De Motorola 6809 is een 8-bit microprocessor afgeleid van de Motorola 6800 en de MOS Technology 6502, maar met enkele 16-bit eigenschappen en enkele duidelijke en innovatieve verbeteringen, zoals een relatieve adresseerbaarheid: de mogelijkheid om een programma op iedere plek in het geheugen te draaien, in plaats van alleen vanaf de geheugenlocatie waar het programma oorspronkelijk voor was geschreven.
De 6809 was op veel manieren een snellere versie van de 6800 en 6502, maar had intern nog steeds de 8-bits adresbus, ook al was deze naar de buitenkant in 16-bits gebracht. Een jaar na de introductie van de 6809 zou Motorola de 68000 familie van processoren op de markt brengen, die een echte interne 16-bits adresbus hadden en een veel uitgebreidere instructieset. Maar hoewel de glorietijd van de 6809 dus niet lang is geweest, heeft de 6809 toch een lange levensduur gekend. Hij werd onder andere toegepast in de Vectrex game console, de TRS-80 Color Computer en de Dragon 32 home computer.
Omdat Motorola weinig interesse meer had in de 6809 toen het zelf met de 68000 processoren op de markt kwam, ging Hitachi de processor vanaf 1978 onder eigen naam en label produceren. De 6303 was een directe kloon van de 6809 die in drie verpakkingen werd geproduceerd: de DP-64 dual-in-line package, de FP-80 surface mount en de CP-68 chipvoet surface mount. In de FP-80 verpakking kwam de 6303 onder meer voor in de Psion Organiser II.
Als je in 1974 over “met plastic betalen” sprak, bedoelde je betalen met een magneetstrip. Zo’n magneetstrip was foutgevoelig, gemakkelijk te kopiëren en erg kwetsbaar. Niet heel modern ook. Roland Moreno bedacht dat er met een kleine microcontroller veel meer mogelijk was en kwam in 1974 met de chipkaart, die ook wel ‘smart card’ werd genoemd. Deze kaart was voorzien van een chip met software erop. De stroomvoorziening werd door de lezer van de chipkaart verzorgd.
Het prototype van de chipkaart bestond uit een printplaat ter grootte van een bankpas met daarop een verzonken gemonteerd programmeerbaar ROM-geheugen van 2 kilobit, voorzien van een kaartrandaansluiting. Daar was nog niks slims aan: het was letterlijk een geheugenkaartje. Al snel kwam hij echter op het idee om een microcontroller te gebruiken, zodat er versleutelde gegevensuitwisseling mogelijk werd. Twee Duitse uitvinders, Jürgen Dethloff and Helmut Gröttrup, hadden in 1969 al eens een plastic kaartje met een elektronisch circuit bedacht, maar het was Moreno die het patent van de chipkaart in Frankrijk op 25 maart 1974 op zijn naam wist te zetten.
De chipkaart werd ontworpen als chip-in-plastic, elektrisch verbonden met een kaartlezer middels goudkleurige sleepcontacten. Moreno’s chipkaart wordt gezien als een contactvoerende chipkaart, waarbij de communicatie tussen chip en lezer, en de voeding van de chip in de kaart, met een galvanische verbinding plaatsvindt. Een modernere variant is de contactloze chipkaart, waarbij de communicatie (en voeding) tussen chip en lezer draadloos plaatsvindt.
De eerste toepassing van de chipkaarten was het gebruik als telefoonkaart, een betaalmiddel voor openbare telefooncellen. Deze kaarten werden vanaf 1990 door Schlumberger in licentie geproduceerd voor France Telecom en het Zweedse Telia. Schlumberger speelde hierna een grote rol bij het produceren van de SIM kaarten die later voor GSM telefoons zouden worden gebruikt. Een andere wereldwijde toepassing waren bankpassen.
Bankpassen maakten voor de uitvinding van de chipkaart nog gebruik van magneetstrips maar schakelden later massaal over naar chipkaarttechnologie.
