Intel 8080 ( «восемьдесят восемьдесят» ) — второй 8-битный микропроцессор, разработанный и производимый Intel . Впервые он появился в апреле 1974 года и представляет собой расширенный и улучшенный вариант более ранней конструкции 8008 , хотя и без двоичной совместимости . [3] Первоначальная указанная тактовая частота или ограничение частоты составляло 2 МГц , при этом общие инструкции использовали 4, 5, 7, 10 или 11 циклов. В результате процессор способен выполнять несколько сотен тысяч инструкций в секунду . Два более быстрых варианта, 8080A-1 (иногда называемый 8080B [ нужна ссылка ] ) и 8080A-2, стали доступны позже с пределами тактовой частоты 3,125 МГц и 2,63 МГц соответственно. [4] Для работы в большинстве приложений процессору 8080 необходимы два вспомогательных чипа: тактовый генератор/драйвер i8224 и контроллер шины i8228. Он реализован в логике металл-оксид-полупроводник N-типа (NMOS) с использованием ненасыщенных транзисторов с режимом улучшения в качестве нагрузки [5] [6] , что требует напряжения +12 В и -5 В в дополнение к основному транзистору. совместимость с транзисторной логикой (TTL) +5 В.
Хотя раньше 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 ему во многом приписывают начало микрокомпьютерная промышленность. [8] Несколько факторов способствовали его популярности: его 40-контактный корпус упростил интерфейс, чем 18-контактный 8008, а также сделал шину данных более эффективной; его реализация NMOS дала ему более быстрые транзисторы, чем транзисторы с логикой металл-оксид-полупроводник P-типа (PMOS) 8008, а также упростила интерфейс, сделав его TTL-совместимым ; был доступен более широкий выбор вспомогательных чипов; его набор команд был расширен по сравнению с 8008; [9] и его полная 16-битная адресная шина (по сравнению с 14-битной у 8008) позволяли ему получить доступ к 64 КБ памяти, что в четыре раза больше, чем диапазон 8008 в 16 КБ. Он использовался в Altair 8800 и последующих персональных компьютерах с шиной S-100, пока не был заменен в этой роли на Z80 , и был исходным целевым ЦП для операционных систем CP/M , разработанных Гэри Килдаллом .
8080 напрямую повлиял на более позднюю архитектуру x86 . Intel разработала ассемблер 8086 так, чтобы его язык ассемблера был достаточно похож на ассемблер 8080, при этом большинство инструкций сопоставлялись непосредственно друг с другом, чтобы транспилированный ассемблерный код 8080 мог быть выполнен на 8086. [10]
Покупатели микропроцессоров неохотно принимали 8008 из-за таких ограничений, как режим единой адресации, низкая тактовая частота, малое количество выводов и небольшой встроенный стек, что ограничивало масштаб и сложность программного обеспечения. Было предложено несколько вариантов дизайна 8080: от простого добавления инструкций стека в 8008 до полного отказа от всех предыдущих архитектур Intel. [11] Окончательный проект представлял собой компромисс между предложениями.
Федерико Фаггин , создатель архитектуры 8080, в начале 1972 года предложил этот чип руководству Intel и настаивал на его внедрении. Наконец, шесть месяцев спустя он получил разрешение на его разработку. Фаггин нанял Масатоши Симу , который вместе с ним помогал проектировать 4004, из Японии в ноябре 1972 года. Шима выполнил детальное проектирование под руководством Фаггина, [12] используя методологию проектирования случайной логики с кремниевым затвором, которую Фаггин создал для семейства 4000.
8080 был специально разработан как микропроцессор общего назначения для большего числа клиентов. Большая часть усилий по разработке была потрачена на то, чтобы интегрировать функциональные возможности дополнительных чипов 8008 в один корпус. На ранних этапах разработки было решено, что 8080 не должен быть двоично-совместим с 8008, вместо этого был сделан выбор в пользу совместимости исходного кода после прохождения через транспилятор, чтобы новое программное обеспечение не подвергалось тем же ограничениям, что и 8008. По тем же причинам По этой причине, а также для расширения возможностей стековых подпрограмм и прерываний стек был перенесен во внешнюю память.
