1 процессор 8086 шина адреса бит

Физический факультет

Intel 8086

Intel 8086 — первый 16-битный процессор компании Intel, выпущенный 8 июня 1978 года. Процессор имел набор команд, который применяется и в современных процессорах, именно от этого процессора берёт своё начало известная на сегодня архитектура x86.

Конкурентами микропроцессора i8086 являются такие разработки, как NEC V30, который был на 5% производительнее i8086, но при этом был полностью с ним совместим. Отечественным аналогом является микропроцессор К1810ВМ86, входивший в серию микросхем К1810.

Оглавление документа

Описание

Рынок 8-разрядных микропроцессоров в конце 1970-х был переполнен, и Intel оставляет попытки на нём закрепиться и выпускает первый 16-битный процессор. Процессор i8086 представляет собой модернизированный процессор i8080 и, хотя, разработчики не ставили перед собой цель достичь полной совместимости на программном уровне, большинство программ написанных для i8080 способны выполняться и на i8086. Новый процессор несёт в себе множество изменений, которые позволили значительно (в 10 раз) увеличить производительность по сравнению с предыдущим поколением процессоров.

Регистры

Всего в процессоре i8086 было 14 16-разрядных регистров: 4 регистра общего назначения (AX, BX, CX, DX), 2 индексных регистра (SI, DI), 2 указательных (BP, SP), 4 сегментных регистра (CS, SS, DS, ES), программный счётчик или указатель команды (IP) и регистр флагов (FLAGS, включает в себя 9 флагов). При этом регистры данных (AX, BX, CX, DX) допускали адресацию не только целых регистров, но и их младшей половины (регистры AL, BL, CL, DL) и старшей половины (регистры AH, BH, CH, DH), что позволяло использовать не только новое 16-разрядное ПО, но сохраняло совместимость и со старыми программами (правда, их необходимо было, по крайней мере, перекомпилировать).

Размер шины адреса был увеличен с 16 бит до 20 бит, что позволило адресовать 1 Мбайт (2 20 байт) памяти. Шина данных была 16-разрядной. Однако в микропроцессоре шина данных и шина адреса использовали одни и те же контакты на корпусе. Это привело к тому, что нельзя одновременно подавать на системную шину адреса и данные. Мультиплексирование адресов и данных во времени сокращает число контактов корпуса до 40, но и замедляет скорость передачи данных.

Работа с памятью

Таким образом, память разделяется на сегменты, размером 64 Кбайт каждый и начинающиеся с адреса, кратного 16 (граница параграфа); память в 1 Мбайт разделялась, таким образом, на 16 сегментов. Эти 16 сегментов называют страницами памяти. В компьютере, подобном IBM PC, последние 6 страниц (A, B, C, D, E, F) памяти (т.н. верхняя память – англ. upper memory) использовались для видеопамяти и BIOS-а, это ограничивало память, доступную пользователю, объёмом в 640 Кбайт (т.н. обычная память – англ. conventional memory; страницы 09).

На то время такой режим адресации обеспечивал множество преимуществ: ёмкость памяти могла составлять до 1 Мбайт, хотя команды оперировали 16-битными адресами; упрощалось использование отдельных областей памяти для программы, её данных и стека; упрощалась разработка устройств, совместимых друг с другом.

Система команд

Система команд процессора i8086 состоит из 98 команд (и более 3800 их вариаций): 19 команд передачи данных, 38 команд их обработки, 24 команд перехода и 17 команд управления процессором. Микропроцессор не содержал команды для работы с числами с плавающей запятой. Данная возможность реализовывалась отдельной микросхемой, называемой математический сопроцессор, который устанавливался на материнской плате. Сопроцессор, вовсе не обязательно должен был произвёден Intel (модель i8087), к примеру, некоторые производители микросхем, такие, как Weitek, выпускали более производительные сопроцессоры, чем Intel.

В микропроцессоре i8086 была использована примитивная форма конвейерной обработки. Блок интерфейса с шиной подавал поток команд к исполнительному устройству через 6-байтовую очередь команд. Таким образом, выборка и выполнение новых команд могли происходить одновременно. Это значительно увеличивало пропускную способность процессора и лишало необходимости считывать команды из медленной памяти.

