askeri tasarımlara dahil edilmiştir. ⓘ

16-bit tasarımlar

İlk çok çipli 16-bit mikroişlemci, 1973'ün başlarında tanıtılan National Semiconductor IMP-16 idi. Yonga setinin 8 bitlik bir versiyonu 1974 yılında IMP-8 olarak tanıtıldı. ⓘ

Diğer erken dönem çok çipli 16-bit mikroişlemciler arasında Digital Equipment Corporation'ın (DEC) LSI-11 OEM kart setinde ve paketlenmiş PDP-11/03 mini bilgisayarında kullandığı MCP-1600 ve her ikisi de 1975-76 yıllarında tanıtılan Fairchild Semiconductor MicroFlame 9440 bulunmaktadır. 1975 yılında National, ilk 16-bit tek çipli mikroişlemci olan National Semiconductor PACE'i tanıttı ve bunu daha sonra bir NMOS versiyonu olan INS8900 izledi. ⓘ

Bir başka erken tek çipli 16-bit mikroişlemci de TI'ın TI-990 mini bilgisayar serisiyle de uyumlu olan TMS 9900'dü. 9900, TI 990/4 mini bilgisayarda, Texas Instruments TI-99/4A ev bilgisayarında ve TM990 OEM mikrobilgisayar kartları serisinde kullanıldı. Intel 8080 gibi 8-bit mikroişlemcilerin çoğu daha yaygın, daha küçük ve daha ucuz plastik 40-pin DIP kullanırken, çip büyük bir seramik 64-pin DIP paketinde paketlenmiştir. Bir sonraki yonga olan TMS 9980, Intel 8080 ile rekabet etmek üzere tasarlanmıştı, TI 990 16 bit komut setinin tamamına sahipti, plastik 40 pimli bir paket kullanıyordu, verileri bir seferde 8 bit taşıyordu, ancak yalnızca 16 KB adresleyebiliyordu. Üçüncü bir çip olan TMS 9995 yeni bir tasarımdı. Aile daha sonra 99105 ve 99110'u içerecek şekilde genişledi. ⓘ

Western Design Center (WDC) 1984 yılında WDC CMOS 65C02'nin CMOS 65816 16-bit yükseltmesini tanıttı. 65816 16-bit mikroişlemci Apple IIGS'nin ve daha sonra Super Nintendo Entertainment System'in çekirdeğini oluşturdu ve tüm zamanların en popüler 16-bit tasarımlarından biri haline geldi. ⓘ

Intel, 8080 tasarımını, modern PC tipi bilgisayarların çoğuna güç veren x86 ailesinin ilk üyesi olan 16 bit Intel 8086'ya "yükseltti". Intel, 8086'yı 8080 serisinden yazılım taşımanın uygun maliyetli bir yolu olarak tanıttı ve bu öncülle çok fazla iş kazanmayı başardı. 8086'nın 8-bit harici veri yolu kullanan bir versiyonu olan 8088, ilk IBM PC'deki mikroişlemciydi. Intel daha sonra 80186 ve 80188'i, 80286'yı ve 1985'te 32-bit 80386'yı piyasaya sürerek işlemci ailesinin geriye dönük uyumluluğuyla PC pazarındaki hakimiyetini pekiştirdi. 80186 ve 80188 aslında 8086 ve 8088'in bazı yerleşik çevre birimleri ve birkaç yeni talimatla geliştirilmiş versiyonlarıydı. Intel'in 80186 ve 80188'i IBM PC tipi tasarımlarda kullanılmamış olsa da, NEC'in ikinci kaynak sürümleri olan V20 ve V30 sıklıkla kullanıldı. 8086 ve ardılları yenilikçi ancak sınırlı bir bellek bölümleme yöntemine sahipken, 80286 tam özellikli bir bölümlenmiş bellek yönetim birimi (MMU) sunmuştur. 80386, sayfalı bellek yönetimi ile düz bir 32 bit bellek modeli sunmuştur. ⓘ

