Intel 8080 ( «восемьдесят-восемьдесят» ) — второй 8-разрядный микропроцессор, разработанный и произведенный Intel . Впервые он появился в апреле 1974 года и является расширенным и усовершенствованным вариантом более раннего дизайна 8008 , хотя и без двоичной совместимости . [3] Первоначально указанная тактовая частота или предел частоты составляла 2 МГц , с общими инструкциями, использующими 4, 5, 7, 10 или 11 тактовых циклов. В результате процессор способен выполнять несколько сотен тысяч инструкций в секунду . Два более быстрых варианта, 8080A-1 и 8080A-2, стали доступны позже с пределами тактовой частоты 3,125 МГц и 2,63 МГц соответственно. [4] Для работы 8080 в большинстве приложений требуются две поддерживающие микросхемы: тактовый генератор/драйвер i8224 и контроллер шины i8228. 8080 реализован на основе металл-оксид-полупроводниковой логики N-типа (NMOS) с использованием транзисторов ненасыщенного режима обогащения в качестве нагрузок [5] [6] , что требует напряжения +12 В и -5 В в дополнение к основному напряжению +5 В, совместимому с транзисторно-транзисторной логикой (TTL).
Хотя более ранние микропроцессоры обычно использовались в устройствах массового производства, таких как калькуляторы , кассовые аппараты , компьютерные терминалы , промышленные роботы [7] и других приложениях , 8080 добился большего успеха в более широком наборе приложений и во многом считается началом индустрии микрокомпьютеров . [8] Его популярности способствовало несколько факторов: его 40-контактный корпус упростил интерфейс, чем 18-контактный 8008, а также сделал его шину данных более эффективной; его реализация NMOS дала ему более быстрые транзисторы, чем у логики металл-оксид-полупроводник P-типа (PMOS) 8008, а также упростила интерфейс, сделав его совместимым с TTL ; был доступен более широкий спектр вспомогательных микросхем; его набор инструкций был улучшен по сравнению с 8008; [9] и его полная 16-битная адресная шина (по сравнению с 14-битной у 8008) позволяла ему получать доступ к 64 КБ памяти, что в четыре раза больше, чем диапазон 16 КБ у 8008. Он использовался в Altair 8800 и последующих персональных компьютерах с шиной S-100 , пока его не заменил Z80 в этой роли, и был исходным целевым ЦП для операционных систем CP/M, разработанных Гэри Килдаллом .
8080 напрямую повлиял на более позднюю архитектуру x86 . Intel разработала 8086 так, чтобы его язык ассемблера был достаточно похож на 8080, причем большинство инструкций напрямую отображались друг на друга, так что транспилированный код ассемблера 8080 мог быть выполнен на 8086. [10]
Потребители микропроцессоров не хотели принимать 8008 из-за ограничений, таких как режим одиночной адресации, низкая тактовая частота, малое количество выводов и небольшой стек на кристалле, что ограничивало масштаб и сложность программного обеспечения. Было предложено несколько вариантов дизайна для 8080, от простого добавления инструкций стека к 8008 до полного отхода от всех предыдущих архитектур Intel. [11] Окончательный дизайн был компромиссом между предложениями.
Федерико Фаггин , создатель архитектуры 8080 в начале 1972 года, предложил чип руководству Intel и настоял на его внедрении. Наконец, он получил разрешение на его разработку девять месяцев спустя. Фаггин нанял Масатоши Шиму , который помогал ему разрабатывать логику 4004, из Японии в ноябре 1972 года. Шима выполнил детальное проектирование под руководством Фаггина, [12] используя методологию проектирования для случайной логики с кремниевым затвором, которую Фаггин создал для семейства 4000 и 8008.
8080 был явно разработан как универсальный микропроцессор для большего числа клиентов. Большая часть усилий по разработке была потрачена на попытки интегрировать функциональные возможности дополнительных чипов 8008 в один корпус. На раннем этапе разработки было решено, что 8080 не будет двоично-совместимым с 8008, вместо этого выбрав совместимость исходного кода после запуска через транспилятор, чтобы новое программное обеспечение не подвергалось тем же ограничениям, что и 8008. По той же причине, а также для расширения возможностей стековых процедур и прерываний, стек был перемещен во внешнюю память.
Отметив специализированное использование регистров общего назначения программистами в мэйнфреймовых системах, Фаггин, Шима и Стэнли Мазор решили, что регистры 8080 будут специализированными, а пары регистров будут иметь различный набор применений. [13] Это также позволило инженерам более эффективно использовать транзисторы для других целей.
Шима закончил макет в августе 1973 года. После разработки производства логики NMOS , прототип 8080 был завершен в январе 1974 года. У него был недостаток, заключавшийся в том, что управление стандартными устройствами TTL увеличивало напряжение заземления, поскольку высокий ток протекал в узкую линию. Intel уже произвела 40 000 единиц 8080 по указанию отдела продаж, прежде чем Шима охарактеризовал прототип. Он был выпущен как требующий маломощных устройств Schottky TTL (LS TTL). 8080A исправил этот недостаток. [14]
Intel предложила симулятор набора инструкций для 8080 под названием INTERP/80 для запуска скомпилированных программ PL/M . Он был написан на FORTRAN IV Гэри Килдаллом , когда он работал консультантом в Intel. [15] [16]
На 8080 зарегистрирован только один патент со следующими именами: Федерико Фаггин, Масатоши Шима, Стэнли Мазор.
Intel 8080 является преемником 8008. Он использует тот же базовый набор инструкций и модель регистров , что и 8008, хотя он не совместим ни по исходному коду , ни по двоичному коду со своим предшественником. Каждая инструкция в 8008 имеет эквивалентную инструкцию в 8080. 8080 также добавляет 16-битные операции в свой набор инструкций. В то время как 8008 требовал использования пары регистров HL для косвенного доступа к своему 14-битному пространству памяти, 8080 добавил режимы адресации, чтобы разрешить прямой доступ к своему полному 16-битному пространству памяти. Внутренний 7-уровневый стек вызовов push-down 8008 был заменен выделенным 16-битным регистром указателя стека (SP). 40-контактный DIP-корпус 8080 позволяет реализовать 16-битную адресную шину и 8-битную шину данных , обеспечивая доступ к 64 КБ (216 байт ) памяти.
Процессор имеет семь 8-битных регистров (A, B, C, D, E, H и L), где A — первичный 8-битный аккумулятор. Остальные шесть регистров могут использоваться как отдельные 8-битные регистры или в трех 16-битных парах регистров (BC, DE и HL, называемых B, D и H в документах Intel) в зависимости от конкретной инструкции. Некоторые инструкции также позволяют использовать пару регистров HL в качестве (ограниченного) 16-битного аккумулятора. Псевдорегистр M, который ссылается на разыменованную ячейку памяти, на которую указывает HL, может использоваться практически везде, где могут использоваться другие регистры. 8080 имеет 16-битный указатель стека на память, заменяющий внутренний стек 8008 , и 16-битный счетчик программ .
Процессор поддерживает внутренние биты флагов ( регистр состояния ), которые указывают результаты арифметических и логических инструкций. Только определенные инструкции влияют на флаги. Флаги:
Бит переноса может быть установлен или дополнен определенными инструкциями. Инструкции условного перехода проверяют различные биты состояния флага. Аккумулятор и флаги вместе называются PSW, или словом состояния программы. PSW может быть помещен в стек или извлечен из него.
Как и во многих других 8-битных процессорах, все инструкции кодируются одним байтом (включая номера регистров, но исключая непосредственные данные) для простоты. За некоторыми из них может следовать один или два байта данных, которые могут быть непосредственным операндом, адресом памяти или номером порта. Как и более продвинутые процессоры, он имеет автоматические инструкции CALL и RET для многоуровневых вызовов процедур и возвратов (которые могут даже выполняться условно, как переходы) и инструкции для сохранения и восстановления любой 16-битной пары регистров в стеке машины. Восемь однобайтовых инструкций вызова ( RST) для подпрограмм существуют по фиксированным адресам 00h, 08h, 10h, ..., 38h. Они предназначены для поставки внешним оборудованием с целью вызова соответствующей процедуры обслуживания прерываний , но также часто используются в качестве быстрых системных вызовов . Инструкция, которая выполняется медленнее всего, — это XTHL, которая используется для обмена парой регистров HL со значением, сохраненным по адресу, указанному указателем стека.
Все 8-битные операции с двумя операндами могут быть выполнены только на 8-битном аккумуляторе (регистре A). Другой операнд может быть либо непосредственным значением, либо другим 8-битным регистром, либо байтом памяти, адресуемым 16-битной парой регистров HL. Инкременты и декременты могут быть выполнены на любом 8-битном регистре или байте памяти с адресом HL. Прямое копирование поддерживается между любыми двумя 8-битными регистрами и между любым 8-битным регистром и байтом памяти с адресом HL. Из-за регулярного кодирования инструкции MOV(используя четверть доступного пространства кода операции) существуют избыточные коды для копирования регистра в себя ( MOV B,Bнапример, ), которые малопригодны, за исключением задержек. Однако MOV M,Mвместо этого используется систематический код операции для кодирования HLTинструкции halt ( ), останавливая выполнение до тех пор, пока не произойдет внешний сброс или прерывание.
Хотя 8080 в целом является 8-битным процессором, его возможности по выполнению 16-битных операций ограничены. Любая из трех пар 16-битных регистров (BC, DE или HL, в документах Intel называемых B, D, H) или SP может быть загружена непосредственным 16-битным значением (с помощью LXI), увеличена или уменьшена (с помощью INXи DCX) или добавлена к HL (с помощью DAD). Добавляя HL к себе, можно достичь того же результата, что и 16-битный арифметический сдвиг влево с помощью одной инструкции. Единственная 16-битная инструкция, которая влияет на любой флаг DAD, — это , которая устанавливает флаг CY (перенос), чтобы разрешить программируемую 24-битную или 32-битную арифметику (или больше), необходимую для реализации арифметики с плавающей точкой . BC, DE, HL или PSW можно копировать в стек и из него с помощью PUSHи POP. Кадр стека можно выделить с помощью DAD SPи SPHL. Переход к вычисляемому указателю может быть выполнен с помощью PCHL. LHLDзагружает HL из напрямую адресуемой памяти и SHLDсохраняет HL аналогичным образом. Инструкция XCHG[18] обменивает значения пар регистров HL и DE. XTHLобменивает последний элемент, помещенный в стек, с HL.
8080 поддерживает до 256 портов ввода-вывода (I/O), [19] доступ к которым осуществляется через выделенные инструкции ввода-вывода, принимающие адреса портов в качестве операндов. [20] Такая схема отображения ввода-вывода считается преимуществом, поскольку она освобождает ограниченное адресное пространство процессора. Многие архитектуры ЦП вместо этого используют так называемый отображенный в память ввод-вывод (MMIO), в котором общее адресное пространство используется как для ОЗУ, так и для периферийных чипов. Это устраняет необходимость в выделенных инструкциях ввода-вывода, хотя недостатком таких конструкций может быть то, что для вставки состояний ожидания необходимо использовать специальное оборудование, поскольку периферийные устройства часто медленнее памяти. Однако в некоторых простых компьютерах 8080 ввод-вывод действительно адресуется так, как если бы они были ячейками памяти, «отображенными в память», оставляя команды ввода-вывода неиспользованными. Адресация ввода-вывода также иногда может использовать тот факт, что процессор выводит один и тот же 8-битный адрес порта как в нижний, так и в верхний байт адреса (т.е. IN 05hпоместит адрес 0505h на 16-битную адресную шину). Похожие схемы портов ввода-вывода используются в обратно совместимых Zilog Z80 и Intel 8085, а также в близкородственных семействах микропроцессоров x86.
Один из битов в слове состояния процессора (см. ниже) указывает на то, что процессор обращается к данным из стека. Используя этот сигнал, можно реализовать отдельное пространство памяти стека. Эта функция используется редко.
Для более продвинутых систем в начале каждого машинного цикла процессор помещает восьмибитное слово состояния на шину данных. Этот байт содержит флаги, которые определяют, осуществляется ли доступ к памяти или порту ввода-вывода и необходимо ли обрабатывать прерывание.
Состояние системы прерываний (включено или выключено) также выводится на отдельный вывод. Для простых систем, где прерывания не используются, можно найти случаи, когда этот вывод используется как дополнительный однобитный выходной порт ( например, популярная советская ЭВМ Радио -86РК ).
Следующий исходный код ассемблера 8080/8085 предназначен для подпрограммы с именем memcpy, которая копирует блок байтов данных заданного размера из одного места в другое. Блок данных копируется по одному байту за раз, а логика перемещения данных и циклов использует 16-битные операции.
Адресная шина имеет собственные 16 контактов, а шина данных имеет 8 контактов, которые можно использовать без какого-либо мультиплексирования. Используя два дополнительных контакта (сигналы чтения и записи), можно очень легко собрать простые микропроцессорные устройства. Только отдельное пространство ввода-вывода, прерывания и DMA требуют дополнительных чипов для декодирования сигналов контактов процессора. Однако емкость нагрузки контактов ограничена; даже простым компьютерам часто требуются усилители шины.
Процессору необходимы три источника питания (−5, +5 и +12 В) и два неперекрывающихся синхросигнала высокой амплитуды. Однако, по крайней мере, позднесоветская версия КР580ВМ80А могла работать с одним источником питания +5 В, при этом вывод +12 В был подключен к +5 В, а вывод −5 В — к земле.
Таблица распиновки из сопроводительной документации к микросхеме описывает выводы следующим образом:
Ключевым фактором успеха 8080 стал широкий спектр доступных микросхем поддержки, обеспечивающих последовательную связь, счетчик/синхронизацию, ввод/вывод, прямой доступ к памяти и программируемое управление прерываниями, а также другие функции:
Интегральная схема 8080 использует ненасыщенные затворы nMOS с нагрузкой , требующие дополнительных напряжений (для смещения нагрузки). Она была изготовлена в процессе кремниевого затвора с минимальным размером элемента 6 мкм. Для соединения приблизительно 4500 транзисторов [23] в конструкции используется один слой металла, но слой поликремния с более высоким сопротивлением , который требовал более высокого напряжения для некоторых соединений, реализован с помощью затворов транзисторов. Размер кристалла составляет приблизительно 20 мм 2 .
8080 использовался во многих ранних микрокомпьютерах, таких как компьютер MITS Altair 8800 , терминальный компьютер Processor Technology SOL-20 и микрокомпьютер IMSAI 8080 , формируя основу для машин, работающих под управлением операционной системы CP/M (более поздний, почти полностью совместимый и более производительный процессор Zilog Z80 извлек из этого выгоду, а Z80 и CP/M стали доминирующей комбинацией ЦП и ОС в период с 1976 по 1983 год, так же как x86 и DOS для ПК десятилетие спустя).
В 1979 году, даже после появления процессоров Z80 и 8085, пять производителей 8080 продавали примерно 500 000 единиц в месяц по цене около 3–4 долларов за единицу. [24]
Первые одноплатные микрокомпьютеры , такие как MYCRO-1 и dyna-micro / MMD-1 (см.: Одноплатный компьютер ) были основаны на Intel 8080. Одно из первых применений 8080 было сделано в конце 1970-х годов Cubic-Western Data из Сан-Диего, Калифорния, в ее автоматизированных системах сбора платы за проезд, специально разработанных для систем общественного транспорта по всему миру. Раннее промышленное использование 8080 - это как "мозг" линейки продуктов DatagraphiX Auto-COM (Computer Output Microfiche), которая берет большие объемы пользовательских данных с катушечных лент и отображает их на микрофишах. Инструменты Auto-COM также включают в себя целую автоматизированную подсистему резки, обработки, промывки и сушки пленки.
