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早期微控制器的历史,第5部分:摩托罗拉6801

摩托罗拉的半导体组件集团——摩托罗拉半导体——在微处理器的派对上迟到了不止一个方面。该公司从未开发出成功的PMOS工艺技术,因此它向客户发送定制的LSI芯片设计,如计算器芯片,给其他半导体制造商,如Mostek和AMS(高级内存系统)。尽管摩托罗拉是双极IC制造领域的领导者,拥有强大的RTL、DTL、TTL和ECL逻辑芯片家族,但该公司缺乏PMOS LSI工艺技术,因此摩托罗拉无法解决微处理器等大型芯片的设计和制造问题,直到环境迫使它这样做。当它开发了一个微处理器,8位的摩托罗拉6800时,这个经过深思熟虑的架构作为微处理器获得了成功,然后作为多个微控制器家族的基础架构获得了几十年的额外成功。

莱斯特·霍根于1968年离开摩托罗拉半导体公司,成为仙童半导体公司总裁。摩托罗拉半导体的七名高管(除一人外均为高管)辞职追随霍根,霍根很快在仙童为他们找到了新职位。起初,霍根对经营仙童并不感兴趣,所以在仙童第一次提出这个职位时,他拒绝了。摩托罗拉的半导体业务已经超过了仙童。此外,仙童还在向硅谷的其他半导体公司和初创公司流失人才。情况很糟糕,霍根知道这一点。因此,飞兆公司派其创始人罗伯特·诺伊斯前往亚利桑那州凤凰城招聘霍根。霍根回忆说,他是个很棒的推销员。

霍根接受并为自己协商了一份(当时的)巨额赔偿方案。他和他的7位高管离开摩托罗拉,前往硅谷,试图为仙童公司止血。具有讽刺意味的是,诺伊斯在霍根加入后不久就离开了仙童半导体公司,与戈登·摩尔一起创建了英特尔。据报道,诺伊斯没有得到仙兆半导体公司的最高职位,这是可以理解的,在霍根接受新职位之前,他就已经告诉霍根他要离开了。霍根和他的团队成功地让仙兆半导体(Fairchild Semiconductor)这艘好船扶正,但该公司几乎所有高管的离职,让摩托罗拉的半导体集团有些飘忽不定,战略计划陷入混乱。

1968年的管理层斩首无疑阻碍了摩托罗拉半导体的关键开发项目,比如PMOS工艺技术的开发。缺乏这样的流程意味着,除了销售人员和市场部门带来的少数定制LSI项目外,账面上不可能有雄心勃勃的LSI项目。

三年后,也就是1971年,汤姆·贝内特加入摩托罗拉半导体公司,帮助该公司进入计算器芯片业务。这是当时最热门的LSI芯片业务。正是这一业务促使德州仪器开发了TMS1802NC可编程计算器芯片,这是第一个可以被称为单片微控制器的芯片。他在计算机设计方面有相当的背景,并在1969年看到了英特尔4004微处理器的早期设计思想。到班尼特加入摩托罗拉时,该公司已经开发出一种斗志昂昂的、自下而上的项目开发方法,这种方法足以开发出NMOS LSI工艺技术和摩托罗拉第一台微处理器6800。

Jeff LaVell于1966年加入摩托罗拉,之前他在Collins Radio负责公司的C8500计算机,在那里他了解了计算机体系结构的发展。Collins的C8500是用摩托罗拉的ECL逻辑芯片做原型的,量产版使用的是Sylvania的SUHL TTL芯片,摩托罗拉是它的第二供应商。因此,当拉威尔和妻子决定搬到凤凰城时,他对摩托罗拉非常熟悉。他加入摩托罗拉,担任该公司计算机行业营销部门的应用工程师。

拉威尔的部分工作包括与大型计算机公司合作,如CDC(控制数据公司)、DEC(数字设备公司)和Cray,并了解像摩托罗拉这样的半导体公司可以在哪些方面提供帮助。一个巨大的机会出现了:计算机外围设备。该设备需要高度集成的功能,以最大限度地降低成本、芯片数量、设计时间和功耗。这个市场对于具有完整支持芯片家族的微处理器来说是理想的。

Bill Lattin于1969年获得加州大学伯克利分校的硕士学位,在那里他旁听了一门由英特尔的Andy Grove教授的半导体物理学课程。他已经计划搬到凤凰城,在亚利桑那州立大学(Arizona State University)完成博士学位,并在摩托罗拉半导体(Motorola Semiconductor)找到了一个职位,在经过几个其他部门的轮换后,最终进入了该公司的MOS工艺开发小组。他成为集团的设计经理,在那里他负责公司的CAD工具和新的MOS芯片设计的开发。他还承担了摩托罗拉现有MOS工艺技术的问题,并开发了新的MOS工艺。