80386'ya kadar olan ve 80386'yı da içeren 16 bit Intel x86 işlemciler kayan nokta birimleri (FPU'lar) içermez. Intel 8087, 80187, 80287 ve 80387 matematik yardımcı işlemcilerini 8086'dan 80386'ya kadar olan CPU'lara donanım kayan nokta ve transandantal fonksiyon yetenekleri eklemek için tanıttı. 8087, 8086/8088 ve 80186/80188 ile çalışır, 80187 80186 ile çalışır ancak 80188 ile çalışmaz, 80287 80286 ile çalışır ve 80387 80386 ile çalışır. Bir x86 CPU ve bir x87 yardımcı işlemcinin kombinasyonu tek bir çok çipli mikroişlemci oluşturur; iki çip tek bir entegre komut seti kullanılarak bir birim olarak programlanır. 8087 ve 80187 yardımcı işlemcileri, ana işlemcilerinin veri ve adres veri yollarına paralel olarak bağlanır ve kendilerine yönelik talimatları doğrudan yürütür. 80287 ve 80387 yardımcı işlemcileri, CPU'nun adres alanındaki G/Ç portları aracılığıyla CPU'ya bağlanır; bu, bu G/Ç portları hakkında bilgi sahibi olması veya bunlara doğrudan erişmesi gerekmeyen program için şeffaftır; program, normal komut işlem kodları aracılığıyla yardımcı işlemciye ve kayıtlarına erişir. ⓘ

Gömülü mikroişlemci bellek yönetim birimi (the integrated microprocessor memory management unit) (MMU), Intel’de Childs et al. tarafından ortaya atıldı ve 4,442,484 numaralı Birleşik Devletler patenti alındı. ⓘ

32 bit tasarımlar

Intel 80486DX2 kalıbı üzerindeki üst ara bağlantı katmanları ⓘ

32-bit uygulamalar ortaya çıkmaya başladığında 16-bit tasarımlar sadece kısa bir süre piyasada kalmıştı. ⓘ

32-bit tasarımların en önemlisi 1979 yılında tanıtılan Motorola MC68000'dir. Yaygın olarak bilinen adıyla 68k, programlama modelinde 32 bit yazmaçlara sahipti ancak 16 bit dahili veri yolları, üç adet 16 bit Aritmetik Mantık Birimi ve 16 bit harici veri yolu (pin sayısını azaltmak için) kullanıyordu ve harici olarak yalnızca 24 bit adresleri destekliyordu (dahili olarak tam 32 bit adreslerle çalışıyordu). PC tabanlı IBM uyumlu anabilgisayarlarda MC68000 dahili mikro kodu 32 bit Sistem/370 IBM anabilgisayarını taklit edecek şekilde değiştirilmiştir. Motorola bunu genellikle 16 bitlik bir işlemci olarak tanımlamıştır. Yüksek performans, geniş (16 megabayt veya 2²⁴ bayt) bellek alanı ve oldukça düşük maliyet kombinasyonu, onu sınıfının en popüler CPU tasarımı haline getirdi. Apple Lisa ve Macintosh tasarımları, 1980'lerin ortalarında Atari ST ve Commodore Amiga da dahil olmak üzere bir dizi başka tasarımda olduğu gibi 68000'den yararlandı. ⓘ

32-bit veri yolları, 32-bit veri yolları ve 32-bit adresleri ile dünyanın ilk tek çipli tam 32-bit mikroişlemcisi AT&T Bell Labs BELLMAC-32A'dır ve ilk örnekleri 1980'de, genel üretimi ise 1982'de yapılmıştır. AT&T'nin 1984 yılında elden çıkarılmasından sonra WE 32000 (Western Electric'in WE'si) olarak yeniden adlandırıldı ve WE 32100 ve WE 32200 olmak üzere iki devam nesli oldu. Bu mikroişlemciler AT&T 3B5 ve 3B15 mini bilgisayarlarında; dünyanın ilk masaüstü süper mikrobilgisayarı olan 3B2'de; dünyanın ilk 32-bit dizüstü bilgisayarı olan "Companion "da; ve günümüz oyun konsollarına benzer ROM-pack bellek kartuşlarına sahip dünyanın ilk kitap boyutundaki süper mikrobilgisayarı olan "Alexander "da kullanılmıştır. Tüm bu sistemler UNIX System V işletim sistemini çalıştırıyordu. ⓘ

Piyasada bulunan ilk ticari, tek çipli, tamamen 32-bit mikroişlemci HP FOCUS idi. ⓘ

