我们喜欢这个行业的第一个，尽管“第一个”并不一定能赢得市场。有时，第一个进入市场的人确实会赢。有时并不是。说到微处理器，有一场持续的战斗，声称自己是第一个。

通常，争论围绕着三个竞争者:

• 英特尔4004微处理器，MCS-4芯片组的一部分
• AiResearch MP944
• 四相AL1，微处理器芯片组中的一个芯片

这些都是微处理器。问题是，哪一个是第一个?

第一次什么?

第一次微处理器吗?第一个单芯片微处理器?微处理器是什么?

有很多问题。

自1975年以来，我一直在为微处理器设计系统。从1978年开始，我就一直在写关于它们的文章。我曾担任两家领先的电子行业出版物的主编，这两家出版物对微处理器进行了令人作呕的讨论。我已经发表了许多关于微处理器IP的文章、书籍和书籍章节。不出所料，我对这个话题有自己的看法。下面就是:

微处理器需要:

• 执行算术和逻辑运算的ALU
• 一个寄存器集，包括数据寄存器、地址寄存器、控制/状态寄存器、堆栈寄存器或堆栈指针寄存器和指令寄存器
• 程序计数器
• 指令获取机制和程序排序器
• 指令解码器(可以使用一个或多个微码层进行解码)
• 总线接口

如果这六种元素都有，我称之为微处理器。如果这六种元素都出现在一块硅片上，我称之为单芯片微处理器。其他人似乎有其他的定义。这些是我的。

这就是争议所在。根据我的定义，英特尔4004、爱研MP944和四相AL1都是微处理器。Intel 4004是在1969年和1970年开发的，但在1971年11月才公开发布。根据我的定义，它是三个微处理器中唯一符合单芯片标准的。我敢肯定有人会和我争论这个问题。来吧，伙计们，但只有在读完这篇文章之后，请。

以下是我的理由:

英特尔MCS-4的设计非常优雅，是创建嵌入式系统的理想芯片组。它的4位方向非常适合Busicom的预期目的——制作桌面计算器——因为它是为BCD(二进制编码的十进制)算术设计的。英特尔4004架构所做的一个非常大的改变是将岛正敏(Masatoshi Shima)的计算器设计从面向小数(所有机械计算器都使用小数轮进行计算，并且算术算法很好理解)转变为面向bcd。这是泰德·霍夫对原始问题的精妙改造，原来的问题要求把所有东西都装在一个芯片上。霍夫的结构展示了对所要解决的问题的深刻的数学洞察力。

因此，MCS-4芯片组对于任何在机器/人类交互区域处理数字的机器都是理想的。它定义了几乎所有的嵌入式系统。机器不太喜欢BCD——它们喜欢纯二进制数字——但人类需要看到十进制数字。BCD是一种妥协。它是数字世界语。

HP Loveland在20世纪70年代开发的台式电脑，包括HP 9825和9845，被称为台式计算器。他们有3个芯片，16位，混合处理器，BCD算法内置在混合的第三个芯片上，扩展数学芯片。当时，BCD被广泛用于高精度的浮点计算。但是如果你想要快一点，你需要用二进制数和很多位。这也是业界如此努力开发32位和64位微处理器的原因之一。

英特尔做出了许多妥协，将4004微处理器的核心塞进了16针DIP。也许最大的妥协是4位双向总线，它使用多路复用方案传输地址、指令和数据。该总线不像后续处理器那样有单独的地址和数据总线。它只有一个带有同步引脚的4位总线，用于指定每个指令周期的开始。

例如，在一个指令获取过程中，一个同步周期将表示指令获取的开始，接下来的三个总线周期将是地址传输，以4位块为单位。然后，ROM将在接下来的两个周期中将8位指令以4位块的形式放在总线上。

由于可用引脚的数量有限，并且采用了极限总线多路复用，Intel 4004微处理器需要三个总线周期才能生成一个地址，而加载一条8位或16位指令则需要两个或更多总线周期。地址、指令和数据都必须通过4位总线。

数据表现较好。因为它是以bcd为中心的机器，所以4位总线是理想的。然而，使用ROM和RAM进行数据交易的地址仍然需要三个总线周期来进行地址传输。结果，整体系统性能受到影响。

英特尔4004的速度慢得像糖蜜一样，但对于它的预期用途——电子桌面计算器来说，这还行。它仍然比以前的机电设备快得多。

这些妥协迫使英特尔建立了一个有围墙的花园。当时可用的标准ram和rom具有简单的并行总线，具有单独的地址和数据线。这些设备不能直接与Intel 4004的总线结构兼容。英特尔MCS-4芯片组中的RAM、ROM和I/O芯片(分别为4001、4002和4003)都需要实现特殊的总线接口逻辑，以驻留在4004微处理器的围墙花园中。

(注意:MCS-4芯片组有作弊码。4001 ROM和4002 RAM芯片监控总线，识别和解码I/O指令，并执行针对其集成I/O端口的指令。因此，指令解码在三个芯片之间有轻微的分布，但4004微处理器仍然包含了我的所有六个关键处理器元素。4004仍然是世界上第一款单芯片微处理器，尽管它在设计上妥协了很多缺点。)

