Il microprocessore (in sigla µP o uP, con particolare riferimento al chip hardware) è una tipologia particolare di processore; più precisamente è un circuito elettronico dedicato all'elaborazione di istruzioni, costituito da uno o più circuiti integrati «In informatica, dispositivo elettronico a semiconduttori realizzato, con la tecnologia dei circuiti integrati, in uno o più chip» e per questo di dimensioni molto ridotte (da qui il termine "micro" anteposto a "processore").
La tecnologia a microprocessore è attualmente quella più utilizzata per la realizzazione della CPU e della GPU (montate direttamente su una scheda madre) ed è impiegata dalla quasi totalità dei moderni computer, con la caratteristica di utilizzare, per tutte le sue elaborazioni, un insieme di istruzioni fondamentali di base (instruction set).
Storia I progetti ed i primi esemplari degli anni 1960
La costruzione dei microprocessori è stata resa possibile dall'avvento della tecnologia LSI (Large Scale Integration), a sua volta basata sulla Silicon Gate Technology sviluppata dall'italiano Federico Faggin alla Fairchild nel 1966: integrare una CPU (unità di elaborazione centrale) completa in un solo chip permise di ridurre significativamente i costi dei calcolatori. Dagli anni ottanta in poi i microprocessori sono diventati praticamente l'unica implementazione di CPU.
Dalla loro introduzione in poi, l'evoluzione del microprocessore ha seguito con buona approssimazione la legge di Moore, una legge esponenziale che prevede il raddoppio del numero di transistor integrabili sullo stesso chip (e quindi, nella visione di Moore, delle prestazioni) ogni 18 mesi. L'incremento prestazionale verificatosi dalla fine degli anni ottanta però è dovuto soprattutto al miglioramento dell'architettura dei calcolatori, attraverso l'adozione di tecnologie RISC, come l'uso di pipeline e di gerarchie di memorie cache.
Come altre innovazioni tecnologiche, il microprocessore monolitico apparve appena la tecnologia lo consentì dato che l'idea di integrare i componenti di una CPU in un singolo circuito integrato era una soluzione logica e già alla fine degli anni sessanta erano state articolate architetture di microprocessore. Quasi contemporaneamente infatti iniziarono lo sviluppo l'Intel 4004, il Texas Instruments TMS1000, e il Garrett AiResearch Central Air Data Computer: Nel 1968 la Garrett AiResearch iniziò a sviluppare un sistema elettronico per competere con i sistemi elettromeccanici utilizzati nei caccia militari, con l'obiettivo di equipaggiare il nuovo F-14 Tomcat che allora era in sviluppo. Il progetto venne completato nel 1970 e utilizzava integrati MOS per il core della CPU e per la sua semplicità e la sua innovatività prevalse sui concorrenti di tipo elettromeccanico venendo utilizzato fin dai primi Tomcat. La marina statunitense, per il livello di innovazione introdotto dal progetto, impedì la pubblicazione di articoli sul sistema fino al 1997, per cui questo microprocessore rimase semisconosciuto. Si trattava comunque di una implementazione della CPU in più di un chip e quindi non era un vero microprocessore (che è per definizione una CPU in un singolo chip); Texas Instruments (TI) sviluppò inizialmente il sistema TMS1000 a 4 bit per applicazioni pre-programmate e quindi non utilizzabile per altre applicazioni e il 17 settembre 1971 annunciò il modello TMS 1802NC, programmabile, che poteva essere utilizzato per implementare un calcolatore; L'Intel 4004, processore a 4 bit, già in produzione per la ditta Busicom nel giugno del 1971, venne presentato per l'uso generale il 15 novembre 1971 e fu sviluppato da Federico Faggin (che ne ideò il design e lavorò al progetto dal 1970 fino al suo debutto sul mercato nel 1971) e Marcian Hoff (che ne formulò l'architettura nel 1969). Questo fu il primo microprocessore commerciale di Intel che dette il via al mercato, aprendo la possibilità di nuove applicazioni non possibili prima.