Intel'in ilk 32-bit mikroişlemcisi 1981'de tanıtılan iAPX 432 idi, ancak ticari bir başarı elde edemedi. Gelişmiş yetenek tabanlı nesne yönelimli bir mimariye sahipti, ancak tipik kıyaslama testlerinde neredeyse dört kat daha hızlı olan Intel'in kendi 80286'sı (1982'de tanıtıldı) gibi çağdaş mimarilere kıyasla performansı düşüktü. Bununla birlikte, iAPX432 için elde edilen sonuçlar kısmen aceleye getirilmiş ve bu nedenle yetersiz Ada derleyicisinden kaynaklanıyordu. ⓘ

Motorola'nın 68000 ile elde ettiği başarı, sanal bellek desteği ekleyen MC68010'a yol açtı. 1984'te tanıtılan MC68020, tam 32 bit veri ve adres veri yollarını ekledi. 68020, Unix süpermikrobilgisayar pazarında oldukça popüler oldu ve birçok küçük şirket (örneğin, Altos, Charles River Data Systems, Cromemco) masaüstü boyutlu sistemler üretti. Daha sonra, MMU'yu çipe entegre ederek önceki tasarımı geliştiren MC68030 tanıtıldı. Devam eden başarı, daha iyi matematik performansı için bir FPU içeren MC68040'a yol açtı. 68050 performans hedeflerine ulaşamadı ve piyasaya sürülmedi ve takip eden MC68060 çok daha hızlı RISC tasarımları tarafından doyurulmuş bir pazarda piyasaya sürüldü. 68k ailesi 1990'ların başında kullanımdan kalktı. ⓘ

Diğer büyük şirketler 68020 ve devamını gömülü ekipman olarak tasarladı. Bir noktada, gömülü ekipmanlarda PC'lerdeki Intel Pentium'lardan daha fazla 68020 vardı. ColdFire işlemci çekirdekleri 68020'nin türevleridir. ⓘ

Bu süre zarfında (1980'lerin başından ortalarına kadar) National Semiconductor, NS 16032 (daha sonra 32016 olarak yeniden adlandırıldı) olarak adlandırılan çok benzer bir 16 bit pin çıkışı, 32 bit dahili mikroişlemci tanıttı, tam 32 bit sürümü NS 32032 olarak adlandırıldı. Daha sonra National Semiconductor, iki CPU'nun yerleşik tahkim ile aynı bellek veri yolu üzerinde bulunmasına izin veren NS 32132'yi üretti. NS32016/32, MC68000/10'dan daha iyi performans gösterdi, ancak MC68020 ile yaklaşık aynı zamanda gelen NS32332 yeterli performansa sahip değildi. Üçüncü nesil çip NS32532 farklıydı. Aynı dönemde piyasaya sürülen MC68030'un yaklaşık iki katı performansa sahipti. AM29000 ve MC88000 (artık ikisi de ölü) gibi RISC işlemcilerin ortaya çıkması, son çekirdek olan NS32764'ün mimarisini etkiledi. Teknik olarak gelişmiş -süperskalar RISC çekirdeği, 64 bit veri yolu ve dahili olarak hız aşırtma özelliğiyle- gerçek zamanlı çeviri yoluyla Seri 32000 talimatlarını yürütebiliyordu. ⓘ

National Semiconductor Unix pazarından ayrılmaya karar verdiğinde, çip bir dizi çip üstü çevre birimiyle birlikte Swordfish Embedded işlemci olarak yeniden tasarlandı. Çipin lazer yazıcı pazarı için çok pahalı olduğu ortaya çıktı ve iptal edildi. Tasarım ekibi Intel'e gitti ve orada dahili olarak NS32764 çekirdeğine çok benzeyen Pentium işlemciyi tasarladı. Seri 32000'in en büyük başarısı, mikro kodlanmış BitBlt talimatlarına sahip NS32CG16'nın çok iyi fiyat/performansa sahip olduğu ve Canon gibi büyük şirketler tarafından benimsendiği lazer yazıcı pazarındaydı. 1980'lerin ortalarında Sequent, NS 32032'yi kullanarak ilk SMP sunucu sınıfı bilgisayarı tanıttı. Bu, tasarımın birkaç başarısından biriydi ve 1980'lerin sonunda ortadan kayboldu. MIPS R2000 (1984) ve R3000 (1989) oldukça başarılı 32-bit RISC mikroişlemcilerdi. Diğerlerinin yanı sıra SGI tarafından üst düzey iş istasyonlarında ve sunucularda kullanıldılar. Diğer tasarımlar arasında Zilog Z80000 de vardı, ancak piyasaya çok geç çıktı ve hızla ortadan kayboldu. ⓘ