因此，我非常高兴将英特尔4004指定为第一个单芯片微处理器，尽管有围墙花园。它在一个芯片上拥有微处理器所需的一切:ALU、寄存器集、程序计数器、指令解码器、获取机制、程序排序器和总线接口。这一切都在一块硅上，这在很大程度上要归功于费德里科·法金的硅魔法。他在这款和随后的微处理器设计上的才华超越了天才。

AiResearch MP944，经过几年的发展，于1970年6月完成，显然是一个微处理器芯片组。它的共同发明者雷·霍尔特一直这么叫，他维护着一个很棒的网站叫世界上第一个微处理器．这套芯片共有六个，分别是乘法器单元、分法器单元、特殊逻辑单元、转向单元、ROM和RAS (RAM)。乘数单元和分压器单元是早期的协同处理器的化身，是霍尔特设计中的众多创新之一。MP944的关键处理器组件分布在芯片组的多个芯片上。没有一个芯片可以作为一个完整的处理器。你想要证据?阅读雷·霍尔特的原文纸从1971年开始。直到几十年后才有人知道这种微处理器，因为它被用来实现中央空中数据计算机，控制美国海军F-14雄猫旋翼战斗机的机翼俯仰。这是一个机密项目，在1998年被解密。

要想了解1969年首次出现的四阶段AL1的真相，你必须进行大量的挖掘。根据现有信息，我对AL1的分析是，它被设计为位片(在这种情况下是字节片)，具有寄存器文件和ALU的8位片，在概念上类似，但比5年多后出现的4位AMD 2901复杂得多。

位片是微处理器的一部分。它不能单独作为微处理器运行。AL1是用于构建四相计算机处理器的12芯片组的一部分。Four-Phase使用三个al1来组成一个24位ALU和寄存器集，但是需要芯片组的其余ic来完成处理器。如果没有其他芯片，AL1片就不能作为处理器工作，我认为这些芯片包括获取单元、指令寄存器、指令解码器、中断控制器和系统总线接口。

但你会问，不是有一个著名的诉讼演示证明AL1确实是一个微处理器吗?是的，确实有。德州仪器(TI)拥有数项基于其微控制器和微处理器工作的专利。该公司对这些专利的使用收取许可费，并对几家公司提起诉讼，在需要时提取这些费用，尤其是戴尔。TI于1990年对戴尔提起专利诉讼。

Four-Phase Systems的创始人之一李·博伊塞尔(Lee Boysel)在诉讼中担任戴尔的专家证人。他用AL1开发了一个物理演示，以证明现有技术，并于1992年向法院演示了该系统。四阶段演示使AL1芯片看起来和工作起来像一个微处理器，以建立现有技术。

Boysel演示系统中的40针AL1芯片通过40针带状电缆连接到塑料包装的RAM、ROM和I/O块。这是Boysel 2016年题为给有抱负的企业家的其他建议在他的母校密歇根大学(University of Michigan)的一个课堂上，展示了Boysel用于诉讼的Demo系统的照片:

四阶段创始人和专家证人Lee Boysel在德州仪器与戴尔微处理器诉讼中出示的AL1演示系统的照片

在我看来，演示系统的RAM/ROM和I/O模块就像早期的任天堂视频游戏卡带。它们是由灰色塑料制成的——不透明的灰色塑料。事实上，实际的演示系统在计算机历史博物馆的档案中，关于这个神器的文件说，弹药壳实际上来自超级任天堂视频游戏。我认为这些墨盒的不透明度，特别是ROM墨盒，对于这个演示系统的目的可能是非常重要的。

我无法证明这一点，但我猜AL1的演示是一个技术魔术。我不能说这是故意误导，因为我不知道动机，但在我看来确实很粗略。一份题为法庭演示系统:1969 AL1微处理器由Four-Phase的创始人之一和AL1的发明者Lee Boysel出版，收藏于计算机历史博物馆，其中包含演示系统的框图，显示AL1芯片连接到演示系统的RAM, ROM和I/O块。图表如下:

四相AL1“单片机”框图

从这个框图和演示系统的照片中，我看到了一个经典的神奇装置。

任何魔术都由两部分组成:设备和表演。魔术师们在舞台上表演魔术，但魔术行业也有一批高薪的幕后工作人员，他们只是构思并制造使魔术成为可能的设备。

魔术表演的主要工具之一是视觉误导:愚弄人们去看错误的东西，并认为他们看到了一些没有发生的事情。如果你看到一个塑料盒子，上面贴着一个大大的“ROM”，你自然会认为里面有一个ROM。如果你看到一块白色的芯片，上面有闪亮的金色引线，旁边是一个单调的灰色盒子，你就会把注意力集中在这个闪亮的物体上，而对灰色盒子的注意力就会少得多。这是人类的天性，魔术就是靠这一点。