Отметив специализированное использование регистров общего назначения программистами в системах мэйнфреймов, Стэнли Мазор , архитектор микросхем, решил, 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 завершил компоновку в августе 1973 года. После регулирования производства NMOS в январе 1974 года был завершен прототип 8080. У него был недостаток: управление стандартными TTL-устройствами увеличивало напряжение заземления, поскольку в узкую линию протекал большой ток. . Intel уже произвела 40 000 единиц 8080 по указанию отдела продаж, прежде чем Шима представил прототип. Он был выпущен как требующий маломощных устройств Шоттки TTL (LS TTL). В 8080A этот недостаток исправлен. [14]
Intel предложила симулятор набора команд 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]
Intel 8080 является преемником 8008 . Он использует тот же базовый набор команд и модель регистров , что и 8008, хотя он не совместим ни с исходным кодом , ни с двоичным кодом со своим предшественником. Каждая инструкция в 8008 имеет эквивалентную инструкцию в 8080. 8080 также добавляет 16-битные операции в свой набор команд. В то время как 8008 требовал использования пары регистров HL для косвенного доступа к своему 14-битному пространству памяти, 8080 добавил режимы адресации, чтобы обеспечить прямой доступ ко всему 16-битному пространству памяти. Внутренний 7-уровневый стек вызовов с понижением уровня 8008 был заменен выделенным 16-битным регистром указателя стека (SP). 40-контактный DIP-корпус 8080 позволяет ему обеспечивать 16-битную адресную шину и 8-битную шину данных , обеспечивая доступ к 64 КиБ (2 16 байт) памяти.
Процессор имеет семь 8-битных регистров (A, B, C, D, E, H и L), где A — основной 8-битный аккумулятор. Остальные шесть регистров могут использоваться либо как отдельные 8-битные регистры, либо как три пары 16-битных регистров (BC, DE и HL, называемые в документах Intel B, D и H) в зависимости от конкретной инструкции. Некоторые инструкции также позволяют использовать пару регистров HL в качестве (ограниченного) 16-битного аккумулятора. Псевдорегистр M, который относится к разыменованной ячейке 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 программный счетчик .
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 специальными инструкциями. Инструкции условного перехода проверяют различные биты состояния флагов. Аккумулятор и флаги вместе называются PSW или словом состояния программы. PSW можно отправить в стек или извлечь из него.
Как и во многих других 8-битных процессорах, для простоты все инструкции кодируются одним байтом (включая номера регистров, но исключая непосредственные данные). За некоторыми могут 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 и возвратов процедур (которые могут даже выполняться условно, например, 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 обеспечения внешним оборудованием для вызова соответствующей процедуры обслуживания прерываний , но также часто используются в качестве быстрых системных вызовов . Самая медленная инструкция — XTHL, которая используется для обмена пары регистров HL со значением, хранящимся по адресу, указанному указателем стека.
Все 8-битные операции с двумя операндами могут выполняться только с 8-битным аккумулятором (регистр A). Другой операнд может быть либо непосредственным значением, другим 8-битным регистром, либо байтом памяти, адресуемым парой 16-битных регистров HL. Увеличение и уменьшение может выполняться для любого 8-битного регистра или байта памяти с адресацией HL. Прямое копирование поддерживается между любыми двумя 8-битными регистрами, а также между любым 8-битным регистром и байтом памяти с адресацией HL. Из-за регулярного кодирования инструкции MOV(с использованием четверти доступного пространства опкода) существуют избыточные коды для копирования регистра в себя ( MOV B,Bнапример, ), от которых мало пользы, если не считать задержек. MOV M,MОднако вместо этого используется систематический код операции for для кодирования HLTинструкции stop ( ), останавливающей выполнение до тех пор, пока не произойдет внешний сброс или прерывание.