Микрокомпьютеры на основе i8086

В персональных компьютерах процессор i8086 практически не использовался из-за дороговизны специализированных микросхем, которые были необходимы для работы процессора. Это поняли и в Intel, в 1979 году она выпускает процессор i8088, у которого шина данных была 8-битной.

Но всё же в некоторых микрокомпьютерах применялся и i8086, одним из таких является Mycron 2000 — первый коммерческий микрокомпьютер на базе i8086. Машина для обработки текстов IBM Displaywriter, Compaq DeskPro и Wang Professional Computer также использовали i8086.

Источник

1 процессор 8086 шина адреса бит

Микропроцессор КР1810ВМ86, советский аналог Intel 8086

Незначительно изменённая версия процессора с 8-битной шиной данных, выпущенная в 1979 году под названием Intel 8088, применялась в персональных компьютерах IBM PC и IBM PC/XT.

Содержание

История [ править | править код ]

Предшественники [ править | править код ]

В 1972 году Intel выпустила 8008, первый 8-битный микропроцессор. Он использовал набор инструкций, разработанный корпорацией Datapoint для программируемых компьютерных терминалов, пригодный и для универсальных процессоров. Этот процессор требовал нескольких дополнительных микросхем для использования в полноценном компьютере, отчасти потому, что использовал маленький корпус всего лишь с 18 выводами, который использовался для микросхем DRAM, производимых Intel, и соответственно не мог иметь отдельную шину адресов.

Двумя годами позже, в 1974 году, был запущен 8080, в новом, 40-выводном DIP-корпусе, первоначально разработанном для микросхем калькуляторов. Он имел отдельную шину адресов и расширенный набор инструкций, кодово- (не бинарно-) совместимый с 8008, дополненный для удобства программирования несколькими 16-битными инструкциями. Процессор Intel 8080 часто называют первым по-настоящему удобным и полезным микропроцессором. В 1977 году он был заменён на Intel 8085, с одним питающим напряжением (+5 В) вместо трёх различных на предшественнике и несколькими другими усовершенствованиями. Наиболее известными соперниками были 8-битные Motorola 6800 (1974), Microchip PIC16X (1975) (здесь наверное имеется в виду процессор General Instrument CP1600), MOS Technology 6502 (1975), Zilog Z80 (1976) и Motorola 6809 (1978).

Разработка [ править | править код ]

Проект 8086 был начат в мае 1976 года и первоначально задумывался как временная замена для амбициозного и задерживающегося проекта iAPX 432 (также известного как 8800). Это была попытка, с одной стороны, противостоять менее запаздывавшим 16- и 32-битным процессорам других производителей (таких как Motorola, Zilog и National Semiconductor), а с другой — борьбы с угрозой от Zilog Z80 (разработанного командой под руководством ушедшего из Интел Федерико Фаджина), который стал очень успешным. Первая версия архитектуры 8086 (система команд, прерывания, работа с памятью и вводом-выводом) была разработана с середины мая до середины августа Стивеном Морзе. Потом команда разработчиков была увеличена до четырёх человек, которые представили два основных проектных документа — «8086 Architectural Specifications» и «8086 Device Specifications». При разработке не использовалось специализированных CAD-программ, а диаграммы были исполнены из текстовых символов. Использовались уже опробованные элементы микроархитектуры и физической реализации, в основном от Intel 8085.

Описание [ править | править код ]

Рынок 8-разрядных микропроцессоров в конце 1970-х годов был переполнен, и Intel, оставляя попытки закрепиться на нём, выпускает свой первый 16-битный процессор. Процессор Intel 8086 представляет собой модернизированный процессор Intel 8080, и хотя разработчики не ставили перед собой цель достичь полной совместимости на программном уровне, большинство программ, написанных для Intel 8080, способны выполняться и на Intel 8086 после перекомпиляции. Новый процессор несёт в себе множество изменений, которые позволили значительно (в 10 раз) увеличить производительность по сравнению с предыдущим поколением процессоров компании.

