8086 [3] (также называемый iAPX 86 ) [4] — это 16-битный микропроцессор , разработанный Intel в период с начала 1976 года по 8 июня 1978 года, когда он был выпущен . Intel 8088 , выпущенный 1 июля 1979 года [5] представляет собой слегка модифицированный чип с внешней 8-битной шиной данных (позволяющий использовать более дешевые и меньшее количество поддерживающих микросхем ), [примечание 1] и примечателен тем, что процессор, используемый в оригинальный дизайн IBM PC .
8086 дал начало архитектуре x86 , которая в конечном итоге стала самой успешной линейкой процессоров Intel. 5 июня 2018 года Intel выпустила ограниченную серию процессора в честь 40-летия Intel 8086 под названием Intel Core i7-8086K . [5]
В 1972 году Intel выпустила 8008 , первый 8-битный микропроцессор Intel. [примечание 2] Он реализовал набор команд , разработанный Datapoint Corporation для программируемых ЭЛТ-терминалов , который также оказался довольно универсальным. Устройству требовалось несколько дополнительных микросхем для создания функционального компьютера, отчасти из-за того, что оно было упаковано в небольшой 18-контактный «корпус памяти», что исключало использование отдельной адресной шины ( в то время Intel была в основном производителем DRAM ). ).
Два года спустя Intel выпустила 8080 , [примечание 3], в котором использовались новые 40-контактные DIL-корпусы, первоначально разработанные для микросхем калькуляторов , чтобы обеспечить отдельную адресную шину. Он имеет расширенный набор команд, совместимый по исходному коду (не совместимый по двоичному коду ) с 8008 [6] , а также включает несколько 16-битных инструкций для упрощения программирования. Устройство 8080 в конечном итоге было заменено устройством 8085 , работающим с истощающей нагрузкой (1977 г.), которому было достаточно одного источника питания +5 В вместо трех различных рабочих напряжений, как у более ранних чипов. [примечание 4] Другими хорошо известными 8-битными микропроцессорами, появившимися в эти годы, являются Motorola 6800 (1974 г.), General Instrument PIC16X (1975 г.), MOS Technology 6502 (1975 г.), Zilog Z80 (1976 г.) и Motorola 6809 (1978 г.).
Проект 8086 стартовал в мае 1976 года и изначально задумывался как временная замена амбициозному и отложенному проекту iAPX 432 . Это была попытка привлечь внимание к менее запаздывающим 16-битным и 32-битным процессорам других производителей — Motorola , Zilog и National Semiconductor .
Хотя 8086 был 16-битным микропроцессором, он использовал ту же микроархитектуру , что и 8-битные микропроцессоры Intel (8008, 8080 и 8085). Это позволило программам на языке ассемблера , написанным на 8-битной версии, беспрепятственно переходить на . [7] Были добавлены новые инструкции и функции, такие как целые числа со знаком, адресация по основанию + смещению и самоповторяющиеся операции. Были добавлены инструкции, помогающие компилировать исходный код вложенных функций в семействе языков ALGOL , включая Pascal и PL/M . По словам главного архитектора Стивена П. Морса , это стало результатом более ориентированного на программное обеспечение подхода. Другие улучшения включали инструкции микрокода для инструкций языка ассемблера умножения и деления. Конструкторы также предусмотрели наличие сопроцессоров , таких как 8087 и 8089 , поэтому структура шины была спроектирована гибкой.
Первая редакция набора команд и архитектуры высокого уровня была готова примерно через три месяца [примечание 5] , а поскольку инструменты САПР почти не использовались, над чипом одновременно работали четыре инженера и 12 макетчиков. [примечание 6] От идеи до рабочего продукта 8086 потребовалось чуть больше двух лет, что в 1976–1978 годах считалось довольно быстрым для сложной конструкции.
8086 был секвенирован [примечание 7] с использованием смеси случайной логики [8] и микрокода и был реализован с использованием схемы nMOS с истощающей нагрузкой примерно с 20 000 активных транзисторов (29 000, если считать все участки ПЗУ и PLA ). Вскоре он был переведен на новый усовершенствованный производственный процесс nMOS под названием HMOS (высокопроизводительный MOS), который Intel изначально разработала для производства продуктов с быстрой статической оперативной памятью . [примечание 8] За этим последовали версии HMOS-II, HMOS-III и, в конечном итоге, полностью статическая версия CMOS для устройств с батарейным питанием, изготовленная с использованием процессов Intel CHMOS . [примечание 9] Размер оригинального чипа составлял 33 мм², а минимальный размер элемента составлял 3,2 мкм.
