Mikroprosessori

Mikroprosessori eli mikrosuoritin tarkoittaa suoritinta, joka on integroitu yhdelle mikropiirille. Mikropiiri on puolijohdemateriaalia (usein piitä) ja yhdelle piirille voidaan integroida miljoonia transistoreita. Mikroprosessori sisältää suorittimen lisäksi myös muistia (rekistereitä) ja monet mikroprosessorit sisältävät nopeaa välimuistia.
Lukuesityksiin laskentaoperaatioissa eli aritmetiikkaan mikroprosessorit käyttävät kaksi- eli binäärijärjestelmää ja perustuvat Boolen algebraan. Mikroprosessori sisältää aritmeettisen, loogisen ja kontrollipiirin suorittimen toiminnoille. Mikroprosessori voi sisältää aritmeettis-loogisen yksikön ja kontrolliyksikön lisäksi kellon tai ajoituslaitteen. 
Mikroprosessorit ovat monimutkaisia mikropiirejä, joissa on miljardeja transistoreja ja sisältävät tuhansia digitaalisia piirejä, joilla on tietty looginen toiminto. Loogiset piirit toimivat kellojakson tahdissa, jonka vaihtuessa piirit vaihtavat tilaa. Mikroprosessorit tyypillisesti sisältävät tietokoneen keskussuorittimen. 
Nimitystä mikrokontrolleri käytetään usein laskentateholtaan matalatasoisista mikroprosessoreista, joihin on integroitu monia liityntätoimintoja, mutta josta voi olla poistettu toimintoja sen mahduttamiseksi yhdelle mikropiirille. Järjestelmäpiirit integroivat prosessorin lisäksi myös muita toimintoja. Digitaalinen signaaliprosessori on signaalien käsittelyyn erikoistunut prosessori. Grafiikkaprosessori on grafiikan käsittelyyn erikoistunut prosessori.
Historiaa.
Bipolaaritransistoreilla pystyttiin 1960-luvulla rakentamaan suorittimia, mutta ne olivat monimutkaisia. 
Ennen mikroprosessoria käytössä oli "diskreettiä" transistori-transistori logiikkaa (TTL). MOSFET-transistorilla voitiin lopulta rakentaa mikropiirejä tiheämmin ja pienemmillä valmistuskustannuksilla ja tekniikka otti vähitellen johtoaseman. Ennen varsinaista mikroprosessoria oli kehitysaskel, jossa suoritin koostui useista mikropiireistä. Vuonna 1970 julkaistu 74181 oli 4-bittinen aritmeettis-looginen yksikkö (ALU) yhdellä piirillä ja sitä käytettiin useissa minitietokoneissa. 1960-luvun lopulla yhdellä MOS-piirillä voi olla yli 100 logiikkaporttia, joista jokainen koostui useista transistoreista: nämä olivat LSI-piirejä (). 
Ensimmäisen MOS-LSI -piirejä käyttävän tietokoneen kehitti vuonna 1967 Autonetics, jonka yleiskäyttöinen D200-tietokone oli suunniteltu avioniikkaan ja navigaatioon. D200 oli 24-bittinen, rakennettu 24 MOS-piiristä ja käytti neljää eri kellovaihetta.
Termi "mikroprosessori" on peräisin Viatron Computer Systemsin ilmoituksesta lokakuussa 1968, jossa sitä kuitenkin käytettiin kuvaamaan älykästä päätettä, jonka toiminta koostui useista mikropiireistä. Termin nykyinen merkitys on lyhenne termistä "micro-processing unit" (MPU), joka on tietokoneen kaikki keskeiset logiikkatoiminnot suorittava laite. Vuonna 1951 Maurice Wilkes kutsui mikroprosessoriksi tietokonetta, joka käytti mikro-ohjelmointia.
Pelkän ALU-yksikön sisältävän piirin kehitti Lee Boysel Fairchild Semiconductorilla vuonna 1968, ennen kuin hän lähti perustamaan Four-Phase Systemsiä.
Vuonna 1969 Boysel kehitti Four-Phase Systemsin AL1:n, joka oli 8-bittinen "bit-slice" -prosessori sekä ALU. AL1 yhdisti ALU-yksikön sekä rekistereitä samalle piirille, mutta kontrollipiiri oli ulkoinen.
AL1 ei ollut myynnissä erikseen vaan osa yhtiön muita tuotteita: kolmen piirin yhteiskäytöllä rakennettiin 24-bittinen tietokone ja lisänä oli muita piirejä. Piiriä käytettiin myöhemmin Texas Instrumentsin ja Intelin välisessä kiistassa esimerkkinä patentin kumoamiseen. AL1 oli esitelty aiemmin "Computer Design" -lehden artikkelissa huhtikuussa 1970. Four-Phase Systemsin kuvauksessa suorittimen piirilevy koostui kolmesta AL1-piiristä, kolmesta Random Logic (RL)-piiristä ja kolmesta ROM-piiristä. Boyselin kehitystyötä oli aiemmin esitelty muun muassa "Electronic Design" -lehdessä helmikuussa 1970 ja "Electronics"-lehdessä.