ARM ilk olarak 1985 yılında ortaya çıktı. Bu bir RISC işlemci tasarımıdır ve büyük ölçüde güç verimliliği, lisanslama modeli ve geniş sistem geliştirme araçları yelpazesi nedeniyle 32 bit gömülü sistem işlemci alanına hakim olmuştur. Yarı iletken üreticileri genellikle çekirdekleri lisanslamakta ve bunları çipli ürünler üzerinde kendi sistemlerine entegre etmektedir; Apple gibi sadece birkaç satıcı ARM çekirdeklerini değiştirme ya da kendi çekirdeklerini yaratma lisansına sahiptir. Çoğu cep telefonu, çok çeşitli diğer ürünler gibi bir ARM işlemci içerir. Sanal bellek desteği olmayan mikro denetleyici odaklı ARM çekirdeklerinin yanı sıra sanal belleğe sahip simetrik çok işlemcili (SMP) uygulama işlemcileri de vardır. ⓘ

1993'ten 2003'e kadar 32-bit x86 mimarileri masaüstü, dizüstü ve sunucu pazarlarında giderek daha baskın hale geldi ve bu mikroişlemciler daha hızlı ve daha yetenekli hale geldi. Intel mimarinin ilk versiyonlarını diğer şirketlere lisanslamış, ancak Pentium'u lisanslamayı reddetmiştir, bu nedenle AMD ve Cyrix mimarinin daha sonraki versiyonlarını kendi tasarımlarına dayanarak oluşturmuştur. Bu süre zarfında, bu işlemcilerin karmaşıklığı (transistör sayısı) ve kapasitesi (talimat/saniye) en az üç kat artmıştır. Intel'in Pentium serisi muhtemelen en ünlü ve tanınmış 32-bit işlemci modelidir, en azından geniş halk kitleleri tarafından. ⓘ

Bir Intel 80486DX2 die deki yukarı iç bağlantılar ⓘ

MIPS R2000 (1984) ve R3000 (1989) çok başarılı 32-bit RISC mikroişlemcilerdi. Uç sınıf (High-End) iş platformlarında ve serverlarda kullanıldı. ⓘ

Diğer tasarımlardan biri, piyasaya çok geç giren ve çabuk çekilen ilginç Zilog Z8000’di. ⓘ

1980’lerin sonlarındaki “mikroişlemci savaşları” bazı mikroişlemcileri öldürdü. Örneğin, sadece bir ana tasarım kazancıyla, Sequent’in NS 32032’si yok oldu ve Sequent, Intel mikroişlemcileri kullanmaya başladı. ⓘ

Kişisel bilgisayarlarda 64-bit tasarımlar

64-bit mikroişlemci tasarımları 1990'ların başından beri (1996'da Nintendo 64 oyun konsolu dahil) çeşitli pazarlarda kullanılırken, 2000'lerin başında PC pazarını hedefleyen 64-bit mikroişlemcilerin piyasaya sürülmesine tanık olunmuştur. ⓘ

AMD'nin Eylül 2003'te x86 ile geriye dönük uyumlu bir 64-bit mimarisi olan x86-64'ü (AMD64 olarak da adlandırılır) piyasaya sürmesi ve ardından Intel'in neredeyse tam uyumlu 64-bit uzantıları (önce IA-32e veya EM64T olarak adlandırıldı, daha sonra Intel 64 olarak yeniden adlandırıldı) ile 64-bit masaüstü dönemi başladı. Her iki sürüm de 32-bit eski uygulamaları herhangi bir performans kaybı olmadan çalıştırabildiği gibi yeni 64-bit yazılımları da çalıştırabilmektedir. Windows XP x64, Windows Vista x64, Windows 7 x64, Linux, BSD ve macOS işletim sistemleri doğal olarak 64 bit çalıştırdığından, yazılımlar da bu tür işlemcilerin yeteneklerinden tam olarak yararlanmaya yöneliktir. 64 bite geçiş, IA-32'ye göre kayıt boyutundaki bir artıştan daha fazlasıdır, çünkü genel amaçlı kayıtların sayısını da iki katına çıkarmaktadır. ⓘ