框图清楚地显示了一个24位指令字如何从外部ROM中检索，进入一个标记为“AL1指令寄存器”的块。存储在“AL1指令寄存器”中的指令然后驱动寄存器的输出引脚，输出引脚直接控制芯片的ALU并选择寄存器文件的源和目标。

这是我在这个图中没有看到的:指令解码器、程序计数器或获取机制。

从这张图中，我得出结论，标记为“AL1指令寄存器”的盒子实际上是一个微码寄存器，并且演示系统中外部附加的ROM实际上是一个微码ROM。这是合理的吗?至少有一些四相计算机是微编码的机器吗?带着这个问题，谷歌很快找到了答案。是的，Four-Phase的4000系列和6000系列计算机确实是带有48位微码rom的微码机器。

这是李·博伊塞尔的一段话传记这篇文章出现在密歇根大学的网站上:

Boysel开发了一些最早的概念，并在20世纪60年代和70年代发表了一些关于计算机体系结构的第一批文章，包括MOS ROM CPU微码控制、RAM信息的直接视频显示和单个双向总线结构——这些都是当今微处理器设计的主要内容。他还参与了半导体行业第一个A/D芯片、第一个静态和动态MOS ROM、第一个并行ALU和第一个DRAM的设计和制造。有些技术是在仙童公司完成的，有些是在四相系统公司完成的。”

博伊塞尔显然对微码很了解。

演示系统的程序计数器在哪里?它没有出现在AL1方框图中，我认为它不在AL1芯片上。我想一定是在别的地方。在这里，我大胆地说，我认为程序计数器必须位于标记为“ROM”的灰色塑料盒中。

指令解码器在哪里?它也不在AL1方框图中。我无法证明这一点，但我认为Boysel用来为Demo系统生成软件的汇编程序一定直接为ROM生成了微码。当位片处理器设计流行时，微码汇编程序曾经更加普遍。那是20世纪80年代，就在Boysel做这个演示之前。我认为Demo的灰色塑料“ROM”卡带中的ROM包含微码，本质上是预先解码的指令。

请不要误会。使用微码解码微处理器指令是完全合法的。许多非常成功的微处理器都使用基于微码的指令解码器。例如，摩托罗拉68000微处理器使用多个微码级别来解码机器指令。但如果微码是芯片外的，那么这个芯片就不可能是单芯片微处理器，用我的定义。

Ken Shirriff在他的博客中证实了我的怀疑。德州仪器TMX 1795:(几乎)第一个被遗忘的微处理器(谢里夫的博客是2016年写的，所以我很乐意承认，他早在我之前就得出了同样的结论。)通过阅读他的网站，我可以看到Shirriff显然是一位经验丰富的计算机历史学家和逆向工程芯片专家。给他一张骰子照片，他就能告诉你骰子上有什么。

Shirriff分析了TI/Dell诉讼期间提交的AL1芯片缩微照片，并发现了另一个惊喜。图中所示的“AL1指令寄存器”实际上并不存在于硅中。在寄存器应该驻留的芯片上只有导线，这进一步证实了AL1缺乏指令寄存器。这是完全合理的。根据上面的方框图，进出AL1的唯一方法是通过“AL1指令寄存器”。这意味着AL1的ALU部分的数据必须通过所谓的指令寄存器进出芯片。然而，指令寄存器从来不是双向的。电线当然是。我的结论是，演示系统中的ROM卡带将微码驱动到ALU，并直接通过带状电缆注册文件。

这些分析都没有贬低博伊塞尔的许多成就。AL1芯片组无疑提高了计算机的最先进水平。博伊塞尔在演讲中称，Four-Phase领先竞争对手三年。这可能是相当准确的。

我强烈推荐大家观看Boysel 2016年的精彩演讲。本演示的最后一部分涉及四相微处理器中使用的AL1和相关芯片。Boysel在他的演讲中说，英特尔4004无疑是第一个商用微处理器。这是因为Four-Phase公司出售的处理器芯片都是装在电路板上的，并被打包成完整的计算机系统。处理器本身是非卖品。博伊塞尔拒绝将如此有价值的技术卖给竞争对手。

“微处理器不是凭空冒出来的，”博伊塞尔在演讲中说。当然，他是对的。博伊塞尔还说，TI的专家证人在发现AL1 Demo系统后就收起了帐篷，不愿出庭作证。

情况下关闭。

博伊塞尔是否敏锐到足以召唤出我所怀疑的那种宏大的技术幻象?他有足够的动机去做那件事吗?李·博伊塞尔于2021年4月25日去世。所以我不能直接问他。然而，下面是他的一段话讣告在旧金山纪事报：

“这些年来，用牛子的话来说，确保这项技术掌握在‘John Q Public’手中，是他最自豪的，也是他最怀念的。(他的朋友们叫他“牛子”。)

我建议你先看视频，然后自己决定。我知道如何投票。毫无疑问，Boysel在微处理器领域并没有得到应有的赞誉。

现在，请感谢并原谅陪审团。

注:非常感谢我的朋友Brian Berg激励我进行研究并写这篇文章。他问的问题恰到好处，有时是故意的。

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