TMS 1000¶

TMS 1000 — это семейство однокристальных 4-битных микроконтроллеров (микрокомпьютеров), разработанное и выпускавшееся компанией Texas Instruments (США) с 1974 года. TMS 1000 стал одним из первых в мире серийно производимых однокристальных микроконтроллеров, объединив на одном кристалле процессор, память программ (ПЗУ), память данных (ОЗУ) и порты ввода-вывода. Он был ориентирован на массовое применение в бытовой электронике, калькуляторах, игрушках и промышленных устройствах, где требовалась невысокая производительность и минимальная стоимость.

¶История

¶Предпосылки создания

В начале 1970-х годов развитие микроэлектроники привело к появлению первых микропроцессоров (Intel 4004, 1971) и микроконтроллеров. Компания Texas Instruments, имевшая сильные позиции в области полупроводниковых технологий (интегральные схемы, транзисторы), стремилась занять место на быстрорастущем рынке программируемых вычислителей. В 1972 году инженеры TI начали разработку недорогого чипа, который мог бы заменить десятки логических элементов в простых устройствах.

¶Разработка и выпуск

Проект TMS 1000 возглавил инженер Гэри Бун (Gary Boone). Первые образцы были представлены в 1974 году, а серийное производство началось в 1975 году. Технически TMS 1000 представлял собой эволюцию более раннего чипа TMS 1802NC (1972), который использовался в калькуляторах. В отличие от Intel 4004, который требовал внешних микросхем памяти и ввода-вывода, TMS 1000 содержал всё необходимое на одном кристалле, что резко упрощало разработку конечных устройств.

¶Коммерческий успех

TMS 1000 стал одним из самых массовых микроконтроллеров своего времени. Он применялся в сотнях миллионов устройств, включая:

• Калькуляторы (например, TI-1200, TI-2500 DataMath).
• Электронные игры (Speak & Spell, 1978 — один из самых известных продуктов на TMS 1000, который также использовал речевой синтезатор TMS5200).
• Бытовая техника (микроволновые печи, стиральные машины, таймеры).
• Промышленные контроллеры (простые системы управления, датчики).
• Игрушки (роботы, говорящие куклы).

Производство TMS 1000 продолжалось до середины 1980-х годов, пока его не вытеснили более мощные 8-битные микроконтроллеры (например, Intel 8051, Motorola 6805). Однако отдельные модификации (TMS 1000C, TMS 1100) выпускались вплоть до начала 1990-х.

¶Архитектура и технические характеристики

TMS 1000 был построен на 4-битной гарвардской архитектуре (раздельная память программ и данных). Основные характеристики базовой модели TMS 1000:

¶Процессор

• Разрядность данных: 4 бита.
• Тактовая частота: от 200 кГц до 400 кГц (в зависимости от версии).
• Набор команд: 43 инструкции (в основном одно- и двухсловные, длиной 8 бит).
• Регистры: аккумулятор (4 бита), регистр статуса (4 бита), счётчик команд (6 бит).

¶Память

• ПЗУ (ROM): 1 Кбайт (1024 × 8 бит) — хранил программу и константы. ПЗУ было масочным (программировалось при изготовлении кристалла), что делало чип дешёвым для массового производства, но требовало заказа партии с фиксированной прошивкой.
• ОЗУ (RAM): 64 × 4 бита (256 бит) — хранил промежуточные данные. ОЗУ было статическим (SRAM).

¶Ввод-вывод

• Встроенные порты: 4 линии ввода (K-порт), 8 линий вывода (R-порт), 4 линии двунаправленного ввода-вывода (O-порт). Общее количество выводов: 28 (корпус DIP-28).
• Возможность прямого управления светодиодами, сегментными индикаторами, клавиатурами.

¶Энергопотребление

• Напряжение питания: 15 В (для базовой модели TMS 1000NL) или 5 В (для TMS 1000C).
• Потребляемый ток: около 10–50 мА в зависимости от нагрузки.

¶Технология изготовления

• Техпроцесс: PMOS (p-канальный металл-оксид-полупроводник) для ранних версий; NMOS (n-канальный) для более поздних (TMS 1000C).
• Размер кристалла: около 5 × 5 мм.

¶Модификации и семейство

Семейство TMS 1000 включало несколько моделей, различавшихся объёмом памяти, тактовой частотой и напряжением питания:

Также выпускались версии с расширенным набором команд (TMS 1070) и специализированные варианты для калькуляторов (TMS 1800, TMS 2000).