PowerPC'nin 64 bite geçişi, mimarinin 90'ların başındaki tasarımından bu yana amaçlanmıştı ve önemli bir uyumsuzluk nedeni değildi. Mevcut tamsayı kayıtları, ilgili tüm veri yolları gibi genişletildi, ancak IA-32'de olduğu gibi, hem kayan nokta hem de vektör birimleri birkaç yıldır 64 bit veya üzerinde çalışıyordu. IA-32'nin x86-64'e genişletilmesinde yaşananların aksine, 64 bit PowerPC'ye yeni genel amaçlı kayıtlar eklenmemiştir, bu nedenle daha büyük adres alanını kullanmayan uygulamalar için 64 bit modu kullanıldığında kazanılan performans minimumdur. ⓘ

ARM 2011 yılında yeni 64-bit ARM mimarisini tanıtmıştır. ⓘ

RISC

1980'lerin ortasından 1990'ların başına kadar, IBM 801 ve diğerleri gibi ayrık RISC benzeri CPU tasarımlarından etkilenen yeni yüksek performanslı azaltılmış komut seti bilgisayarı (RISC) mikroişlemcileri ortaya çıktı. RISC mikroişlemciler başlangıçta özel amaçlı makinelerde ve Unix iş istasyonlarında kullanıldı, ancak daha sonra diğer rollerde de geniş kabul gördü. ⓘ

İlk ticari RISC mikroişlemci tasarımı 1984 yılında MIPS Computer Systems tarafından 32-bit R2000 olarak piyasaya sürülmüştür (R1000 piyasaya sürülmemiştir). 1986'da HP, PA-RISC CPU'lu ilk sistemini piyasaya sürdü. 1987'de, Unix olmayan Acorn bilgisayarlarının 32-bit, daha sonra önbelleksiz, ARM2 tabanlı Acorn Archimedes, daha sonra Acorn RISC Machine (ARM) olarak bilinen ARM mimarisini kullanan ilk ticari başarı oldu; 1985'te ilk silikon ARM1. R3000 tasarımı gerçekten pratik hale getirdi ve R4000 dünyanın ilk ticari olarak mevcut 64-bit RISC mikroişlemcisini tanıttı. Rakip projeler IBM POWER ve Sun SPARC mimarileriyle sonuçlanacaktı. Kısa süre içinde AT&T CRISP, AMD 29000, Intel i860 ve Intel i960, Motorola 88000, DEC Alpha dahil olmak üzere her büyük satıcı bir RISC tasarımı piyasaya sürdü. ⓘ

1990'ların sonunda, gömülü olmayan uygulamalar için hala sadece iki 64-bit RISC mimarisi üretiliyordu: SPARC ve Power ISA, ancak ARM giderek daha güçlü hale geldikçe, 2010'ların başında genel bilgi işlem segmentindeki üçüncü RISC mimarisi haline geldi. ⓘ

SMP ve çok çekirdekli tasarım

ABIT BP6 anakart iki Intel Celeron 366Mhz işlemciyi destekliyor, resimde Zalman soğutucuları görülüyor. ⓘ

Abit BP6 çift soketli anakart Zalman Flower soğutucuları ile gösterilmiştir. ⓘ

SMP simetrik çoklu işlem, 1990'lardan bu yana genellikle sunucularda, belirli iş istasyonlarında ve masaüstü kişisel bilgisayarlarda kullanılan iki, dört veya daha fazla CPU'nun (çiftler halinde) bir yapılandırmasıdır. Çok çekirdekli işlemci, birden fazla mikroişlemci çekirdeği içeren tek bir CPU'dur. ⓘ

Abit'in bu popüler iki soketli anakartı 1999 yılında ilk SMP özellikli PC anakartı olarak piyasaya sürülmüştür, Intel Pentium Pro sistem kurucularına ve meraklılarına sunulan ilk ticari CPU'dur. Abit BP9 iki Intel Celeron CPU'yu destekler ve SMP özellikli bir işletim sistemi (Windows NT/2000/Linux) ile kullanıldığında birçok uygulama tek bir CPU'dan çok daha yüksek performans elde eder. İlk Celeron'lar kolayca hız aşırtılabilir ve hobiciler bu nispeten ucuz CPU'ları Intel'in spesifikasyonlarının çok ötesinde 533Mhz'e kadar hız aşırtarak kullandılar. Bu anakartların kapasitesini keşfettikten sonra Intel daha sonraki CPU'larda çarpana erişimi kaldırdı. ⓘ

