Немного истории: процессор в кармане

Intel 4004: процессор для калькулятора

1969 год. Японская фирма Busicom заказывает у молодой компании Intel набор микросхем для настольного калькулятора. Инженеры Intel — Тед Хофф, Федерико Фаджин и Масатоси Сима от Busicom — предлагают вместо десятка специальных микросхем одну универсальную: она выполняет команды из ПЗУ, а что именно делать — решает программа. Так в 1971 году появился Intel 4004 — первый микропроцессор, который можно было купить.

• 4 бита: одна десятичная цифра 0–9 как раз помещается в 4 бита — для калькулятора то, что нужно.
• Около 2300 транзисторов на кристалле размером с ноготь.
• Программа — в отдельной микросхеме ПЗУ, данные — в отдельной ОЗУ.

Всё на одном кристалле

Следующий шаг — положить на один кристалл и процессор, и ПЗУ с программой, и ОЗУ, и выводы для кнопок и экрана. Такой чип называют микроконтроллером. Одним из первых стал TMS1000 фирмы Texas Instruments (1974): 4 бита, программа зашита при изготовлении. На нём работали калькуляторы, игрушки и электронная игра Simon (1978). Микроконтроллер стоил копейки, и процессоры поселились в вещах, которые никто не называл компьютерами.

Sharp SM5: мозг Game & Watch

Внутри Game & Watch — 4-битный микроконтроллер Sharp серии SM5 (SM5A, SM510 и родственники). Он сделан специально для карманных вещей:

• ПЗУ с программой игры и ОЗУ на 4-битные ячейки — на том же кристалле;
• драйвер ЖК прямо в чипе: часть ячеек ОЗУ — это сегменты экрана, записал бит — сегмент загорелся;
• часовой кварц 32 768 Гц и делитель секунд — часы идут, даже когда игра выключена;
• такая малая потребляемая мощность, что пары батареек-таблеток хватает на месяцы.

Каждая игра серии — это тот же чип с другой программой в ПЗУ. Отсюда и скорость, с которой Nintendo выпускала новые игры: железо одно, меняется программа.

В СССР «Электроника ИМ-02» «Ну, погоди!» работала на микросхеме КБ1013ВК1-2 — отечественном аналоге Sharp SM5A.

Почему наш процессор такой

Наш процессор — не копия SM5: система команд SM5 запутанная, её трудно собрать руками и понять за вечер. Мы взяли главные идеи тех чипов и сделали их как можно проще:

• 4 бита, как у 4004 и SM5: цифра часов или очков — одна ячейка памяти, одна команда.
• 16 команд, одна команда за такт: код команды — 4 бита, дешифратор — один DEC16. Весь процессор помещается в 6 уроков.
• Программа и данные раздельно, как у SM5: ПЗУ на 512 команд и память 256 ячеек по 4 бита.
• Экран — это память, как у SM5: записал число в ячейку экрана — зажглась цифра или кристаллик.
• Железо вокруг процессора — делитель 60 Гц, таймер шага, случайность, писк — как у SM5, где часы и звук сделаны отдельными блоками на том же кристалле.

Получается та же схема, что у настоящего Game & Watch: маленький процессор, программа в ПЗУ и готовое железо вокруг. Только каждая его часть собрана твоими руками.

Game & Watch — торговая марка Nintendo; Intel, Texas Instruments и Sharp — торговые марки своих владельцев. Набор не связан с ними и не одобрен ими; названия упоминаются, чтобы рассказать историю. Процессор, игра «Звёздный урожай» и все рисунки набора — свои.