Регистры [ править | править код ]

Регистры общего назначения AH AL AX (primary accumulator) BH BL BX (base, accumulator) CH CL CX (counter, accumulator) DH DL DX (accumulator, other functions) Индексные регистры SI Source Index DI Destination Index Указательные регистры BP Base Pointer SP Stack Pointer Регистр состояния 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 (bit position) — — — — O D I T S Z — A — P — C Флаги Сегментные регистры CS Code Segment DS Data Segment ES ExtraSegment SS Stack Segment Указатель команды IP Instruction Pointer

Регистры 8086

Всего в процессоре Intel 8086 было 14 16-разрядных регистров: 4 регистра общего назначения (AX, BX, CX, DX), 2 индексных регистра (SI, DI), 2 указательных (BP, SP), 4 сегментных регистра (CS, SS, DS, ES), программный счётчик или указатель команды (IP) и регистр флагов (FLAGS, включает в себя 9 флагов). При этом регистры данных (AX, BX, CX, DX) допускали адресацию не только целых регистров, но и их младшей половины (регистры AL, BL, CL, DL) и старшей половины (регистры AH, BH, CH, DH), что позволяло использовать не только новое 16-разрядное ПО, но сохраняло совместимость и со старыми программами (правда, их необходимо было, по крайней мере, перекомпилировать).

Шины [ править | править код ]

Размер шины адреса был увеличен с 16 бит до 20 бит, что позволило адресовать 1 Мбайт (2 20 байт) памяти. Шина данных была 16-разрядной. Однако в микропроцессоре шина данных и шина адреса использовали одни и те же контакты на корпусе. Это привело к тому, что нельзя одновременно подавать на системную шину адреса и данные. Мультиплексирование адресов и данных во времени позволяет использовать всего 20 контактов корпуса, но уменьшает скорость передачи данных. Из-за того, что выполнение отдельных команд меньше цикла ввода-вывода, в процессор был введён (впервые) буфер команд на 6 байт, это позволяло выполнять, например, команды сложения параллельно командам ввода-вывода.

Работа с памятью [ править | править код ]

Поскольку регистры и АЛУ процессора 8086 были 16-битными, это накладывало ограничение на операции вычисления адреса и его максимальный размер. Для вычисления адресов, превышающих 16 бит, понадобились бы расширение регистров и АЛУ и переработка системы команд, что, в свою очередь, привело бы к увеличению числа транзисторов, усложнению и удорожанию процессора.

Сегментная адресация памяти использует тот факт, что обращения к памяти со стороны процессора легко можно разделить на обращения к коду программы, обрабатываемым данным и стеку. Обращения к разным типам содержимого памяти отображаются на независимые области памяти в расширенном адресном пространстве — сегменты. В процессоре 8086 для такого отображения адресов используются четыре 16-битных сегментных регистра:

Каждый сегментный регистр определяет адрес начала сегмента в памяти, при этом сегменты могут совпадать или пересекаться. По умолчанию регистр CS используется при выборке инструкций, регистр SS при выполнении операций со стеком, регистры DS и ES при обращении к данным. В случае обращения к данным сегментный регистр по умолчанию может быть изменён путём добавления перед кодом инструкции специального префикса замены сегментаШаблон:Sfn.

При этом, в пределах сегмента используются 16-битные исполнительные адреса, хранящиеся в счётчике команд, указателе стека, либо вычисляемые в соответствии с видом адресации, заданном в коде инструкции. Фактически, процессору всегда доступны 4 области памяти размером 64 Кбайт каждая. Если такой объём оказывается недостаточен, в программу приходится включать логику управления сегментными регистрами. Эта логика может существенно замедлять обращение к памяти, поэтому компиляторы с языков высокого уровня для платформы x86 позволяют указывать модель памяти в соответствии с требуемыми объёмами кода и данных.

Схема, показывающая работу реального режима адресации процессора Intel 8086 и выше

Возможное переполнение при вычислении физического адреса в процессоре 8086 игнорируется. Например, инструкция безусловного перехода по адресу 0010₁₆ при значении сегмента кода FFFF₁₆ выполнит переход по физическому адресу 0. Этого не происходит в старших моделях процессоров x86, например 80286, имевшем 24 адресных линии, поэтому в компьютерах IBM PC/AT для обеспечения совместимости был введен специальный вентиль Gate A20, принудительно обнуляющий бит А20 системной шины адреса.