Bennett, LaVell和Lattin一起定义了一个微处理器和一系列支持设备,将使用尚未开发的NMOS工艺技术制造。在他们定义的15种左右的芯片中,有:

  • MC6800微处理器
  • MC6810 128字节(1-Kbit) RAM
  • MC6830 2kbyte ROM
  • MC6820 PIA(并行接口适配器)
  • 异步通信接口适配器
  • 同步串行数据适配器
  • MC6860 600bps数字调制解调器

摩托罗拉的一个团队拜访了一长串公司,包括惠普的几个部门、天合的两个部门、NCR(国家收银机)和CDC,推销新的摩托罗拉微处理器芯片组的想法。他们开始受到关注。CDC的一份20万个零件的潜在订单将该项目列入了日程表。逻辑设计始于1972年。最初5个芯片(微处理器、RAM、ROM、PIA和ACIA)的布局发生在1973年。第一部分于1974年2月到货,大部分工作正常,但有一些bug。1974年6月,客户的系统中就有了这种芯片。

在计算机历史博物馆的摩托罗拉6800口述历史小组记录中,贝内特的一个早期客户参观了第一个工作系统,这真的引起了我的注意:

“今年6月,我去了位于Loveland的惠普,在一个周五的下午看到了一个系统。这个东西太神奇了,他们把这个东西缩小了,因为他们展示了之前和之后。那天晚上他们正准备去那里的一个公园,因为有一辆银子弹卡车停在那里,车上装满了给他们的啤酒。然后我们坐上飞机回来,他们继续。但他们的速度太快了。”

整整一年后,我加入了惠普的Loveland计算器产品部的实验室。贝内特在口述历史中描述的原型系统显然是CJ项目的原型,这将成为HP 9815A可编程桌面计算器和仪器控制器,于1975年推出。

HP 9815A可编程桌面计算器和控制器是最早的基于摩托罗拉MC6800微处理器的产品之一。图片来源:Fred Wenninger和HP9825.com

MC6800微处理器芯片组迅速获得成功。它不是一个微控制器,但多芯片组一起提供了一个微控制器的功能。所需要做的就是将芯片组中的五个初始器件集成到一块硅片上。摩托罗拉在1977年发布了微控制器MC6801。MC6801根据主要客户通用汽车(GM)的要求,略微升级了6800 CPU,其中包括一个乘法指令。通用汽车最初在1978年的凯迪拉克塞维利亚上使用MC6801微控制器作为TripMaster数字里程表。这是一个非常昂贵的,920美元的工厂选项。

通用汽车(General Motors)推出了一款基于摩托罗拉6801微控制器的TripMaster旅行电脑,作为1978年款凯迪拉克塞维利亚(Cadillac Seville)的出厂选项,售价920美元。图片来源:sv1ambo, Wikimedia Commons

TripMaster让摩托罗拉得以得到通用汽车的帮助,通用汽车开发了一种基于微控制器的化油器闭环控制系统,以帮助其汽车达到政府在汽油里程和尾气排放方面的新标准。到1980年下半年,通用汽车每天在汽车上安装2.5万个摩托罗拉微控制器,这帮助摩托罗拉半导体度过了1980 - 1981年的经济衰退。

摩托罗拉6801微控制器衍生了一长串架构相似的微控制器家族,包括MC6805、MC6805的CMOS版本MC146805、MC68HC05、MC68HC08、MC68HC11和MC68HC12。随着工艺技术的改进,摩托罗拉利用摩尔定律引入了具有更多RAM、ROM、片上外设和更多I/O功能的微控制器。这些微控制器被用于摩托罗拉半导体的母公司摩托罗拉生产的寻呼机和手机。摩托罗拉的微控制器出货量巨大。最终,摩托罗拉将其半导体集团剥离为飞思卡尔,并于2015年与恩智浦合并。在MC6800问世近半个世纪后,恩智浦官网仍然列出了几款源自最初MC6800微处理器架构的微控制器。

对于MC6800微处理器,还有一个值得一提的遗留微控制器。摩托罗拉需要第二个来源,以给予部分客户的信誉,他们选择了AMI(美国微系统公司)作为他们最初的第二个来源。在日本,日立也成为MC6800的第二个来源,这帮助该公司进入微处理器业务。最终,该公司开发了摩托罗拉MC6801微控制器的低功耗CMOS版本,称为HD6301,催生了许多新的微控制器系列,现在以瑞萨品牌出售。

参考文献

《微芯片背后的人:罗伯特·诺伊斯和硅谷的发明》,莱斯利·伯林,牛津大学出版社,2005年。

关于摩托罗拉6800微处理器的发展和推广的口述历史小组,计算机历史博物馆,2008年3月28日

对C.莱斯特·霍根的采访,1995年1月24日,《硅起源:半导体技术口述历史》,斯坦福图书馆。

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