TI presentò la prima richiesta di brevetto per il microprocessore e Gary Boone ottenne l'assegnazione del brevetto per l'architettura di un microprocessore a singolo chip il 4 settembre 1973. Non è mai stato reso noto se realmente l'azienda avesse avuto un microprocessore funzionante nei suoi laboratori ma sia nel 1971 che nel 1976 Intel e TI stipularono un accordo in cui Intel pagava a TI i diritti per l'utilizzo del suo brevetto. Un riassunto della vicenda è contenuto nella documentazione che Intel presentò in tribunale quando fu chiamata in giudizio da Cyrix per violazione dei brevetti e TI intervenne come proprietario del brevetto originario.
Intel e TI hanno affermato di avere brevetti che potrebbero coprire il brevetto del "microprocessore": c'è il caso di Gilbert Hyatt che riuscì ad ottenere nel 1990 il brevetto che fu poi invalidato nel 1996 per il fatto che l'architettura di Hyatt non sarebbe stata realizzabile con la tecnologia disponibile nel 1970. Sempre sull'argomento, sulla rivista McMicrocomputer n. 101 del 11/1990, fu pubblicata un'intervista a Gylbert Hyatt e a Federico Faggin, in cui si approfondirono risvolti poco chiari sulla condotta tenuta dalla Intel. TI e Intel pre-datano il brevetto descrivendo un microcontrollore che potrebbe coprire il brevetto del microprocessore essendo il progetto indicato concettualmente simile: Gary Boone e Michael J. Cochran presso la TI ne depositarono il brevetto, , che pur essendo più simile a un microcontroller potrebbe coprire anche quello del microprocessore.
Secondo A History of Modern Computing,MIT Press, pp.220–21 Intel venne contattata dalla Computer Terminals Corporation (in seguito nota come Datapoint) di San Antonio (Texas) per l'acquisto dell'integrato che stava sviluppando. In seguito Datapoint decise di non utilizzare il componenti e Intel lo immise sul mercato come 8008 nell'aprile del 1972, riscuotendo un certo successo, creando il primo vero mercato per i microprocessori; il processore fu la base del famoso computer Mark-8 venduto in scatola di montaggio da Radio-Electronics nel 1973.
Gli anni 1970 ed i processori a 8 e 16 bit
Il 4004 venne seguito nel 1972 dall'8008, il primo microprocessore a 8 bit del mondo, evoluto successivamente nel più famoso Intel 8080 (1974).
Dal progetto 8080 venne derivato lo Z80 prodotto nel 1976 dalla ZiLOG, società fondata da Federico Faggin con Ralph Ungerman nel 1975. Compatibile a livello binario con i programmi scritti per l'8080, lo Z80 includeva moltissimi miglioramenti che lo fecero rapidamente preferire all'8080 dagli utenti. Intel reagì producendo nel 1977 una propria versione migliorata dell'8080, l'8085, anch'essa compatibile a livello binario con i programmi scritti per l'8080, ma molto inferiore allo Z80.
Motorola presentò nell'agosto del 1974 il 6800, primo processore ad adottare un registro indice. Molto versatile, ebbe un discreto successo, oscurato in parte l'anno successivo dal lancio del MOS Technology 6502: era ispirato all'architettura del 6800, dotato di alcune soluzioni tecniche migliorative e soprattutto caratterizzato da un costo drasticamente inferiore (25 USD contro i 175 USD del 6800), cosa che lo rese estremamente popolare. Il 6502 fu scelto, ad esempio, da Steve Wozniak per l'Apple I nel 1976 ed il successivo Apple II nel 1977.
Motorola reagì con il 6809 (1979), uno dei più potenti e ortogonali processori a 8 bit mai sviluppati: non usava microcodice, e l'unità di controllo era interamente in logica cablata. I successori del 6809 risultarono essere troppo complessi per poter mantenere questo approccio e vennero equipaggiati con una tradizionale unità logica a microcodice. Il progetto 6809 è alla base di una serie molto diffusa di microcontrollori tuttora utilizzata in sistemi embedded.