De TMS1000 is een familie van microcontrollers die door Texas Instruments in 1974 op de markt werden gebracht. In de TMS1000 werd een 4-bit microprocessor gecombineerd met ROM, RAM en I/O lijnen die een complete computer op een chip vormden. En hoewel Intel met het uitbrengen van de 4004 in 1971 de eerste microprocessor op de markt bracht, is het patent voor de microprocessor, en later voor de microcontroller, aan Texas Instruments toegekend. De TMS1000 was in grote hoeveelheden voor een lage prijs beschikbaar. In 1974 kostte een TMS1000 ongeveer 2 dollar en in 1979 werden er 26 miljoen exemplaren per jaar van dit onderdeel verkocht. De TMS1000 werd door Texas Instruments in haar eigen Speak & Spell en rekenmachines gebruikt, maar verder kwam je de TMS1000 werkelijk overal tegen: van speelgoed tot magnetrons. De ingebouwde ROM kon niet worden hergeprogrammeerd, zodat de TMS1000 uitsluitend voorgeprogrammeerd werd geleverd aan producenten die hun producten van een microcontroller wilden voorzien.
De TMS1000 familie bestond uit tientallen varianten en daarmee typenummers. Elke variant had een eigen hoeveelheid ROM, RAM, I/O-lijnen of specifieke chipbehuizing. Omdat er gebruik werd gemaakt van mask programmable ROM, het soort readonly geheugen dat alleen door de fabrikant kan worden geprogrammeerd, werd een lid van de TMS1000-familie voorzien van een MP-nummer, waarmee de precieze ROM-vulling voor een afnemer werd aangeduid. De TMS1000 uit de Milton Bradley Simon had bijvoorbeeld het nummer MP3226. De in de Texas Instruments Speak & Spell gebruikte TMS1000 heette de TMC0271N2L. Hiernaast produceerde TI verschillende TMS1000 met een eigen toepassing, zoals de TMS1117 voor een magnetron en de TMS1121 voor een digitale klok.
De RCA (Radio Corporation of America) CDP1802 is een 40-pins, 8-bits CMS microprocessor die aan het begin van 1976 op de markt werd gebracht. Een microprocessor bevat alle functies van een processor (accumulator, programmateller, statusregister, stackpointer en arithmetic logic unit) in een enkele chipbehuizing. Bijzondere van deze microprocessor is de COSMAC architectuur, afwijkend van de meeste andere 8-bit microprocessoren van die tijd. Ook het gebruik in de vroege ruimtevaart is kenmerkend.
Het meeste ontwikkelwerk voorafgaande aan de CDP1802 microprocessor werd door Joseph Weisbecker uitgevoerd, die in 1976 ook een goedkope zelfbouw single board computer met een RCA CDP1802 in het maandblad Popular Electronics zou publiceren. Ook de latere COMX-35 homecomputer zou, als één van de weinige home computers werken met een CDP1802.
Ceramische CDP1802
1802 die
Door de CMOS basis van de microprocessor was het mogelijk om de kloksnelheid te variëren, tot 0 Hz als dat nodig was, een effectieve manier om het stroomverbruik tot bijna 0 terug te schroeven. Hierdoor, en het feit dat het productieproces de microprocessor resistent maakte tegen straling en temperatuurwisselingen, werd de CDP1802 als microprocessor in de vroege ruimtevaart toegepast, zoals in het Galileo ruimtevaartuig en de Hubble telescoop.
Memorabele toepassingen
DMSP (meteorologische, oceanografisch en aarde-zon metingen voor de Amerikaanse Department of Defense) (1973)
UoSAT-1 (ook UO-9 of UoSAT-OSCAR 9, communicatiesatelliet voor amateur radioverkeer) (1981)
UoSAT-2 (ook UO-11 of OSCAR-11, communicatiesatelliet voor amateur radioverkeer) (1984)
De Motorola 68HC11 is een 8-bit microcontroller die in 1985 op de markt kwam. De 68HC11 is afgeleid van de Motorola 6800 microprocessor en wordt breed toegepast in de automobielindustrie, barcode lezers, mobiele robots en een groot scala van andere microcontroller-toepassingen.
