Як запрограмовані перші мікропроцесори?

Це щойно на мене зрозуміло, що якщо ти пишеш операційну систему, то про що це пишеш? Я запитую це, коли я читаю книгу про основи мікропроцесорів з 1980 року, і це запитання вискакувало мені в голову:

Як запрограмований перший мікропроцесорний чіп?

Відповідь може бути очевидною, але мене це клопоче.

Я візьму ваше запитання буквально і обговорюю в основному мікропроцесори, а не комп'ютери взагалі.

На всіх комп’ютерах є якийсь машинний код. Інструкція складається з опкоду та одного або декількох операндів. Наприклад, інструкція ADD для Intel 4004 (найперший мікропроцесор) була закодована як 1000RRRR, де 1000 - опкод для ADD, а RRRR - реєстровий номер.

Перші комп’ютерні програми були написані вручну, кодуючи вручну 0 і 0, щоб створити програму машинною мовою. Потім це програмується в чіп. Перші мікропроцесори використовували ПЗУ (пам'ять лише для читання); пізніше це було замінено EPROM (Erasable Programmable ROM, який був стертий УФ-світлом); зараз програми зазвичай запрограмовані на EEPROM ( "Електрично ... - EPROM" , який можна стерти на мікросхемі), або конкретно на флеш-пам'ять.

Більшість мікропроцесорів тепер можуть запускати програми з оперативної пам’яті (це, як правило, стандарт для всього, крім мікроконтролерів), але в першу чергу повинен бути спосіб завантаження програми в оперативну пам’ять. Як вказував у своїй відповіді Джобі Таффі, це було зроблено за допомогою тумблерів для Altair 8080, який працював на базі Intel 8080 (який слідував за 4004 та 8008). У вашому ПК є трохи ПЗУ під назвою BIOS, який використовується для запуску комп'ютера та завантаження ОС в оперативну пам'ять.

Мова машини стає швидко стомлюючим, тому були розроблені програми асемблера, які беруть мнемонічну мову асемблера і переводять її, як правило, один рядок коду складання за інструкцією, в машинний код. Тож замість 10000001 можна було б написати ADD R1.

Але найперший асемблер мав бути записаний у машинному коді. Тоді його можна було б переписати у власний код асемблера, а машинна версія, що використовується для його складання вперше. Після цього програма могла зібратись. Це називається завантажувальним завантаженням, і це робиться і з компіляторами - вони, як правило, спочатку записуються в асемблері (або іншій мові високого рівня), а потім переписуються рідною мовою та збираються з оригінальним компілятором, поки компілятор не зможе скомпілювати себе.

Оскільки перший мікропроцесор був розроблений задовго після того, як з'явилися мейнфрейми та мінікомп'ютери, а 4004 взагалі не підходив для роботи асемблера, Intel, ймовірно, написала крос-асемблер, який працював на одному з його великих комп'ютерів, і переклав код складання для 4004 у бінарне зображення, яке можна запрограмувати в ROM. Знову ж таки, це звичайна методика, яка використовується для порту компіляторів на нову платформу (так звану перехресну компіляцію ).

Спочатку програми писалися на папері, а потім перекладалися на будь-який метод введення, яким був доступний комп'ютер. Це йшло від ручок, вимикачів та перемичок на перших комп’ютерах, для перфокарт, клавіатур / дощок.

На ілюстрації нижче показано, що використовують справжні програмісти:

Ну, я був навколо, коли вперше з'явилися мікросередовища, ми написали перехресні асемблери та компілятори на мейнфрейми та міні, потім ми завантажили їх на 8-бітне обладнання, люди насправді не турбували будівельні компілятори / асемблери на мікросередовищі, поки у них не було достатньої локальної пам’яті. зробити його корисним

Однією з ранніх форм пам’яті лише для читання була сітка, де адреса буде вибирати рядок (витягуючи її низько), а стовпці представляли дані. Кожен стовпець мав би підтягування, і кожен перетин мав би припаяний діод, який би представляв "нуль", або жоден діод, який би представляв "один" [бітові рівні могли бути перевернуті за бажанням у випадках, коли це зменшило б кількість необхідних діодів]. Будь-який бажаний зразок бітів можна "запрограмувати" пайкою у власних діодах.

Ця конструкція була внесена у світ інтегральної мікросхеми у вигляді запобіжника-PROM. По суті, плавкий запобіжник PROM - це схема, подібно до наведеної вище, побудована на мікросхемі, за винятком того, що всі діоди були заповнені, і кожен діод мав слабкий запобіжник послідовно з ним. Після доставки PROM буде читати "0" у всіх місцях. Однак можна вибірково видалити діоди, вибравши відповідну адресу та запустивши відповідні лінії даних "важко" високо [зауважте: я думаю, кожен біт, можливо, мав власний транзистор, а не діод, але принцип той самий].