1970-luvun alussa mikroprosessoria kehitti yhtä aikaa usea eri projekti. Kolme projektia sai mikroprosessorin valmiiksi lähes samaan aikaan, jotka olivat Intelin 4004, Texas Instrumentsin TMS 1000 ja Garrett AiResearchin Central Air Data Computer (MP944). Central Air Data Computer sisälsi kolme suoritinta ja koostui 28 piiristä. Central Air Data Computer oli 20-bittinen tietokone, joka käsitteli F-14 -lentokoneen sensorien tietoja ja tuotti tietoa instrumenteille.
TMS 1000:tta käytettiin laskimessa vuonna 1972 ja myytiin teollisuudelle vuonna 1974. Central Air Data Computer oli vuoteen 1998 saakka salaista tietoa eikä siten voinut suoraan vaikuttaa muiden mikroprosessorien suunnitteluun. Intel 4004 oli suunniteltu toimimaan neljän piirin sarjassa. TMS 1000 oli suunniteltu yksittäiseksi piiriksi, mutta saapui markkinoille laskimeen tarkoitetussa muodossa.
Vuonna 1971 Texas Instrumentsilla oli TMS1802 -piiri, joka oli laskimiin suunnattu mikrokontrolleri: 1802 aloitti TI:n suositun 0100-sarjan. Laskimiin suunnattuja piirejä oli samaan aikaan muitakin: esimerkiksi Mostek MK6010 ja General Instrument G250. Laskimiin suunnatut piirit toimivat laskimissa, mutta eivät voineet tehdä muuta. Vasta käskyjen suorittaminen ulkoisesta ROM-muistista teki mahdolliseksi hyödyntämisen yleiskäyttöisessä tietokoneessa. 
Busicom tilasi Inteliltä laskimeen useamman piirin sarjan, joka yksinkertaistettiin 4-bittiseksi Intel 4004:ksi sekä syötön ja tulostuksen apupiireiksi. Samaan aikaan kehitettiin useita muita piirejä elektronisiin laskimiin. Busicom luovutti 4004:n oikeudet Intelille, joka alkoi markkinoida sitä marraskuussa 1971.
Computer Terminal Corp (CTC) tilasi Inteliltä yksittäisen MOS-piirin, joka perustui Datapoint 2200 -päätteen arkkitehtuuriin. Piirin suunnitelma oli valmis kesällä 1970, jonka jälkeen projekti jäädytettiin: tästä tuli myöhemmin 8-bittinen Intel 8008. Intel julkaisi 8008:n huhtikuussa 1972.
CTC oli pyytänyt myös Texas Instrumentsia suunnittelemaan prosessorin Datapoint 2200:een, johon TI esitti kolmen piirin ratkaisua, mutta ryhtyi työstämään yhden piirin ratkaisua huhtikuussa 1970. TI:n suunnitelma oli nimellä TMX 1795, josta tuli TMC 1795 kun se oli valmistumassa. TI julkaisi 8-bittisen piirinsä kesäkuussa 1971, mutta se ei herättänyt kiinnostusta.
Texas Instruments haki mikroprosessorin patenttia elokuussa 1971. Gary Boonelle myönnettiin 4. syyskuuta 1973 Yhdysvaltain patentti nro 3.757.306 yhden piirin suorittimen mikroprosessoriarkkitehtuurista. Vuosina 1971 ja 1976 Intel ja Texas Instruments lisensoivat laajasti ristiin toistensa patentteja Intelin maksaessa Texas Instrumentsille mikroprosessorin patenttilisenssistä.
Ensimmäiset prosessorit tunnettiin lyhenteellä MPU () ja ne vaativat oheispiirejä kokonaisen järjestelmän rakentamiseksi. Yhden piirin ratkaisuja tiettyyn sovellutukseen kutsutaan mikrokontrollereiksi (MCU). Mikrokontrollerit voivat sisältää vähemmän komponentteja, jotta koko toiminnallisus mahtuu yhdelle piirille.
Toisen sukupolven 8-bittisten prosessorien malleja olivat Intel 8080 ja Motorola 6800, jotka vuonna 1974 alkoivat saavuttaa laajamittaista hyväksyntää MPU-konseptille.
Mikrotietokoneiden vallankumouksen sanotaan alkaneen Intel 4004 -suorittimen julkaisusta.