De 68HC11 microcontroller was een tijdje het lievelingetje van Elektor, het internationale elektronicatijdschrift.
Naast, of misschien zelfs nog wel meer dan, de Zilog Z80 is de MOS Technology 6502 microprocessor bepalend geweest voor de ontwikkeling en evolutie van computers zoals we die vandaag kennen. Een microprocessor bevat alle functies van een processor (accumulator, programmateller, statusregister, stackpointer en arithmetic logic unit) in een enkele chipbehuizing. Een lange lijst van home computers, maar ook randapparatuur en spelconsoles, werden ontworpen en geproduceerd met een 6502 als kloppend hart.
De 6502 werd ontworpen door een klein team van chipontwerpers die daarvoor bij Motorola aan de 6800 microprocessor hadden gewerkt. Hoewel er inhoudelijke verschillen zijn, lijken de chipontwerpen van beide microprocessoren veel op elkaar. Een rechtszaak met Motorola kon dan ook niet uitblijven, maar werd onderling geschikt; mogelijk omdat enkele van de patenten op de 6800 bij ontwerpers van de 6502 lagen.
MOS Technology 6502
6502 die
Een single board computer, de KIM-1, werd door MOS Technology ontworpen en geproduceerd om hobbyisten de mogelijkheid te geven om met de 6502 bekend te raken. Dit bleek een populair product, evenals de Apple I, die in 1976 werd geïntroduceerd. De 6502 werd vervolgens gebruikt in de Commodore PET en de Apple II, die beide in 1977 het licht zagen. In dat jaar en de jaren erop werd de 6502 gebruikt in home computers en game consoles van onder andere Atari (2600, XL, 400/800), Commodore (VIC-20, 64) en Nintendo (NES).
MOS Technology werd in de begindagen vrij snel overgenomen door Commodore omdat ‘moederbedrijf’ Motorola met verschillende rechtszaken dreigde en voldoende grond had om die te winnen.
De Intel 4004 is de eerste processor die volledig op één chip is gebouwd. Intel lanceerde deze in 1971 en noemde het een microprocessor, om onderscheid te maken met eerdere processoren waarvan de onderdelen in verschillende chipbehuizingen (of systeemdelen) waren ondergebracht. Maar hoewel Intel de eerste was die een microprocessor op de markt bracht, ligt het patent bij Texas Instruments, die het ontwerp voor de TMS1000 eerder had gemaakt maar deze toen nog niet op de markt had gebracht.
De 4004 is een 4-bits-processor. Hij kan maar met 4 bits tegelijk bewerkingen doen. Bewerkingen met getallen van 16 (24) of groter moet hij in meerdere stappen doen. Het tientallig (BCD) rekenen verraadt waar hij oorspronkelijk voor ontwikkeld is: voor kantoorrekenmachine.
De 4004 heeft 2300 transistors. Zoveel waren er in die tijd nog nooit op één chip geplaatst. De 4004 heeft een instructieset van 46 instructies, 41 van 8 bits en 5 van 16 bits, en hij heeft een maximale kloksnelheid van 740 kHz.
Intel ontwikkelde in 1969 vier chips voor een rekenmachine van een Japanse klant; de chipfamilie bestond uit de 4004 microprocessor, passende ROM- en RAM-chips en een I/O chip. In 1971 werden de rechten van het ontwerp teruggekocht en bracht Intel de vier chips onder eigen naam op de markt, vergezeld van een postercampagne getiteld “Announcing a new era of integrated electronics”.
De Intel 8080 was een 8-bits microprocessor ontworpen en gefabriceerd door Intel vanaf april 1974. Een microprocessor bevat alle functies van een processor (accumulator, programmateller, statusregister, stackpointer en arithmetic logic unit) in een enkele chipbehuizing. De 8080 werd gebruikt de MITS Altair 8800 en de IMSAI 8080, waarmee de basis gelegd werd voor machines met het CP/M-besturingssysteem. De grootste concurrent in die tijd was de 6502 van MOS Technology. De ontwerpers van de processors begonnen na een verschil van mening met Intel hun eigen fabriek en brachten de kloon Z80 op de markt. Die processor is veel uitgebreider maar verder volledig compatibel met de 8080 en bracht een microcomputer revolutie teweeg.