¶Программирование и инструменты

¶Язык программирования

Программы для TMS 1000 писались на ассемблере (язык низкого уровня). Каждая инструкция занимала 8 бит (один байт ПЗУ). Типичные команды: загрузка аккумулятора, сложение, вычитание, условный переход, вывод на порт.

¶Средства разработки

• Симуляторы: Texas Instruments поставляла ПО для отладки на миникомпьютерах (например, TI-990).
• Программаторы: для прототипирования использовались версии с ультрафиолетовым стиранием (EPROM) — TMS 1000 с кварцевым окном, но они были редки.
• Эмуляторы: существовали аппаратные эмуляторы (например, на базе TMS 9900), подключаемые к целевой плате.

¶Пример кода

Простая программа на ассемблере TMS 1000 для включения светодиода на выводе R0:

`` LDP 0 ; загрузить страницу ОЗУ 0 LDX 0 ; загрузить индекс 0 LDA 1 ; загрузить аккумулятор с константой 1 R0 ; записать аккумулятор в порт R0 HALT ; останов ``

¶Применение

¶Калькуляторы

TMS 1000 был основой для многих моделей калькуляторов Texas Instruments (серии TI-1200, TI-2500, TI-30). Он обеспечивал выполнение четырёх арифметических операций, работу с памятью и отображение на семисегментных индикаторах.

¶Электронные игры и игрушки

Самое известное применение — Speak & Spell (1978), обучающая игрушка с речевым синтезом. TMS 1000 управлял вводом с клавиатуры, отображением на дисплее и синтезатором TMS5200. Другие примеры: электронные шахматы (например, TI-99/4A), игры «Крестики-нолики», «Морской бой».

¶Промышленность

TMS 1000 использовался в простых контроллерах для управления двигателями, освещением, таймерами, датчиками температуры. Благодаря низкой цене (около 1–2 долларов в 1970-х) он был популярен в массовых изделиях.

¶Бытовая техника

Микроволновые печи, стиральные машины, кофеварки — TMS 1000 управлял циклами работы, отображением времени и звуковыми сигналами.

¶Значение и наследие

TMS 1000 считается одним из пионеров микроконтроллерной индустрии. Его архитектура (4-битное ядро, гарвардская память, встроенные порты) стала шаблоном для многих последующих микроконтроллеров (например, Intel 8048, Motorola 6805). Он продемонстрировал, что однокристальный компьютер может быть дешёвым и массовым, что открыло путь к «умным» устройствам в быту.

В 1990-х годах TMS 1000 был вытеснен более мощными 8-битными и 16-битными микроконтроллерами, однако его влияние сохраняется в современных встраиваемых системах. Многие ретро-энтузиасты до сих пор восстанавливают и программируют устройства на TMS 1000, а его документация доступна в архивах Texas Instruments.

¶Интересные факты

• TMS 1000 был запатентован в США (патент № 4,074,351, 1978 год) как «микрокомпьютер на одном кристалле».
• В 1974 году компания Texas Instruments подала иск против Intel, утверждая, что Intel 4004 нарушал патент TMS 1000. Спор был урегулирован лицензионным соглашением.
• В Speak & Spell использовался TMS 1000 вместе с речевым синтезатором TMS5200, что сделало его одной из первых говорящих игрушек.
• Некоторые версии TMS 1000 имели встроенный тактовый генератор (RC-цепь), что устраняло необходимость во внешнем кварцевом резонаторе.

¶Критика

Основным недостатком TMS 1000 была его низкая производительность (4-битное ядро, тактовая частота до 400 кГц) и малый объём памяти (1 Кбайт ПЗУ, 64 × 4 бит ОЗУ). Это ограничивало его применение только простыми задачами. Кроме того, масочное ПЗУ делало невозможным обновление прошивки без замены микросхемы, что было неудобно для прототипирования. Поздние версии с EPROM (TMS 1000 с окном) были дороги и редки.

¶Источники

• Texas Instruments. TMS 1000 Microcomputer Data Manual. 1975.
• Texas Instruments. TMS 1000 Series Microcomputer Application Notes. 1978.
• Gary Boone. Single-Chip Microcomputer. US Patent 4,074,351, 1978.
• Электронный музей Texas Instruments (TI Retro Computing).
• Статьи в журналах Electronics (1974–1976) и Byte (1978).