2001 yılında IBM POWER4 CPU'yu piyasaya sürdü, bu işlemci 1996 yılında 250 araştırmacıdan oluşan bir ekiple başlayan beş yıllık bir araştırma sonucunda geliştirildi. İmkansızı başarma çabası, uzaktan işbirliğinin geliştirilmesi ve genç mühendislerin daha deneyimli mühendislerle çalışmak üzere görevlendirilmesiyle desteklendi. Ekipler yeni mikroişlemci Power4 ile başarıya ulaştı. İkisi bir arada bir işlemci olan Power4, rakiplerinin yarı fiyatına performansı iki katına çıkarmış ve bilgi işlem alanında büyük bir ilerleme sağlamıştır. İş dergisi eWeek şöyle yazdı: "Yeni tasarlanan 1GHz Power4, selefine göre muazzam bir sıçramayı temsil ediyor". Bir endüstri analisti, Giga Information Group'tan Brad Day şunları söyledi: "IBM çok agresifleşiyor ve bu sunucu oyunun kurallarını değiştiriyor". ⓘ

Power4, "2001'in En İyi İş İstasyonu/Sunucu İşlemcisi için Analistlerin Seçimi Ödülü "nü kazandı ve Jeopardy! ABD televizyon programında en iyi oyunculara karşı yarışmayı kazanmak da dahil olmak üzere önemli rekorlar kırdı. ⓘ

Intel'in kod adı Yonah CPU'ları 6 Ocak 2006'da piyasaya sürüldü ve çok çipli bir modül üzerinde paketlenmiş iki kalıpla üretildi. Oldukça çekişmeli bir pazarda AMD ve diğerleri çok çekirdekli CPU'ların yeni sürümlerini piyasaya sürdüler, AMD'nin SMP özellikli Athlon MP CPU'ları 2001'de AthlonXP serisinden, Sun sekiz çekirdekli Niagara ve Niagara 2'yi piyasaya sürdü, AMD'nin Athlon X2'si Haziran 2007'de piyasaya sürüldü. Şirketler hız için hiç bitmeyen bir yarışa girdiler, gerçekten de daha fazla talepkar yazılım daha fazla işlem gücü ve daha yüksek CPU hızları gerektiriyordu. ⓘ

2012 yılına gelindiğinde çift ve dört çekirdekli işlemciler PC'lerde ve dizüstü bilgisayarlarda yaygın olarak kullanılmaya başlandı; daha yüksek maliyetli profesyonel seviye Intel Xeon'lara benzer yeni işlemciler, talimatları paralel olarak yürüten ek çekirdeklere sahipti, böylece yazılımın gelişmiş donanımı kullanacak şekilde tasarlanması koşuluyla yazılım performansı genellikle artıyordu. İşletim sistemleri çoklu çekirdekler ve SMD CPU'lar için destek sağlamıştır, 3 boyutlu oyunlar gibi büyük iş yükü ve kaynak yoğun uygulamalar da dahil olmak üzere birçok yazılım uygulaması çoklu çekirdek ve çoklu CPU sistemlerinden faydalanmak üzere programlanmıştır. ⓘ

Apple, Intel ve AMD şu anda çok çekirdekli masaüstü ve iş istasyonu CPU'ları ile pazarda lider konumdadır. Her ne kadar performans katmanında liderlik için sık sık birbirleriyle yarışsalar da. Intel daha yüksek frekanslara ve dolayısıyla en hızlı tek çekirdek performansına sahipken, AMD daha gelişmiş bir ISA ve CPU'ların üzerinde üretildiği işlem düğümü nedeniyle genellikle çok iş parçacıklı rutinlerde liderdir. ⓘ

Çok çekirdekli/çok işlemcili konfigürasyonlar için çoklu işlem kavramları Amdahl yasası ile ilgilidir. ⓘ