Twee jaar nadat Zilog de markt voor microprocessoren van Intel had afgesnoept met de Z80 kwam Intel met een geheel nieuwe microprocessor, de Intel 8086. Een microprocessor bevat alle functies van een processor (accumulator, programmateller, statusregister, stackpointer en arithmetic logic unit) in een enkele chipbehuizing. Mogelijk omdat de oorspronkelijke ontwerpers van de 8080 nu Zilog hadden opgericht was de 8086 niet backwards compatible met de 8080. Belangrijk verschil met zijn voorganger was de 16-bits architectuur en 20-bits adresbus. Dit laatste maakte een groter geheugenbereiken tot 1MB mogelijk en daarmee aanzienlijk grotere programma’s en complexere user interfaces. Het nadeel was echter dat geen van de oude generatie interface chips kon worden hergebruikt. Intel bracht daarom vrij snel een 8088 uit, een 8086 met extern een 8-bits databus. Deze 8088 microcroprocessor werd door IBM in de eerste generatie IBM PC’s gebruikt.
“Kunnen wij ook en beter”, moet start-up Zilog gedacht hebben toen Intel met hun 8080 microprocessor op de markt kwam; de Zilog Z-80 (later als ‘Z80’ gespeld) uit 1976 was een kloon van compatible met de 8080 met extra registers en adresseringsmogelijkheden, voor een veel lagere prijs. Enkele jaren daarvoor had MOS Technology, opgericht door ontwerpers die bij Motorola de 6800 microprocessor hadden ontwikkeld, net de 6502 microprocessor uitgebracht. De Z80 was net als de 6502 een instant succes en het duurde tot ver na 1984 voordat Intel opnieuw marktleider werd met de Intel 8088. Wat volgde was het tijdperk van de single board computers zoals de Micro Professor, de Radio Shack TRS-80 model 1, home computers zoals de Sinclair ZX80, en een hele horde Z-80-gebaseerde MSX computers.
Een microprocessor bevat alle functies van een processor (accumulator, programmateller, statusregister, stackpointer en arithmetic logic unit) in een enkele chipbehuizing. Zilog werd opgericht door enkele van de Intel medewerkers die de Intel 4004 en 8080 microprocessors hadden ontworpen. Het is opvallend dat Intel nooit werk heeft gemaakt van hun weggelopen designers en dat de opvolger van de 8080, de Intel 8086, niet backwards compatible was.
De Z80 had een 8-bits architectuur met een 16-bits adresbus, hetgeen een maximum adresseerbaar geheugen van 64K mogelijk maakte. De Z80A-processor werd toegepast in de Tandy TRS-80 computer, de Sinclair ZX80, ZX81 en ZX Spectrum homecomputers, de MSX-homecomputers, de Amstrad CPC, de Philips P2000, de professionelere Exidy Sorcerer en veel CP/M-computers. Maar ook bijvoorbeeld in de dam- en schaakcomputers (Checker Challenger en Chess Challenger) van Fidelity. Tegenwoordig wordt de Z80 nog gebruikt in diverse apparaten, zoals taxameters en grafische rekenmachines, zoals de Texas Instruments TI-84 Plus.
De Motorola 6800 is een microprocessor die werd ontwikkeld door Motorola en vlak na Intel’s 8080 in 1974 op de markt werd gebracht. Een microprocessor bevat alle functies van een processor (accumulator, programmateller, statusregister, stackpointer en arithmetic logic unit) in een enkele chipbehuizing. Een kloon instructie-compatible versie van de 6800, de MOS Technology 6502, werd toegepast in veel game consoles en home computers zoals de Atari 2600, Atari 400/800, Apple II, Commodore VIC-20, Acorn Atom en Nintendo Entertainment System (NES).