Програмовані запобіжниками PROM були змінені напівпровідниковою пам'яттю, яка зберігає біти шляхом імплантації зарядів на внутрішні конденсатори. Такі пам'яті не тільки є більш компактними, ніж запобіжники PROM, але якщо вони розміщені в УФ-прозорих упаковках, вони можуть бути стерті та використані повторно. Зауважте, що навіть так звані "одноразові програмовані" спогади майже завжди використовують цей самий дизайн, але вони просто розміщені в непрозорих УФ-упаковках.

діод-матричний магазин управління комп’ютера MIT Whirlwind 1950

транзисторно-матричний запам'ятовуючий пристрій 2005 ЦП MT15

Я не впевнений, що хтось вирішив справжнє питання ОП, яке, здається, "Як комп'ютер знає, як розпочати роботу?" , тож я тріскаю на це.

Почніть з аналогії. "Як транзистор знає, як почати роботу?" Звичайно, це не так, він просто працює відповідно до фізики, і інженер будує схему так, щоб вона починалася у відомому стані.

Комп'ютери знають, як почати роботу, оскільки це схеми (звичайно, дуже складні), і вони побудовані для запуску в певному стані. У сучасній машині такий стан може бути таким, коли головна шина перезаряджає частину адресного простору для користування ПЗУ на материнській платі як низький об'єм пам'яті (ПЗУ було записано за допомогою BIOS). У машині першого покоління початковий стан, можливо, було припинено, лічильник програм на нулі, а підсистема перемикання пам'яті активна.

Операційна система - це комп'ютерна програма, яка працює безпосередньо на процесорі. Він може бути написаний будь-якою мовою, яка може бути складена або зібрана до машинних інструкцій. Збірка та С - це загальний вибір.

Код завантажується в процесори по одній інструкції за раз з магазину - ROM або RAM.

Z3 , перший програмований процесор був побудований з електромеханічного реле і читати інструкції з перфорованого фільму.

Перший персональний комп'ютер Altair 8800 був запрограмований перемикачами.

Щоб дізнатися, як побудований процесор із цифрової логіки, див. Https://electronics.stackexchange.com/questions/5516/a-fun-book-to-learn-computer-architecture-for-not-exarely-beginners

Докладні відомості див. У розділі http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_computing_hardware

Ось трохи про справді старі комп’ютери:

Наскільки я знаю, ще в ті часи у вас була велика передня панель комп'ютера, яка використовувалася для їх програмування. По суті, кожна комірка пам'яті на цих комп’ютерах була підключена до комутаторів. Ви будете живити пам'ять, а потім використовувати перемикачі для встановлення даних у кожній комірці. Таким чином, ви поступово вводити програму в пам'ять комп'ютера. Тоді ви встановите початкову точку програми та розпочніть її виконання.

З розвитком технологій розроблялися так звані програми завантажувача. Це короткі програми, вся суть яких полягає у запуску іншої програми з пам'яті комп'ютера. Проблема із введенням програм побіжно (а пізніше декілька бітів із використанням восьмигранних та пізніших шістнадцяткових чисел) полягала в тому, що це було дуже повільно і велика ймовірність, що оператор помилиться під час завантаження програми. Таким чином, короткі програми будуть використовуватися для завантаження великих програм, що зберігаються в пам'яті комп'ютера. З плином часу частка коду, яку довелося вводити вручну, зменшувалася, і в сучасних комп’ютерах ми часто маємо завантажувачі, записані на якомусь ПЗУ чи навіть флеш-пам’яті.

Я кілька років тому зіткнувся з програмістом мікроконтролера, який мав чотиризначний семисегментний дисплей та шістнадцяткову клавіатуру. Я впевнений, що на борту цього мікроконтролера не було, і це дозволило вам вводити машинний код безпосередньо в один байт.

Отже, це дозволить вам (болісно) складати список кодів Op вручну один за одним і вводити їх у чіп.

Я не маю уявлення, чи можете ви їх ще отримати, але я здогадуюсь, що щось подібне було використане ще тоді, коли мікроконтролери були відносно новими.

Перші мікропроцесори були б запрограмовані за допомогою існуючих комп'ютерів, які не базувалися на мікропроцесорах. До того, як перший процесор був виготовлений на одній мікросхемі, вже існували передові комп'ютерні архітектури, побудовані з дискретних компонентів, а не мікропроцесорів. Погляньте, о, скажімо, на IBM 360.