Pazar istatistikleri

1997 yılında dünyada satılan tüm CPU'ların yaklaşık %55'i 8-bit mikro denetleyicilerdi ve bunların 2 milyardan fazlası satıldı. ⓘ

2002 yılında, dünyada satılan tüm CPU'ların %10'undan azı 32-bit ya da daha fazlaydı. Satılan tüm 32-bit CPU'ların yaklaşık %2'si masaüstü veya dizüstü kişisel bilgisayarlarda kullanılmaktadır. Mikroişlemcilerin çoğu ev aletleri, otomobiller ve bilgisayar çevre birimleri gibi gömülü kontrol uygulamalarında kullanılmaktadır. Bir bütün olarak ele alındığında, bir mikroişlemci, mikrodenetleyici veya DSP için ortalama fiyat 6 ABD Dolarının biraz üzerindedir (2021'de 9,04 ABD Dolarına eşdeğerdir). ⓘ

2003 yılında yaklaşık 44 milyar $ (2021'de yaklaşık 65 milyar $'a eşdeğer) değerinde mikroişlemci üretilmiş ve satılmıştır. Bu paranın yaklaşık yarısı masaüstü veya dizüstü kişisel bilgisayarlarda kullanılan CPU'lara harcanmış olsa da, bunlar satılan tüm CPU'ların yalnızca yaklaşık %2'sini oluşturmaktadır. Dizüstü mikroişlemcilerin kaliteye göre ayarlanmış fiyatı 2004-2010 yılları arasında yılda -%25 ila -%35 oranında artmış, 2010-2013 yılları arasında ise artış hızı yavaşlayarak yılda -%15 ila -%25'e düşmüştür. ⓘ

2008 yılında yaklaşık 10 milyar CPU üretilmiştir. Her yıl üretilen yeni CPU'ların çoğu gömülüdür. ⓘ

2003'te yaklaşık 44 milyar dolar değerinde mikroişlemci üretildi ve satıldı. Bu paranın yaklaşık yarısının masaüstü ve dizüstü kişisel bilgisayarlarda kullanılan ana işlem birimlerinde harcanmasına rağmen bunlar satılan bütün ana işlem birimlerinin sadece yaklaşık %0.2’siydi. ⓘ

Sınıflandırma

Günümüzde tasarlanan ve üretilen işlemciler PC’lerde, cep telefonlarında, gömülü sistem uygulamaları gibi hayatımızın pek çok alanında kullandığımız elektronik aletlerde kullanılmaktadır. Tarihsel işlemci tasarım sürecinde teknolojinin hızla gelişmesiyle bazı tasarımlar güncelliğini kaybetmiştir, bununla birlikte bazı tasarımların kullanımına ise günümüzde de devam edilmektedir. Bu kadar çeşitli alan için tasarlanan işlemciler elbette tek bir kriter göz önüne alınarak sınıflandırılamaz. İşlemci sınıflandırması birçok farklı duruma göre yapılabilir. Bunlar: paralelliğe, mimariye, belleklere, adresleme kiplerine göre yapılabilmekte. ⓘ

Paralelliğe göre sınıflandırma

Bu sınıflandırma paralel ve paralel olmayan şeklindedir. ⓘ

Paralel olmayan

Single-Cycle işlemciler

Adından da anlaşılabileceği gibi bu gruba dahil olan işlemcilerde komutlar eşit cycle sayısında işlenir. Örneğin türn komutların 1 ya da 2 saat çevriminde bitirilmesi gibi. İşlemcide kullanılacak saat hızı seçiminde en yavaş komut (critical path) dikkate alınarak seçim yapılmalıdır. ⓘ

Multi-Cycle işlemciler

Tasarımı single cycle tasarımına göre daha zordur. Tasarım yapılırken komutlar daha küçük kısımlara ayrılırlar. Bu küçük kısımlar daha hızlı bir saat çevrimi ile işlenir. Örneğin bir komut 5 küçük kısma ayrılıp 5 cycle da işlenirken başka bir komut 2 cycle da tamamlanabilir. Performans olarak kısa komutların çokça kullanıldığı bir programda single-cycle işlemcilerden hızlıdır. Tasarım yapılırken daha fazla componente ihtiyaç duyulur. ⓘ

Paralel

Pipeline (iş hattı) işlemciler

Çok tekrarlanan ve alt parçalara bölünen işlemlerde kullanılır. Genel yapısı yandaki resimde gösterildiği gibidir. ⓘ