De opvolger van de 6800, de Motorola 68000 die werd uitgebracht in 1979, werd toegepast in de Apple Macintosh en de Sinclair QL.
De afgelopen 50 jaar hebben toegezien op parallelle ontwikkelingen in computer architectuur, chipfabricatie en massaproductie. De microprocessor is hiervan een tekenend resultaat, dat voor het eerst in 1971 een commercieel succes werd door de introductie van de 4-bit 4004 van een toen nog klein en onbekend bedrijfje genaamd Intel. Veel bedrijven volgden Intel’s voorbeeld en tegen het eind van de jaren ’70 kon je uit een half dozijn microprocessoren kiezen. In die jaren explodeerde het aantal computergebruikers van een handvol ondernemende hobbyisten en technisch onderlegde ‘hackers’ naar miljoenen zakelijke, industriële, ambtelijke, educatieve en thuisgebruikers, die allemaal de beschikking hadden over relatief betaalbare computeroplossingen.
Gelijktijdig aan de microprocessor, gebruikmakend van dezelfde ontwikkelingen ontstond de microcontroller, met de TMS1000 van Texas Instruments als lichtend voorbeeld. Microcontrollers zijn voor het grote publiek veel minder als eindproduct bekend dan de veel vaker genoemde microprocessoren, hoewel termen als ‘Arduino‘ en ‘ESP32’ ook bij de gemiddelde consument bekend beginnen te raken. Het grote publiek is zich echter zeer bewust van het feit dat ‘iets’ verantwoordelijk is voor de slimmigheid in huishoudelijke apparaten zoals broodroosters, koffiemachines, televisies, ovens, wasmachines, koelkasten, elektrische tandenborstels en ontelbare andere ‘gadgets’.
Een microcontroller bestaat intern uit een microprocessor, werkgeheugen, programmaopslaggeheugen en I/O voorzieningen. Dit maakt het in veel opzichten een regelcomputer-in-een-chip, waarbij er slechts een externe voedingsspanning nodig is om een programma uit te voeren. De eerste microcontroller was de TMS1000 van Texas Instruments (1974), gevolgd door de 8048 van Intel (1977). Een opvolger van de 8048 was de 8051 (1980), met als speciale uitvoering de hier beschreven 8052AH-BASIC (1986).
Het grootste verschil tussen microprocessoren en microcontrollers is gelegen in hun toepassingsgebieden: waar de microprocessor bedoeld is voor generieke toepassingen is de microcontroller bedoeld voor besturingstoepassingen met minimale externe componenten. Zo heeft een microprocessor over het algemeen geen intern geheugen, terwijl een microcontroller dat wel heeft. Een microcontroller heeft veel meer bitvergelijkingsinstructies en overwegend een beperktere instructieset die vooral op snelheid is ingericht. Ook de mogelijkheden om met andere chips en direct met digitale en analoge elektronica te communiceren is bij een microcontroller meer uitgemeten dan bij een microprocessor.
De MCS-51 is een familie van microcontroller IC’s, ontwikkeld, geproduceerd en op de markt gebracht door Intel, gebaseerd op de archetype 8051. Andere IC-fabrikanten zoals Siemens, Advanced Micro Devices (AMD), Fujitsu en Philips zijn gelicentieerde fabriekanten van deze microcontrollers. De microcontrollers uit de MCS-51 familie zijn geoptimaliseerd voor besturingstoepassingen voor ondermeer de automobielindustrie met in de instructieset een verscheidenheid aan adresseringsmodi, handige 8-bits rekenkundige instructies, ínclusief instructies voor vermenigvuldigen en delen en ondersteuning voor één-bit variabelen met bijbehorende bitmanipulatiemogelijkheden.
In de tabel zijn enkele van de MCS-51 microcontrollers weergegeven met hierbij aangegeven de hoeveelheid interne geheugen. Het interne gebeugen ligt in hetzelfde adresbereik als het externe geheugen, wat de uitwisselbaarheid van de microcontrollers vergroot.