Western Design Center, Inc. (WDC) presentò nel 1982 il WDC 65C02 con tecnologia CMOS e dette in licenza il progetto a molte altre ditte che svilupparono i processori alla base dei computer Apple IIc e IIe. Il processore fu utilizzato anche in pacemaker, defibrillatori, automobili, prodotti industriali e di consumo. WDC fu pioniera nella vendita delle proprietà intellettuali e fu seguita anni dopo da Architettura ARM e altre ditte che basano i loro guadagni sullo sviluppo e sulla vendita delle proprietà intellettuali.
Un altro processore a 8 bit che ebbe una discreta fama fu il Signetics 2650 caratterizzato da un'architettura innovativa e da un potente set di istruzioni.
Tutti questi processori furono alla base della "rivoluzione" degli home computer, poiché grazie al loro basso prezzo permisero la realizzazione di veri computer ad un costo accessibile.
Il primo microprocessore utilizzato per applicazioni spaziali fu l'RCA 1802 (conosciuto anche come CDP1802 o RCA COSMAC) (presentato nel 1976) che venne utilizzato dalle sonde NASA Voyager, Viking e dalla sonda Galileo (lanciata nel 1989 e arrivata nel 1995 su Giove). L'RCA COSMAC era la prima implementazione della tecnologia CMOS. Il CDP1802 venne utilizzato dato che era a basso consumo e dato che era prodotto con una tecnologia (Silicon on Sapphire) che lo rendeva meno sensibile ai raggi cosmici e alle cariche elettrostatiche. Il 1802 può essere considerato il primo microprocessore anti radiazione della storia.
Il primo microprocessore a 16 bit fu il National Semiconductor IMP-16 basato su più integrati. Venne presentato nel 1973 e una versione a 8 bit chiamata IMP-8 venne presentata nel 1974. Nel 1975 National presentò il primo microprocessore a 16 bit su singolo chip il PACE, che fu seguito dalla versione NMOS chiamata INS8900.
Altri sistemi multichip a 16 bit furono l'LSI-11 prodotto da Digital Equipment Corporation per il minicomputer PDP 11/03 e il MicroFlame 9440 della Fairchild Semiconductor prodotto tra il 1975 e il 1976.
Il primo microprocessore a 16 bit su singolo chip fu il Texas Instruments TMS-9900 un processore compatibile con la linea TI 990 di minicomputer. Il 990 venne utilizzato dai minicomputer TI990/4, dall'home computer TI-99/4A e dai computer TM990 prodotti da terze parti. Il processore era inserito in un integrato ceramico da 64 pin di tipo DIP mentre molti altri microprocessori a 8 bit dell'epoca utilizzavano un più economico package a 40 pin di tipo plastico. Il successivo TMS 9980 venne sviluppato per competere con l'Intel 8080 e venne inserito in un package plastico di 40 pin. Il processore era compatibile con il set di istruzioni TI 990 ma per poter utilizzare solo 40 pin faceva muovere 8 bit di dati per ciclo di clock e gestiva un indirizzamento di 16 kB. Il successore TMS 9995 aveva una nuova architettura. La famiglia venne espansa con il 99105 e il 99110.
La Western Design Center, Inc. presentò nel 1984 il CMOS 65C816, una versione a 16 bit del WDC CMOS 65C02. Il 65C816 fu il cuore dell'Apple IIGS e del Super Nintendo Entertainment System, uno dei progetti a 16 bit più famosi dell'epoca.
Diversamente da TI, Intel non aveva una linea di minicomputer da emulare e decise di usare l'8085 come base per il suo progetto a 16 bit, realizzando così l'Intel 8086, capostipite di quella che poi sarebbe diventata la famiglia X86, i cui discendenti sono molto diffusi nei moderni personal computer. Realizzò anche una versione con il bus esterno a 8 bit, l'8088, che venne impiegato nel primo IBM PC modello 5150.
Successivi sviluppi furono gli Intel 80186, 80286 e nel 1985 l'Intel 80386, la prima versione a 32 bit compatibile X86. La prima Memory management unit (MMU) integrata in un microprocessore venne sviluppata da Childs e altri per Intel e ricevette il brevetto .
Gli anni 1980 ed i microprocessori a 32 bit