Хотя 8080 обычно является 8-битным процессором, его возможности для выполнения 16-битных операций ограничены. Любая из трех пар 16-битных регистров (BC, DE или HL, обозначаемых в документах Intel как B, D, H) или SP может быть немедленно загружена с 16-битным значением (с помощью ), увеличена LXIили уменьшена (с помощью INXи DCX) или добавлены в HL (с помощью DAD). Добавляя к самому себе HL, можно добиться того же результата, что и 16-битный арифметический сдвиг влево с помощью одной инструкции. Единственными 16-битными инструкциями, которые влияют на любой флаг DAD, являются , которые устанавливают флаг CY (переноса), чтобы обеспечить возможность программной 24-битной или 32-битной арифметики (или больше), необходимой для реализации арифметики с плавающей запятой . Кадр стека можно выделить с помощью DAD SPи SPHL. Переход к вычисленному указателю может быть выполнен с помощью PCHL. LHLDзагружает HL из памяти с прямым адресом и SHLDаналогичным образом сохраняет HL. Инструкция XCHG[17] меняет значения пар регистров HL и DE. XTHLобменивает последний элемент, помещенный в стек, на HL.
8080 поддерживает до 256 [18] портов ввода-вывода (I/O), доступ к которым осуществляется с помощью специальных инструкций ввода-вывода, принимающих адреса портов в качестве операндов. [19] Такая схема отображения ввода-вывода считается преимуществом, поскольку она освобождает ограниченное адресное пространство процессора. Вместо этого во многих архитектурах ЦП используется так называемый ввод -вывод с отображением в памяти (MMIO), в котором общее адресное пространство используется как для ОЗУ, так и для периферийных микросхем. 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 работают медленнее, чем память. 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. При адресации ввода-вывода иногда также может использоваться тот факт, что процессор выводит один и тот же 8-битный адрес порта как для младшего, так и для старшего байта адреса (т. е. IN 05hпомещает адрес 0505h на 16-битную адресную шину). Подобные схемы портов ввода-вывода используются в обратно совместимых процессорах Zilog Z80 и Intel 8085, а также в близкородственных семействах микропроцессоров x86.
Один из битов слова состояния процессора (см. ниже) указывает, что процессор обращается к данным из стека. Используя этот сигнал, можно реализовать отдельное пространство памяти стека. Эта функция используется редко.
В более продвинутых системах на одной из фаз рабочего цикла процессор устанавливает свой «байт внутреннего состояния» на шину данных. Этот байт содержит флаги, определяющие, осуществляется ли доступ к памяти или порту ввода-вывода и необходимо ли обрабатывать прерывание.
Состояние системы прерываний (включено или отключено) также выводится на отдельный вывод. Для простых систем, где прерывания не используются, можно встретить случаи, когда этот вывод используется как дополнительный одноразрядный выходной порт ( например, популярный советский компьютер «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 цикла использует 16-битные операции.
Адресная шина имеет собственные 16 контактов, а шина данных — 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 микросхем для декодирования сигналов выводов процессора. Однако нагрузочная способность штифта ограничена; даже простым компьютерам часто требуются усилители шины.
Процессору необходимы три источника питания (-5, +5 и +12 В) и два непересекающихся синхронизирующих сигнала большой амплитуды. Однако, по крайней мере, поздняя советская 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 чипа описывает контакты следующим образом:
Ключевым фактором успеха 8080 стал широкий спектр доступных вспомогательных микросхем, обеспечивающих последовательную связь, счетчик/тайминг, ввод/вывод, прямой доступ к памяти и программируемое управление прерываниями, среди других функций:
Интегральная схема 8080 использует ненасыщенные nMOS- затворы с улучшенной нагрузкой, требующие дополнительных напряжений (для смещения нагрузки-затвора). Он был изготовлен по технологии кремниевых затворов с минимальным размером элемента 6 мкм. Для соединения примерно 4500 транзисторов [22] в конструкции используется один слой металла , но слой поликремния с более высоким сопротивлением , который требовал более высокого напряжения для некоторых межсоединений, реализован с помощью транзисторных затворов. Размер матрицы составляет приблизительно 20 мм 2 .