Архитектура была определена Стивеном П. Морсом при некоторой помощи Брюса Равенела (архитектора 8087) в доработке окончательных версий. Разработчик логики Джим МакКевитт и Джон Бэйлисс были ведущими инженерами группы разработчиков аппаратного обеспечения [примечание 10], а Билл Полман — менеджером проекта. Наследие 8086 сохранилось в базовом наборе команд современных персональных компьютеров и серверов; 8086 также предоставил свои последние две цифры более поздним расширенным версиям конструкции, таким как Intel 286 и Intel 386 , которые в конечном итоге стали известны как семейство x86 . (Другая ссылка: идентификатор поставщика PCI для устройств Intel равен 8086 h .)
Все внутренние регистры, а также внутренние и внешние шины данных имеют ширину 16 бит, что прочно утвердило идентичность 8086 как «16-битного микропроцессора». 20-битная внешняя адресная шина обеспечивает физическое адресное пространство размером 1 МБ (2 20 = 1 048 576 x 1 байт ). Это адресное пространство адресуется посредством «сегментации» внутренней памяти. Шина данных мультиплексирована с адресной шиной, чтобы уместить все линии управления в стандартный 40-контактный двухрядный корпус . Он обеспечивает 16-битную адресную шину ввода-вывода, поддерживающую 64 КБ отдельного пространства ввода-вывода. Максимальное линейное адресное пространство ограничено 64 КБ просто потому, что внутренние адресные/индексные регистры имеют ширину всего 16 бит. Программирование границ памяти более 64 КБ включает настройку сегментных регистров (см. ниже); эта трудность существовала до тех пор, пока в архитектуре 80386 не были представлены более широкие (32-битные) регистры (аппаратное обеспечение управления памятью в 80286 не помогло в этом отношении, поскольку ширина его регистров все еще составляет всего 16 бит).
Некоторые из управляющих контактов, передающих важные сигналы для всех внешних операций, имеют более одной функции в зависимости от того, работает ли устройство в минимальном или максимальном режиме. Первый режим предназначен для небольших однопроцессорных систем, а второй — для средних и больших систем, использующих более одного процессора (разновидность многопроцессорного режима). Максимальный режим необходим при использовании сопроцессора 8087 или 8089. Напряжение на выводе 33 (MN/ MX ) определяет режим. Изменение состояния контакта 33 меняет функцию некоторых других контактов, большинство из которых связаны с тем, как ЦП обрабатывает (локальную) шину. [примечание 11] Режим обычно встроен в схему и поэтому не может быть изменен программно. Работа этих режимов описана с помощью временных диаграмм в таблицах данных и руководствах Intel. В минимальном режиме все сигналы управления генерируются самим 8086.
8086 имеет восемь более или менее общих 16-битных регистров (включая указатель стека , но исключая указатель команд, регистр флагов и регистры сегментов). К четырем из них, AX, BX, CX, DX, также можно получить доступ как к 8-битным парам регистров (см. рисунок), тогда как остальные четыре, SI, DI, BP, SP, являются только 16-битными.
Благодаря компактному кодированию, принятому в 8-битных процессорах, большинство инструкций представляют собой одноадресные или двухадресные операции, что означает, что результат сохраняется в одном из операндов. Максимум один из операндов может находиться в памяти, но этот операнд памяти также может быть пунктом назначения , тогда как другой операнд, источник , может быть либо регистровым , либо непосредственным . Одна и та же ячейка памяти часто может использоваться как в качестве источника , так и в качестве места назначения , что, помимо других факторов, еще больше способствует плотности кода , сравнимой (а часто и превосходящей) с большинством восьмибитных машин того времени.