Поскольку в старших моделях процессоров x86 были введены новые способы расширения адресного пространства, способ, используемый процессором 8086, был назван «режимом реальной адресации».

Система команд [ править | править код ]

Система команд процессора Intel 8086 состоит из 98 команд (и более 3800 их вариаций): 19 команд передачи данных, 38 команд их обработки, 24 команды перехода и 17 команд управления процессором. Возможно 7 режимов адресации. Микропроцессор не содержал команды для работы с числами с плавающей запятой. Данная возможность реализовывалась отдельной микросхемой, называемой математический сопроцессор, который устанавливался на материнской плате. Сопроцессор вовсе не обязательно должен был быть произвёден Intel (модель Intel 8087), к примеру, некоторые производители микросхем, такие как Weitek, выпускали более производительные сопроцессоры, чем Intel.

Система команд процессора Intel 8086 включает в себя несколько очень мощных строковых инструкций. Если инструкция имеет префикс REP (повтор), то процессор будет выполнять операции с блоками — перемещение блока данных, сравнение блоков данных, присвоение определённого значения блоку данных определенной величины, и т. д., то есть, одна инструкция 8086 с префиксом REP может выполнять 4—5 инструкций, выполняемых на некоторых других процессорах. Но следует упомянуть, что подобные приёмы были реализованы и в других процессорах — Zilog Z80 имел инструкции перемещения и поиска блоков, а Motorola 68000 может выполнять операции с блоками, используя всего две команды.

В микропроцессоре Intel 8086 была использована примитивная форма конвейерной обработки. Блок интерфейса с шиной подавал поток команд к исполнительному устройству через 6-байтовую очередь команд. Таким образом, выборка и выполнение новых команд могли происходить одновременно. Это значительно увеличивало пропускную способность процессора и лишало необходимости ожидать считывание команды из памяти при занятом другими операциями интерфейсе микросхемы.

Варианты микропроцессора, аналоги и конкуренты [ править | править код ]

Основными конкурентами микропроцессора Intel 8086 были Motorola 68000, Zilog Z8000, чипсеты F-11 и J-11 семейства PDP-11, MOS Technology 65C816. В некоторой степени, в области военных разработок, конкурентами являлись процессоры-реализации MIL-STD-1750A.

Аналогами микропроцессора Intel 8086 являлись такие разработки, как NEC V30, который был на 5 % производительнее Intel 8086, но при этом был полностью с ним совместим. Советским аналогом являлся микропроцессор К1810ВМ86, входивший в серию микросхем К1810.

Аппаратные режимы [ править | править код ]

Процессоры 8086 и 8088 могут работать в двух режимах: максимальном и минимальномШаблон:Sfn.

Максимальный режим используется в сложных многопроцессорных системах, он также необходим для работы с математическим сопроцессором 8087. В максимальном режиме для выработки сигналов управления системной шиной необходим системный контроллер 8288. В компьютерах IBM PC и PC/XT процессор Intel 8088 используется в максимальном режиме, что позволяет ему работать с математическим сопроцессором 8087, который может быть установлен в сокет на материнской плате компьютера.

Минимальный режим используется в однопроцессорных системах. В этом режиме сигналы управления системной шиной процессор формирует сам.

Аппаратный режим определяется схемой включения процессора и не может быть изменен программно. Для задания режима используется вывод 33 (MN/Шаблон:Overline), который соединяется либо с источником питания, либо с общим проводом. Изменение состояния вывода 33 меняет функции восьми других выводов процессора, отвечающих за управление системной шиной и связь с другими процессорами.

Микросхемы поддержки [ править | править код ]

Для создания микропроцессорной системы на основе процессоров 8086 и 8088 компанией Intel выпускались следующие микросхемы поддержки [4] :

Также с процессорами могли использоваться микросхемы, ранее разработанные для процессоров 8080 и 8085 [4] :

Микрокомпьютеры на основе Intel 8086 [ править | править код ]