Pipeline aritmetik iş hattı ve komut iş hattı( Instruction Pipeline) olmak üzere iki kısımdan oluşur. Merkezi işlem birimleri komutları işlenirken belli alt işlemleri tekrar ederler. En basit iş hattı iki segmanlı olarak kurulabilir. Verimi artırmak için komut işlemi daha küçük parçalara ayrılabilir. ⓘ

1. Komut al
2. Komut çöz
3. Efektif adres hesapla
4. Operand al
5. Komut yürüt
6. Sonucu yaz ⓘ

Superscalar işlemciler

Superscalar işlemciler, her saat sinyalinde birçok komutu okuyarak kendi komut sıralamasına koyar. Aynı anda aynı fonksiyonel üniteler birden fazla komut tarafından kullanılamayacağından superscalar işlemcilerde fonksiyonel üniteler birden fazladır. Bunun dışında komutların program sırası dışında (out of order execution) işlenmesine olanak sağlayan yapılar ile paralellik arttırılabilir. Bu işlem “reorder buffer” ya da genişletilmiş register file ile sağlanabilir. ⓘ

Adresleme kiplerine göre sınıflandırma

RISC mimarisi

RISC mimarisi, CISC mimarili işlemcilerin kötü yanlarını piyasanın tepkisi ve ona bir alternatif olarak, işlemci mimari tasarımlarında söz sahibi olan IBM, Apple ve Motorola gibi firmalarca sistematik bir şekilde geliştirilmiştir. RISC yapısının güzelliği, basit yapılar içermesinden dolayı bu yapıların kullanılarak çok farklı şekilde kompleks yapıların çözülmesindedir. ⓘ

Sonuç: işlemci sınıflamalarından iki mimari hakkında ön bilgi verildi. Fakat işlemci yapılandırılması bu iki mimari ile sınırlı değildir. Bu konu paralelliğe ve adresleme kiplerine göre ele alındı. ⓘ

Ayrıca bakınız (İngilizce)

• Central processing unit
• Computer architecture
• Addressing mode
• Digital signal processor
• Microcontroller
• List of microprocessors
• Arithmetic and logical unit
• BIOS
• CISC / RISC
• Clock rate
• Computer bus
• Computer engineering
• CPU cooling
• CPU core voltage
• CPU design
• CPU locking
• CPU power consumption
• Floating point unit
• Front side bus
• Instruction pipeline
• Instruction set
• Microarchitecture
• Microcode
• microcontroller
• Microprocessor Chronicles (documentary film)
• Motherboard
• Pipeline
• Superscalar
• Superpipelined
• Wait state ⓘ

Başlıca tasarımcılar (İngilizce)

• Intel
• Advanced Micro Devices
• IBM
• AMCC
• Freescale Semiconductor
• ARM Holdings
• MIPS Technologies
• Texas Instruments Semiconductors
• Renesas Technology
• Western Design Center
• STMicroelectronics
• Sun Microsystems ⓘ

Dış bağlantılar (İngilizce)

Genel

• Great Microprocessors of the Past and Present – John Bayko
• Microprocessor history 8 Nisan 2005 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. – IBM
• Microprocessor instruction set cards – Jonathan Bowen
• CPU-Collection 15 Temmuz 2008 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• CPU-World 10 Temmuz 2008 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. – Kapsamlı CPU/MCU/FPU bilgisi
• HowStuffWorks "How Microprocessors Work"25 Şubat 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• IC Die Photography8 Temmuz 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. – CPU die fotoğrafları galerisi ⓘ

Tarihsel dokümanlar

• TMS1802NC calculator chip press release18 Şubat 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. – Texas Instruments, 17 Eylül 1971
• 1973: TI Receives first patent on Single-Chip Microprocessor20 Şubat 2003 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• TI Awarded Basic Microcomputer Patent 25 Mayıs 2008 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. – TI, 17 Şubat 1978 (tek-çip bilgisayar anlamında “mikrobilgisayar” (microcomputer), basit bir mikrodenetleyici µC)
• Important discoveries in microprocessors during 2004 11 Ocak 2005 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. – IBM
• Pico and General Instrument's Single Chip Calculator processor Muhtemelen Intel ve TI’dan önce. ⓘ

ⓘ