Степень общности большинства регистров намного выше, чем у 8080 или 8085. Однако регистры 8086 были более специализированными, чем в большинстве современных миникомпьютеров , а также неявно использовались некоторыми инструкциями. Хотя это вполне разумно для программиста на ассемблере, это усложняет распределение регистров для компиляторов по сравнению с более ортогональными 16-битными и 32-битными процессорами того времени, такими как PDP -11 , VAX , 68000 , 32016 и т. д. С другой стороны. Будучи более регулярным, чем довольно минималистичные, но вездесущие 8-битные микропроцессоры, такие как 6502 , 6800 , 6809 , 8085 , MCS-48 , 8051 и другие современные машины на основе аккумуляторов, значительно проще построить эффективный генератор кода для архитектура 8086.
Еще одним фактором этого является то, что в 8086 также были введены некоторые новые инструкции (отсутствующие в 8080 и 8085) для лучшей поддержки языков программирования высокого уровня на основе стека, таких как Pascal и PL/M ; Некоторые из наиболее полезных инструкций и ret size напрямую поддерживают « соглашение о вызовах Паскаля». (Несколько других, таких как и , были добавлены в последующие процессоры 80186, 80286 и 80386.)push mem-op push immedenter
Стек размером 64 КБ (один сегмент) , растущий в сторону меньших адресов, поддерживается аппаратно ; 16-битные слова помещаются в стек, и на вершину стека указывает SS:SP. Имеется 256 прерываний , которые могут быть вызваны как аппаратно, так и программно. Прерывания могут каскадироваться, используя стек для хранения адресов возврата .
8086 имеет 64 КБ 8-битного (или, альтернативно, 32 КБ 16-битного слова) пространства портов ввода-вывода .
8086 имеет 16-битный регистр флагов . Девять из этих флагов кода состояния активны и указывают текущее состояние процессора: флаг переноса (CF), флаг четности (PF), флаг вспомогательного переноса (AF), флаг нуля (ZF), флаг знака (SF), ловушка. флаг (TF), флаг прерывания (IF), флаг направления (DF) и флаг переполнения (OF). Регистр флагов, также называемый словом состояния, имеет следующую структуру: [9]
Также имеются четыре 16-битных сегментных регистра (см. рисунок), которые позволяют ЦП 8086 необычным образом обращаться к одному мегабайту памяти. Вместо объединения сегментного регистра с адресным регистром, как в большинстве процессоров, адресное пространство которых превышает размер их регистра, 8086 сдвигает 16-битный сегмент всего на четыре бита, прежде чем добавить его к 16-битному смещению (16 × сегмент + смещение). ), таким образом создавая 20-битный внешний (или эффективный, или физический) адрес из 32-битной пары сегмент:смещение. В результате к каждому внешнему адресу можно обратиться с помощью 2 12 = 4096 различных пар сегмент:смещение.
Хотя многие программисты считают эту схему сложной и громоздкой, она также имеет преимущества; небольшая программа (менее 64 КБ) может быть загружена, начиная с фиксированного смещения (например, 0000) в ее собственном сегменте, избегая необходимости перемещения , с не более чем 15 байтами потери выравнивания.
Компиляторы семейства 8086 обычно поддерживают два типа указателей : ближний и дальний . Ближайшие указатели представляют собой 16-битные смещения, неявно связанные с кодом программы или сегментом данных, и поэтому могут использоваться только в частях программы, достаточно маленьких, чтобы поместиться в один сегмент. Дальние указатели представляют собой 32-битные пары сегмент:смещение, разрешающие 20-битные внешние адреса. Некоторые компиляторы также поддерживают огромные указатели, которые подобны дальним указателям, за исключением того, что арифметика указателя на огромном указателе обрабатывает его как линейный 20-битный указатель, в то время как арифметика указателя на дальнем указателе обтекает его 16-битное смещение, не затрагивая часть сегмента. адреса.
Чтобы избежать необходимости указывать ближний и дальний для многочисленных указателей, структур данных и функций, компиляторы также поддерживают «модели памяти», которые определяют размеры указателей по умолчанию. Крошечные (максимум 64 КБ), маленькие (максимум 128 КБ), компактные (данные > 64 КБ), средние (код > 64 КБ), большие ( код , данные > 64 КБ) и огромные (отдельные массивы > 64 КБ) модели охватывают практические комбинации , далеко и огромные указатели на код и данные. Миниатюрная модель означает, что код и данные совместно используются в одном сегменте, как и в большинстве 8-битных процессоров, и могут использоваться, например, для создания файлов .com . Предварительно скомпилированные библиотеки часто выпускаются в нескольких версиях, скомпилированных для разных моделей памяти.