Для работы процессора Intel 8086 требовался полностью новый 16-разрядный набор микросхем поддержки (шинные формирователи, мультиплексоры и демультиплексоры, интерфейсные микросхемы, набор различных контроллеров и т. п.). Так как рынок на тот момент был ориентирован на 8-разрядные микропроцессоры, то производителей 16-разрядных микросхем поддержки почти не было. Это привело к тому, что данные микросхемы если и присутствовали, то в весьма ограниченном ассортименте и зачастую имели завышенную рыночную цену. Таким образом, крайне мало производителей решились использовать процессор Intel 8086 в своих персональных компьютерах. Intel, столкнувшись с проблемой сбыта, разработала и выпустила в 1979 году процессор Intel 8088, который отличался от Intel 8086 в основном только 8-битной шиной данных. Однако, этот шаг позволил использовать совместно с Intel 8088 большой ассортимент 8-битных микросхем. На основе Intel 8088 было создано большое число персональных компьютеров, которые оставались популярными в 1970-е и 1980-е годы, а также определили популярность набора команд x86 и, соответственно, дальнейшее развитие как процессоров Intel x86, так и компьютеров на основе данной линейки микропроцессоров. Знаменитый персональный компьютер IBM PC (модель IBM 5150) — прародитель всех современных IBM PC-совместимых машин — был построен именно на Intel 8088.

Тем не менее, дальнейшее развитие 16-разрядных систем со временем привело к выпуску большого ассортимента 16-разрядных микросхем поддержки от различных производителей по доступным ценам. Это позволило разрабатывать дешёвые и разнообразные микрокомпьютеры на процессорах Intel 8086. Однако, к 1982 году в ассортименте Intel появились более современные и производительные процессоры с 16-разрядными шинами данных, Intel 80186 и Intel 80286, и производительные компьютеры стали строиться преимущественно на процессоре Intel 80286 и, реже, на основе Intel 80186. Но всё же в основе некоторых микрокомпьютеров использовался Intel 8086, одним из таких является Mycron 2000 — первый коммерческий микрокомпьютер на базе Intel 8086. Машина для обработки текстов IBM Displaywriter, Compaq DeskPro и Wang Professional Computer также использовали Intel 8086.

Технические характеристики [ править | править код ]

Источник

Регистры процессора Intel 8086: от чипа к транзисторам

Intel 8086 – один из самых влиятельных из когда-либо созданных компьютерных чипов. Он создал архитектуру x86, доминирующую в современных настольных и серверных компьютерах. Я занимался реверс-инжинирингом 8086 на основе фотографий кристаллов, и в данной статье я опишу реализацию регистрового файла (набора регистров).

Кристалл 8086. Отмечено место хранения регистров. Верхние регистры используются блоком интерфейса шины для доступа к памяти, а нижние регистры общего назначения используются исполнительным блоком. Буфер команд – это 6-байтная очередь, состоящая из заранее запрошенных команд.

На фото дано изображение процессора 8086 под микроскопом. Виден металлический слой сверху чипа, под которым прячется кремний. Расположенные по внешнему краю соединительные провода соединяют площадки на кристалле с 40 внешними контактами чипа.

Рамкой обведены пятнадцать 16-битовых регистров 8086 и шесть байтов очереди предварительного запроса команд (предвыборки кода). Регистры занимают значительную часть кристалла, хотя в сумме их наберётся всего на 36 байт. Из-за ограничений по площади у первых микропроцессоров было относительно небольшое количество регистров. Для сравнения, у современных чипов процессоров есть килобайты регистров и мегабайты кэшей.

8086 был одним из самых ранних микропроцессоров, реализовавших предвыборку кода, однако у Motorola 68000 (1979) немного раньше появился буфер предвыборки на 4 байта. В мейнфреймах предвыборка существовала у IBM Stretch (1961), CDC 6600 (1964) и IBM System/360 Model 91 (1966).

Количество регистров у современного процессора подсчитать сложно. Единственное точное число, найденное мною, содержалось в книге «Анатомия высокоскоростного микропроцессора» (1997), подробно описывающей процессор AMD K6. Из-за переименования регистров у современных процессоров физических регистров гораздо больше, чем архитектурных (тех, что видны программисту), а количество физических регистров в документации не указывается. У K6, кроме восьми регистров х86 общего назначения, было 16 микроархитектурных рабочих регистров для переименования.

У процессоров с поддержкой AVX-512 есть 32 512-битовых регистра, то есть для одной этой функции зарезервировано 2 кБ регистров. В таких случаях размер регистров подсчитать ещё сложнее. Что до размера кэша, то у передовых процессоров его объём доходит до 77 МБ.