Ei ole kuitenkaan selvää, koska ensimmäinen mikroprosessori kehitettiin, koska on eri määritelmiä sille, mikä mikroprosessori on: mikäli se voi koostua useista LSI-piireistä Autonetics D200 olisi ensimmäinen.
Gilbert Hyatt hankki vuonna 1990 patentin yhden piirin mikroprosessorille, jonka Texas Instruments tyrmäsi vuonna 1996 lakitaistelun jälkeen. Boyselin AL1 ALU tyrmäsi Texas Instrumentsin vaateet vuonna 1995.
Vuosina 1971–1974 transistorimäärä oli rajallinen eivätkä suorittimet olleet riittävän nopeita suurille tietomäärille.
Vuosina 1975–1976 julkaistiin useita uusia mikroprosessoreita ja muun muassa "bit-slice" (BSP) -prosessorit esiteltiin. Näitä
"bittisiivuja" käsitteleviä prosessoreita rinnakkain kytkemällä muodostettiin "suurempia" suorittimia.
Vuosina 1977–1979 mikroprosessorit nähtiin jo merkittävänä tuotantona ja ohjelmistotyökalut kehittyivät.
1980-luvulla kehittyi VLSI-tekniikan käyttö, jonka myötä 2000-luvulla voidaan sijoittaa miljardeja transistoreja piirille, joka on pinta-alaltaan yhtä suuri LSI-mikropiiri. VLSI-tekniikan myötä aidosti 32-bittiset arkkitehtuurit yleistyivät. Samaan aikaan RISC-suunnittelu mahdollisti suuremman suorituskyvyn ja Unix-työasemien markkinat kasvoivat. Berkeleyssä esiteltiin Berkeley RISC -arkkitehtuuri, joka johti SPARC-suorittimeen, Stanfordissa esiteltiin MIPS-arkkitehtuuri, ja samaan aikaan IBM kehitti IBM 801 -projektia, joka johti Power-arkkitehtuuriin. Acorn Computers kehitti ensimmäisen ARM-piirin 1980-luvun puolivälissä.
1990-luvulla DEC esitteli 64-bittisen DEC Alpha -suorittimensa. Samaan aikaan kiista AMD:n ja Intelin välillä ratkesi AMD:n hyväksi, jolloin kloonien valmistaminen yleistyi.
Merkittäviä mikroprosessoreja.
Merkittäviä varhaisia mikroprosessoreja 1970-luvulla:
Kehitys.
Kuten mikropiireille yleisesti, eri valmistustekniikoita ovat olleet muun muassa PMOS, HMOS, CMOS ja NMOS.
Ensimmäinen kaupallinen mikroprosessori (Intel 4004, 1971) oli valmistettu PMOS-tekniikalla. 1970-luvun alkupuolella PMOS-tekniikka oli dominoiva kunnes NMOS paransi suorituskykyä 1970-luvun loppupuolella. Ensimmäinen CMOS-prosessori (Intersil 6100) julkaistiin vuonna 1975, mutta CMOS ei valloittanut markkinoita ennen 1980-luvun puoliväliä. Eräitä mikroprosessoriarkkitehtuureita (muun muassa Intel 80286) markkinoitiin ensin NMOS-versiona ja myöhemmin toteutettiin CMOS:lla alhaisemman virran käyttökohteisiin.
Mikroprosessorien suorituskyvyn lisääminen kellotaajuutta nostamalla on vaikeutunut.
Muita korvaavia kehityssuuntia ovat moniytimellisyys, monisäikeistys ja moniprosessointi.
Vastauksena monimutkaistuville suorittimille esitettiin RISC-arkkitehtuuria (erona CISC-arkkitehtuurille), jonka sanottiin olevan entistä tärkeämpää VLSI-tekniikan myötä:
Sekä CISC- että RISC-arkkitehtuureilla on etunsa ja haittansa.
Mikroprosessorien suunnittelu on erittäin paljon aikaa vaativaa. Suunnittelu voi vaatia jopa seitsemän vuotta. Suunnittelussa käytetään simulaatioita, jotka mallintavat satoja miljardeja käskyjä suorituskykytestiä kohden ja tämä tarvitaan jokaista suunnittelukohtaa varten. Simulointi on kolmesta neljään kertaa hitaampaa kuin varsinaisella laitteistolla suorittaminen.
Käyttökohteet.
Mikroprosessorin tultua markkinoille siihen perustuvat tietokoneet kattoivat laajan hintahaarukan henkilökohtaisista tietokoneista täysiin moniprosessointijärjestelmiin. Mikroprosessorit yleistyivät lopulta kaikissa tietokoneluokissa.
Vuonna 2009 valmistetuista prosessoreista 98% oli sulautettuihin järjestelmiin. 8-bittisten prosessorien myynti on pysynyt merkittävänä. Hintojen laskun myötä myös uusia käyttökohteita tulee.