По данным Морса и др.,. [10] разработчики фактически планировали использовать 8-битный сдвиг (вместо 4-битного) для создания физического адресного пространства размером 16 МБ. Однако, поскольку это заставило бы сегменты начинаться с границ 256 байт, а 1 МБ считался очень большим для микропроцессора примерно в 1976 году, от этой идеи отказались. Кроме того, в недорогом 40-контактном корпусе не хватало контактов для дополнительных четырех контактов адресной шины.
В принципе, адресное пространство серии x86 могло быть расширено в более поздних процессорах за счет увеличения значения сдвига, при условии, что приложения получали свои сегменты из операционной системы и не делали предположений об эквивалентности различных пар сегмент:смещение. [примечание 12] На практике использование «огромных» указателей и подобных механизмов было широко распространено, а плоская 32-битная адресация, ставшая возможной благодаря 32-битным регистрам смещения в 80386, в конечном итоге расширила ограниченный диапазон адресации более общим способом.
Поток команд извлекается из памяти в виде слов и при необходимости адресуется процессором внутри на уровне байтов. Механизм организации очереди потока команд позволяет помещать в очередь до 6 байтов потока команд в ожидании декодирования и выполнения. Очередь действует как буфер «первым пришел — первым обслужен» (FIFO), из которого модуль выполнения (EU) извлекает байты инструкций по мере необходимости. Всякий раз, когда в очереди есть место как минимум для двух байтов, BIU пытается выполнить цикл выборки слов из памяти. Если очередь пуста (например, после инструкции ветвления), первый байт в очереди немедленно становится доступным для EU. [11]
Небольшие программы могут игнорировать сегментацию и использовать простую 16-битную адресацию. Это позволяет легко портировать 8-битное программное обеспечение на 8086. Авторы большинства реализаций DOS воспользовались этим, предоставив интерфейс прикладного программирования, очень похожий на CP/M , а также включив простой формат исполняемого файла .com , идентичный в КП/М. Это было важно, когда 8086 и MS-DOS были новыми, потому что это позволяло быстро сделать доступными многие существующие приложения CP/M (и другие), что значительно облегчило принятие новой платформы.
Следующий исходный код сборки 8086 предназначен для подпрограммы с именем , которая копирует строку символов ASCIIZ_strtolower с нулевым завершением из одного места в другое, преобразуя все буквенные символы в нижний регистр. Строка копируется по одному байту (8-битному символу) за раз.
В примере кода используется регистр BP (базовый указатель) для создания кадра вызова — области в стеке, которая содержит все параметры и локальные переменные для выполнения подпрограммы. Этот вид соглашения о вызовах поддерживает реентерабельный и рекурсивный код и используется в языках, подобных Алголу, с конца 1950-х годов. В модели плоской памяти предполагается, в частности, что сегменты DS и ES адресуются к одной и той же области памяти.
Хотя мультиплексированные шины адреса и данных частично заслоняются другими конструктивными решениями в этом конкретном чипе, они немного ограничивают производительность; Передача 16-битных или 8-битных величин выполняется в четырехтактовом цикле доступа к памяти, который быстрее для 16-битных, но медленнее для 8-битных величин по сравнению со многими современными 8-битными процессорами. Поскольку инструкции различаются от одного до шести байтов, выборка и выполнение выполняются одновременно и разделены на отдельные блоки (как и в современных процессорах x86): блок интерфейса шины передает поток команд исполнительному блоку через 6-байтовую очередь предварительной выборки ( форма слабосвязанной конвейеризации ), ускорение операций с регистрами и непосредственными значениями , при этом операции с памятью стали медленнее (четыре года спустя эта проблема с производительностью была исправлена в 80186 и 80286 ). Однако полная (вместо частичной) 16-битная архитектура с ALU полной ширины означала, что 16-битные арифметические инструкции теперь могли выполняться за один цикл ALU (вместо двух, посредством внутреннего переноса, как в 8080 и 8085). , что значительно ускоряет выполнение таких инструкций. В сочетании с ортогонализацией операций по сравнению с типами операндов и режимами адресации , а также другими улучшениями это сделало прирост производительности по сравнению с 8080 или 8085 довольно значительным, несмотря на случаи, когда старые чипы могут быть быстрее (см. ниже).
Как видно из этих таблиц, операции с регистрами и непосредственными операциями были быстрыми (от 2 до 4 тактов), тогда как инструкции операндов памяти и переходы были довольно медленными; прыжки требовали больше тактов, чем на простых 8080 и 8085 , а 8088 (используемый в IBM PC) дополнительно затруднялся из-за более узкой шины. Причин, по которым большинство инструкций, связанных с памятью, были медленными, было три:
Однако производительность доступа к памяти была значительно улучшена в следующем поколении процессоров Intel семейства 8086. И 80186 , и 80286 имели выделенное оборудование для вычисления адреса, что позволяло экономить много циклов, а 80286 также имел отдельные (немультиплексированные) шины адреса и данных.
8086/8088 можно было подключить к математическому сопроцессору для повышения производительности операций с плавающей запятой на основе аппаратного обеспечения/микрокода . Intel 8087 был стандартным математическим сопроцессором для 8086 и 8088, работающим с 80-битными числами. Такие производители, как Cyrix (совместимый с 8087) и Weitek ( не совместимый с 8087), в конечном итоге разработали высокопроизводительные сопроцессоры с плавающей запятой, которые составили конкуренцию 8087.
Тактовая частота изначально была ограничена 5 МГц [примечание 13] , но в последних версиях HMOS была указана частота 10 МГц. Версии HMOS-III и CMOS производились в течение длительного времени (по крайней мере, до 1990-х годов) для встраиваемых систем , хотя их преемник, 80186/80188 (который включает в себя некоторые встроенные периферийные устройства), был более популярен для встроенного использования . .
80C86, CMOS-версия 8086, использовалась в GRiDPad , Toshiba T1200 , HP 110 и, наконец, в Lunar Prospector 1998–1999 годов .
Что касается упаковки, Intel 8086 был доступен как в керамическом, так и в пластиковом DIP-корпусе.
Совместимые — и во многих случаях улучшенные — версии производились компаниями Fujitsu , [23] Harris / Intersil , OKI , Siemens , Texas Instruments , NEC , Mitsubishi и AMD . Например, пара NEC V20 и NEC V30 была аппаратно совместима с 8088 и 8086, хотя NEC создала оригинальные клоны Intel μPD8088D и μPD8086D соответственно, но включила набор команд 80186 вместе с некоторыми (но не всеми) 80186. улучшения скорости, обеспечивающие возможность мгновенного обновления как набора команд, так и скорости обработки без необходимости производителям изменять свои конструкции. Такие относительно простые и маломощные 8086-совместимые процессоры в КМОП до сих пор используются во встраиваемых системах.
Электронная промышленность Советского Союза смогла воспроизвести 8086 посредством промышленного шпионажа и обратного проектирования . Получившаяся микросхема К1810ВМ86 была двоичной и совместимой по выводам с 8086.
i8086 и i8088 были ядрами советских ПК-совместимых настольных компьютеров EC1831 и EC1832 соответственно. (EC1831 — это ЕС-идентификатор IZOT 1036C, а EC1832 — это ЕС-идентификатор IZOT 1037C, разработанного и изготовленного в Болгарии. EC означает «Единая система».) Однако компьютер EC1831 (IZOT 1036C) имел существенные аппаратные отличия от прототипа IBM PC. . EC1831 был первым ПК-совместимым компьютером с динамическим определением размера шины (патент США № 4831514). Позже некоторые принципы EC1831 были приняты в PS/2 (патент США № 5548786) и некоторых других машинах (заявка на патент Великобритании, публикация № GB-A-2211325, опубликованная 28 июня 1989 г.).
[…] 8086 совместим программно с 8080 на уровне ассемблера. […]
Тайминги и кодировки в этом руководстве используются с разрешения Intel и взяты из следующих публикаций: Intel Corporation. Руководство пользователя iAPX 86, 88, 186 и 188, Справочник программиста, Санта-Клара, Калифорния, 1986 г.(Аналогично для iAPX 286, 80386, 80387.)
В оригинальных IBM PC (1981 г.) и PC/XT (1983 г.) FDC физически располагался на отдельной карте-адаптере дискеты. Сам FDC представлял собой NEC µPD765A или его совместимую деталь, например Intel 8272A.
IBM Displaywriter заметно дороже, чем другие промышленные микросхемы, использующие 8086.