8080 использовался во многих ранних микрокомпьютерах, таких как компьютер MITS Altair 8800 , терминальный компьютер SOL-20 с процессорной технологией и микрокомпьютер IMSAI 8080 , образуя основу для машин под управлением операционной системы CP / M (более поздняя, почти полностью совместимая и более В этом случае процессор Zilog Z80 мог бы извлечь из этого выгоду: Z80 и CP/M стали доминирующей комбинацией ЦП и ОС в период с 1976 по 1983 год, так же, как это сделали 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 от 3 до 4 долларов за штуку. [23]
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. Компания Cubic-Western Data из Сан-Диего, Калифорния, в своей автоматизированной системе сбора платы за проезд, специально разработанной для систем общественного транспорта по всему миру. Первым промышленным использованием 8080 было использование в качестве «мозга» линейки продуктов DatagraphiX Auto-COM (микрофиша компьютерного вывода), которая принимает большие объемы пользовательских данных с катушечной ленты и отображает их на микрофише. Инструменты Auto-COM также включают в себя полную автоматизированную подсистему резки, обработки, промывки и сушки пленки.
Несколько первых аркадных игр были построены на базе микропроцессора 8080. Первой коммерчески доступной аркадной видеоигрой, включающей микропроцессор, была Gun Fight , основанная на Midway Games 8080 переработка дискретной логики Western Gun от Taito , которая была выпущена в ноябре 1975 года . 27] (Пинбольный автомат The Spirit of '76 с процессором Motorola 6800 уже был выпущен в прошлом месяце. [28] [29] ) Затем 8080 использовался в более поздних аркадных видеоиграх Midway [30] и в Space Invaders 1978 года от Taito , одна из самых успешных и известных аркадных видеоигр. [31] [32]
Zilog представил Z80 , который имеет совместимый набор команд машинного языка и изначально использовал тот же язык ассемблера, что и 8080, но по юридическим причинам Zilog разработал альтернативный синтаксически другой (но совместимый по коду) альтернативный язык ассемблера для Z80. В Intel за 8080 последовал совместимый и более элегантный с электрической точки зрения 8085 .
Позже Intel выпустила 16-битный 8086 , совместимый с языком ассемблера (но не бинарно-совместимый), а затем 8/16-битный 8088 , который был выбран IBM для своего нового ПК , который будет выпущен в 1981 году. Позже NEC создала NEC . V20 (клон 8088 с совместимостью с набором инструкций Intel 80186 ), который также поддерживает режим эмуляции 8080. Это также поддерживается NEC V30 (аналогично улучшенный клон 8086). Таким образом, 8080 благодаря своей архитектуре набора команд (ISA) оказал длительное влияние на историю компьютеров.
Ряд процессоров, совместимых с Intel 8080A, производился в Восточном блоке : KR580VM80A (первоначально маркированный как КР580ИК80) в Советском Союзе , MCY7880 [33] производства Unitra CEMI в Польше , MHB8080A [34] производства TESLA в Польше. Чехословакия , 8080APC [34] производства Tungsram /MEV в Венгрии и MMN8080 [34] производства Microelectronica Bucharest в Румынии .
По состоянию на 2017 год [обновлять]8080 все еще находится в производстве Lansdale Semiconductors. [35]
8080 также изменил способ создания компьютеров. Когда был представлен 8080, компьютерные системы обычно создавались такими производителями компьютеров, как Digital Equipment Corporation , Hewlett-Packard или IBM . Производитель будет производить весь компьютер, включая процессор, терминалы и системное программное обеспечение, такое как компиляторы и операционную систему. Модель 8080 была разработана практически для любого применения, за исключением полноценной компьютерной системы. Компания Hewlett-Packard разработала серию интеллектуальных терминалов HP 2640 на базе 8080. HP 2647 — это терминал, который использует язык программирования BASIC на 8080. Основополагающий продукт Microsoft , Microsoft BASIC , изначально был запрограммирован для 8080.
8080 и 8085 дали начало 8086, который был разработан как совместимое с исходным кодом , хотя и не двоично совместимое , расширение 8080. [36] Эта конструкция, в свою очередь, позже породила семейство чипов x86 , которые продолжают оставаться Основная линейка процессоров Intel. Многие из основных машинных инструкций и концепций 8080 сохранились на широко распространенной платформе x86. Примеры включают 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, [ неясно ], поскольку все его основные элементы все еще присутствуют.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )