Rozwój technologii układów scalonych doprowadził na początku lat 70-tych XX wieku do powstania mikroprocesora, czyli układu scalonego, który wewnątrz zawierał wszystkie podstawowe składniki procesora. Pierwszy mikroprocesor otrzymał nazwę Intel 4004, Jego twórcą był Federico Faggin. Układ Intel 4004 był procesorem 4-ro bitowym, tzn. przetwarzał informację w porcjach 4-ro bitowych. Zaprojektowany został do użytku w kalkulatorach programowanych japońskiej firmy Busicom, jednakże, jako układ programowalny, mógł być wykorzystywany również do innych celów. Firma Intel zajmowała się w tym czasie głównie produkcją pamięci scalonych. Z uwagi na ograniczenia technologiczne, mikroprocesor Intel 4004 został umieszczony w 16-to nóżkowej obudowie (zdjęcie po lewej). Takie rozwiązanie spowodowało, że magistrala adresowa i magistrala danych musiały być multipleksowane (tzn. podłączone do tych samych wyprowadzeń układu, które raz pełniły funkcje magistrali adresowej, a raz magistrali danych). Wymagało to stosowania dodatkowych układów zewnętrznych, które ściśle współpracowały z mikroprocesorem Intel 4004. Układy te sprzedawano pod nazwą handlową MSC-4 od listopada 1971. Więcej na ten temat znajdziesz tutaj.

Firma Intel nie była jedyną, która zajmowała się badaniami nad mikroprocesorem. Z konkurentów w owym czasie należy również wymienić firmy Texas Instrument oraz Rockwell International, które pracowały nad własnymi rozwiązaniami. Firmie Intel po prostu udało się wcześniej ukończyć badania i wprowadzić do produkcji swoje rozwiązanie.

Mniej więcej w tym samym czasie, gdy był opracowywany Intel 4004, inżynierowie Intela pracowali nad nowym układem, który ostatecznie otrzymał oznaczenie Intel 8008. Zawierał on około 3500 tranzystorów, posiadał 18-nóżkową obudowę, zegar 500 kHz, 8-bitową magistralę danych, 14-bitową magistralę adresową (pamięć do 16KB), 8-bitowy akumulator oraz sześć 8-bitowych rejestrów ogólnego przeznaczenia. Mikroprocesor potrafił wykonywać operacje arytmetyczne i logiczne oraz reagował na przerwania. Przerwanie jest w działaniu podobne do wywołania podprogramu, Różnica polega na tym, iż wywołanie to nie następuje w wyniku wykonania instrukcji, lecz jako reakcja na otrzymanie sygnału przerwania na magistrali sterującej. W takim przypadku mikroprocesor przerywa wykonywanie bieżącego programu, zapamiętuje na stosie stan licznika programu PC i dokonuje skoku pod pewien ustalony adres, gdzie znajduje się odpowiednia procedura obsługi przerwania. Po jej wykonaniu, następuje odtworzenie ze stosu rejestru PC i kontynuowanie wykonywania programu głównego. Przerwania są bardzo wygodną cechą mikroprocesorów. Umożliwiają one bieżącą obsługę różnych urządzeń bez ciągłego ich monitorowania. Jeśli zaistnieje potrzeba obsługi takiego urządzenia, to generuje ono przerwanie, a mikroprocesor zajmuje się jego obsługą.

W dalszej kolejności powstały mikroprocesory Intel 8080, MOS 6502 oraz Z80. Były to mikroprocesory 8-bitowe (Z80 posiadał wiele cech mikroprocesorów 16-bitowych, np. operacje arytmetyczne), magistrala adresowa 16-bitowa pozwalała im na adresowanie do 64KB pamięci zewnętrznej. Częstotliwość taktowania tych procesorów była odpowiednio: 8080 - 1MHz / 2MHz, Z80 - 2Mhz / 4Mhz / 6MHz (dzisiaj > 20MHz), 6502 - 1..2MHz. Więcej tutaj.

Ciekawym rozwiązaniem był układ 6502 (stosowany później w popularnych komputerach lat 80-tych: Commodore 64 i Atari XL/XE). Otóż w układzie tym nie było osobnego trybu komunikacji z urządzeniami we/wy. Rejestry tych urządzeń zajmowały pewien obszar w przestrzeni adresowej mikroprocesora. Komunikacja odbywała się zatem tak samo jak z pamięcią zewnętrzną. Takie rozwiązanie pozwala przetwarzać dane z rejestrów we/wy na równi z danymi z pamięci. Mikroprocesor Intel 8080 odniósł bardzo duży sukces rynkowy i był przez wiele lat produkowany w wielu różnych krajach - nawet w PRL-owskiej Polsce pod nazwą MCY7880 w firmie CEMI. Z kolei układ Z80 okazał się najlepszym mikroprocesorem 8-bitowym i jest on produkowany do dzisiaj - oczywiście w nowej wersji.

Pierwszy mikroprocesor 16-bitowy pojawił się w roku 1973. Był to układ IMP-16 firmy National Semiconductor. Firma Intel wyprodukowała swój pierwszy mikroprocesor 16-bitowy Intel 8086 w 1978 roku. Układ zawierał 29 tysięcy tranzystorów, był taktowany zegarem 4,77MHz i pozwalał na adresowanie 1MB pamięci zewnętrznej. Popularność tego układu, będącego następcą wcześniejszych Intel 8008 i Intel 8080/8085, wzrosła po zastosowaniu go w komputerach osobistych IBM XT (właściwie w tych pierwszych komputerach IBM zastosowano okrojoną wersję Intel 8088, która wewnętrznie była taka sama jak Intel 8086, lecz zewnętrznie posiadała 8-bitową magistralę danych, co wpływało znacząco na szybkość pracy tego mikroprocesora).

W roku 1979 firma Motorola wypuszcza 32-bitowy mikroprocesor MC68000, który w tamtym czasie był najbardziej wydajnym procesorem na świecie. Układ potrafił adresować ciągły obszar pamięci do 16MB (procesor Intel 8086 mógł adresować jedynie segmenty o rozmiarze do 64KB w obrębie swojej pamięci 1MB), posiadał 8 rejestrów danych oraz osiem rejestrów adresowych. Wewnętrznie był układem w pełni 32-bitowym. Zewnętrznie posługiwał się magistralą 16-bitową. Zawierał 68 tysięcy tranzystorów, stąd wzięła się jego nazwa. Mikroprocesory MC68k zastosowano w kultowych komputerach Commodore Amiga oraz Apple Mcintosh, które spotykamy do dziś (w unowocześnionych wersjach oczywiście).

W 1982 firma Intel zaprezentowała 16-bitowy mikroprocesor Intel 80286, taktowany zegarem 6 MHz. Układ zawierał wewnątrz 134 tysięcy tranzystorów, posiadał tryb chroniony i mógł adresować do 16MB pamięci zewnętrznej, jednak nadal w segmentach 64KB. Na tym procesorze można było realizować wielozadaniowość, czyli jednoczesne uruchamianie wielu aplikacji. Polega to na tym, iż każda aplikacja wykonuje swój kod przez pewien okres czasu, po czym następuje przerwanie i procesor przejmuje kolejna aplikacja. Przy przerwaniu stan każdej aplikacji jest zapamiętywany i odtwarzany przy powrocie do niej procesora. W ten sposób wykonywany program "nie zauważa", że został chwilowo zawieszony. Ponieważ proces ten odbywa się cyklicznie z dużą częstotliwością, użytkownik odnosi wrażenia, że naraz w komputerze działa kilka programów. Oczywiście w danej chwili zawsze działa tylko jeden program. Pełną wielozadaniowość można osiągnąć tylko na komputerach wieloprocesorowych. Mikroprocesory Intel 80286 stosowane były w komputerach IBM AT

W roku 1984 firma Motorola wypuszcza mikroprocesor MC68020 z przetwarzaniem potokowym - polega to na tym, iż w trakcie wykonywania instrukcji pobierane są następne instrukcje i dekodowane. Zatem procesor równolegle (potokowo) wykonuje wiele zadań, co znacząco przyspiesza jego działanie. MC68020 posiada już w pełni 32-bitowe szyny adresową i danych. W instrukcjach dzielenia i mnożenia można w nim stosować dane 64-bitowe. Posiada 256 bajtową pamięć podręczną (ang. cache memory). Mikroprocesor był stosowany głównie w nowszych modelach komputerów Amiga oraz Apple Macintosh.