Configuraties in de MCS-51 familie van microcontrollers
Een speciale variant van de 8052AH, de 8052AH-BASIC, heeft een af-fabriek in het maskeerbaar ROM ondergebrachte drijvendekomma-BASIC genaamd MCS-BASIC, een terminalserver en een EPROM programmeercircuit voor de opslag van programma’s. Intel bracht deze 40-pins microcontroller in 1986 op de markt.
Intel 8052AH-BASIC, een 8052AH microcontroller uit de MCS-51 familie met firmware in maskeerbaar ROM
De 8052AH-BASIC was bij de introductie in 1986 om verschillende redenen bijzonder: het bevatte een eenvoudige terminalserver met een ingebouwde editor, zodat programma’s met een seriële terminal of terminalemulatieprogramma beheerd konden worden. Ook de ingebouwde MCS-51 BASIC maakte deze microcontroller speciaal. Nog niet eerder was er een besturingschip met een ingebouwde hogere programmeertaal beschikbaar geweest.
Elektuur kwam met het november 1987 nummer met het ontwerp van een microcontrollerboard gebaseerd op de 8052AH-BASIC, ongeveer rondom de tijd waarin ik zelf ook voor mijn studie met deze microcontroller bezig was. Het ontwerp was opgebouwd rondom een 8052AH-BASIC V1.1, twee 6264 RAM’s, een 2764 of 27128 EEPROM, wat bus logica, een programmeerspanning-beveiliging, RS232 niveau-aanpassing en een reset-schakelaar.
Schema van de 8052AH-BASIC V1.1 schakeling
De opgebouwde microcontroller was een dubbelzijdige, doorgemetaliseerde printplaat met afmetingen van 10×15 centimeter. Twee connectoren maakten I/O en busuitbreidingen mogelijk. Op de printplaat zaten, buiten de 8052AH-BASIC micocontroller, twee RAM-chips, een EPROM-voet en enkele logicachips. De seriële ansluiting voor een terminal of computer met terminalsoftware bestond uit een 5-polige DIN aansluiting, in die tijd bekend als audioconnector waarmee audioapparaten onderling konden worden verbonden. De toepassing hiervan was niet standaard (een 9-polige D-connector was hier toepasselijker geweest), zodat er een kabel op maat gemaakt moest worden. Twee leds en een schakelaar maakten het geheel af. De printplaat was voorzien van montagegaten zodat het eenvoudig in een behuizing kon worden ingebouwd, een en ander overgelaten aan de creatieve vaardigheden van de constructeur.
Elektuur’s 8052AH-BASIC board, voorzien van twee RAM IC’s en een EPROM voet
Na het aansluiten van een geschikte terminal aan de 5-pins DIN-aansluiting en het inschakelen van de voeding werd een prompt op de terminal getoond en kon een programma worden ingetoetst:
*MCS-51(tm) BASIC V1.1*
READY
>10 FOR I=1 TO 3
>20 PRINT I
>30 NEXT I
>RUN
1
2
3
READY
>
Op de prompt konden enkele commando’s worden gegeven: RUN, LIST, NEW, NULL, RAM, ROM, XFER, PROG, BAUD, CALL en variaties hierop. Met LIST (of LIST met een regelbereik) werd het programma (of een deel hiervan) naar de terminal teruggegeven. Een regel werd gecorrigeerd door deze opnieuw in te voeren.
De geplaatste EPROM kon vanuit de controller worden geprogrammeerd met het commando PROG en programma’s konden eenvoudig vanuit de EPROM worden opgestart met het commando ROM. Programma’s konden slechts met UV-licht uit de EPROM worden gewist:
>LIST
10 FOR I=1 TO 3
20 PRINT I
30 NEXT I
READY
>PROG
12
READY
>NEW
READY
>LIST
READY
>ROM 12
READY
>LIST
10 FOR I=1 TO 3
20 PRINT I
30 NEXT I
READY
>