Несколько ранних аркадных видеоигр были созданы на основе микропроцессора 8080. Первой коммерчески доступной аркадной видеоигрой, включающей микропроцессор, была Gun Fight , основанная на 8080 переработка дискретно-логической Western Gun от Taito от Midway Games , которая была выпущена в ноябре 1975 года. [25] [26] [27] [28] (Пинбольный автомат, включавший процессор Motorola 6800 , The Spirit of '76 , уже был выпущен месяцем ранее. [29] [30] ) Затем 8080 использовался в более поздних аркадных видеоиграх Midway [31] и в Space Invaders от Taito 1978 года , одной из самых успешных и известных аркадных видеоигр. [32] [33]
Zilog представил Z80 , который имел совместимый набор инструкций машинного языка и изначально использовал тот же язык ассемблера, что и 8080, но по юридическим причинам Zilog разработал синтаксически отличный (но совместимый по коду) альтернативный язык ассемблера для Z80. В Intel за 8080 последовал совместимый и электрически более элегантный 8085 .
Позже Intel выпустила совместимый с языком ассемблера (но не совместимый на уровне двоичного кода) 16-битный 8086 , а затем 8/16-битный 8088 , который был выбран IBM для своего нового ПК, выпущенного в 1981 году. Позже NEC выпустила NEC V20 (клон 8088 с совместимым набором инструкций Intel 80186 ), который также поддерживает режим эмуляции 8080. Это также поддерживается V30 от NEC (аналогично улучшенным клоном 8086). Таким образом, 8080, посредством своей архитектуры набора инструкций (ISA), оказал длительное влияние на историю компьютеров.
Ряд процессоров, совместимых с Intel 8080A, производились в странах Восточного блока : KR580VM80A (первоначально обозначавшийся как КР580ИК80) в Советском Союзе , MCY7880 [34], производимый Unitra CEMI в Польше , MHB8080A [35], производимый TESLA в Чехословакии , 8080APC [35], производимый Tungsram /MEV в Венгрии , и MMN8080 [35], производимый Microelectronica Bucharest в Румынии .
По состоянию на 2017 год [обновлять]8080 все еще производится на заводе Lansdale Semiconductors. [36]
8080 также изменил способ создания компьютеров. Когда был представлен 8080, компьютерные системы обычно создавались производителями компьютеров, такими как Digital Equipment Corporation , Hewlett-Packard или IBM . Производитель производил весь компьютер, включая процессор, терминалы и системное программное обеспечение, такое как компиляторы и операционную систему. 8080 был разработан практически для любого приложения, за исключением полной компьютерной системы. Hewlett-Packard разработала серию интеллектуальных терминалов HP 2640 вокруг 8080. HP 2647 — это терминал, который запускает язык программирования BASIC на 8080. Основополагающий продукт Microsoft , Microsoft BASIC , был изначально запрограммирован для 8080.
8080 и 8085 дали начало 8086, который был разработан как совместимое с исходным кодом , хотя и не совместимое на уровне двоичного кода , расширение 8080. [37] Эта конструкция, в свою очередь, позже породила семейство чипов x86 , которые продолжают оставаться основной линейкой процессоров Intel. Многие из основных машинных инструкций и концепций 8080 сохранились в широко распространенной платформе x86. Примерами служат регистры с именами A , B , C и D , а также многие флаги, используемые для управления условными переходами. Ассемблерный код 8080 по-прежнему можно напрямую транслировать в инструкции x86, [ неопределенно ], поскольку все его основные элементы все еще присутствуют.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )RST 7, которая может быть вызвана путем подтягивания шины данных к высокому уровню. Для предшествующего уровня 8008 RST 7требовалась более сложная схема глушения инструкций.