W 1985 Intel przedstawia 32-bitowy procesor 80386, taktowany zegarem 16 MHz, zawierający wewnątrz 275.000 tranzystorów. Ten układ posiada 32-bitowe magistrale adresową i danych. Przestrzeń adresowa to 4GB. Rejestry segmentowe są już 32 bitowe, co pozwala stosować liniowe obszary adresowania do 4GB. Stosowany w komputerach IBM PS/2 model 70 i 80.

W roku 1989 firma Intel wprowadza na rynek nowy procesor Intel 80486. Częstotliwość taktowania dochodziła do 50MHz. Układ był usprawnioną wersją poprzedniego mikroprocesora Intel 80836 i przy tym samym zegarze pracował około dwa razy szybciej. Mikroprocesory Intel 80486 były produkowane również przez takie firmy jak AMD i Texas Instrument (częstotliwości taktowania mogły przekraczać 100MHz).

W roku 1990 Motorola wprowadza na rynki mikroprocesor MC68040, który zawiera w środku ponad 1,2 miliona tranzystorów. Procesor taktowany jest zegarem 25MHz. Staje się on sercem komputerów Amiga 4000, które wykorzystuje się w niektórych produkcjach filmowych do tworzenia efektów 2D. Więcej informacji na temat tego ciekawego komputera znajdziesz w Wikipedii.

Od roku 1994 rozpoczyna się era mikroprocesorów Pentium. Wprowadzają one nową jakość do przetwarzania danych na komputerach osobistych. Od tego momentu nowe mikroprocesory są wprowadzane na rynek podzespołów co kilka miesięcy, częstotliwości taktowania systematycznie rosną, przekraczając magiczny próg 1GHz. Podstawowe nowości w procesorach Pentium obejmują:

• Architektura superskalarna – analizując programy w języku maszynowym, można dojść do wniosku, iż pewne rozkazy mogą być wykonywane niezależnie od siebie. Np. Załóżmy, że mamy wprowadzić do rejestru EAX liczbę 10, a do rejestru EBX zawartość rejestru ECX. Rozkazy te są niezależne, tzn. nie ma znaczenia, czy najpierw będzie wykonany pierwszy, czy drugi z nich. Procesor Pentium w takich przypadkach potrafi wykonać jednocześnie oba. Powoduje to wzrost szybkości działania w stosunku do procesora 80486 przy tej samej częstotliwości taktowania - tak naprawdę procesor Pentium to jakby dwa procesory 80486, które korzystają ze wspólnych rejestrów i magistral i wykonują ten sam program.
• 64-bitowa szyna danych. Wszystkie główne rejestry pozostały 32-bitowe, ale podwojeniu uległa ilość informacji pobieranej z pamięci.
• Zestaw instrukcji MMX, które przyspieszają obsługę aplikacji multimedialnych - odtwarzanie filmów i dźwięku.
• Rozdzielenie pamięci podręcznej (ang. cache memory) na pamięć podręczną instrukcji i danych oraz podwojenie jej wielkości (2x8kB i 2x16kB w wersji MMX).
• Bufory zapisu, które zwiększają prędkość współpracy z pamięcią cache i magistralą (podwojone w wersji MMX).
• Przewidywanie rozgałęzień w programie (do 90% skuteczności). Opcja ta pozwala efektywnie zapełniać kolejkę rozkazową, która bez niej musiała być czyszczona po wykonaniu skoku, ponieważ rozkazy były pobierane z nowego miejsca w pamięci. Dzięki przewidywaniu skoku, kolejka może być zapełniana rozkazami z właściwego miejsca w pamięci jeszcze przed wykonaniem skoku, co zwiększa szybkość działania procesora.
• Wyższa częstotliwość taktowania szyny (początkowo 60 i 66MHz).
• Przeprojektowany koprocesor arytmetyczny (5-6 razy wydajniejszy niż w i486).
• Możliwość pracy w systemach wieloprocesorowych

Pełną chronologię tych wydarzeń możesz zobaczyć tutaj.