Как регистры реализуются в кремнии

Начну с описания того, как 8086 создаётся из N-МОП транзисторов. Затем объясню, как делается инвертор, как при помощи инверторов хранятся одиночные биты, и как делается регистр.

8086, как и другие чипы той эпохи, создавались на основе транзисторов типа N-МОП. Эти чипы состояли из кремниевой подложки, в которую при помощи диффузии внедряли примеси из мышьяка или бора, формировавшие транзисторы. Находящиеся над кремнием проводники из поликремния формировали вентили транзисторов и соединяли все компоненты друг с другом. Находившийся ещё выше металлический слой содержал дополнительные проводники. Для сравнения, современные процессоры используют технологию КМОП, комбинирующую N-МОП и P-МОП транзисторы, и содержат множество металлических слоёв.

На схеме ниже показан инвертор, состоящий из N-МОП транзистора и резистора. При низком входном напряжении транзистор выключен, поэтому подтягивающий резистор подтягивает выход вверх. При высоком входном напряжении транзистор включается, соединяет землю и выход, подтягивая выход вниз. Таким образом входящий сигнал инвертируется.

На самом деле, подтягивающий резистор в вентиле N-МОП представляет собой транзистор особого рода. Работающий в режиме обеднения транзистор ведёт себя, как резистор, будучи при этом более компактным и эффективным.

На схеме показано, как из транзистора и резистора получается инвертор. На фото показана реализация на чипе. Металлический слой удалён, чтобы было видно кремний и поликремний.

На фото выше видно, как физически сделан инвертор у 8086. Розоватые участки – это кремний с примесями, делающими его токопроводящим, а линии медного цвета – это поликремний сверху. Транзистор появляется там, где поликремний пересекается с кремнием. Поликремний формирует вентиль транзистора, а участки кремния с двух сторон дают исток и сток. Большой прямоугольник поликремния формирует подтягивающий резистор между +5 В и выходом. Таким образом, схема чипа совпадает со схемой инвертора. Подобные цепи можно рассмотреть под микроскопом и подвергнуть реверс-инжинирингу.

Строительный блок регистра – два инвертора в цепи обратной связи, хранящих один бит (см. ниже). Если на верхнем проводнике 0, правый инвертор выдаст 1 на нижний проводник. Затем левый инвертор выдаст 0 на верхний проводник, завершая цикл. Таким образом цепь оказывается стабильной и «помнит» 0. И наоборот, если на верхнем проводнике 1, она превратится в 0 на нижнем проводнике, и обратно в 1 на верхнем. В итоге цепь может хранить 0 или 1, формируя однобитную память.

У 8086 два спаренных инвертора хранят в регистре один бит. Схема стабильно находится в состоянии 0 или 1.

К паре инверторов добавляются три транзистора, чтобы получилась пригодная для использования ячейка регистра. Один транзистор выбирает ячейку для чтения, второй выбирает ячейку для записи, третий усиливает сигнал при чтении. В центре схемы ниже два инвертора хранят бит. Для чтения бита ток подаётся на красную шину. Это соединяет выход инвертора с разрядной шиной через усиливающий транзистор. Для записи бита ток подаётся на красную шину, соединяющую разрядную шину с инверторами. Подавая высокотоковые сигналы 0 или 1 на разрядную шину (и, соответственно, на хранящийся бит), мы заставляем инверторы переключаться на нужное значение. Отметьте, что разрядная шина используется и для чтения, и для записи.

В других процессорах используются несколько другие ячейки для хранения регистров. 6502 использует дополнительный транзистор в цепи обратной связи инвертора, чтобы разбивать цепь при записи нового значения. Z80 пишет одновременно в оба инвертора, что «облегчает» изменение, однако требует наличия двух проводников для записи. У 8086 есть усиливающий транзистор в каждой ячейке регистра для чтения, а другие процессоры считывают выходной сигнал с обоих инверторов и используют внешний дифференциальный усилитель для усиления сигнала. Базовая ячейка регистра 8086 состоит из 7 транзисторов (7Т), что больше, чем в типичной статичной ячейке RAM, использующей 6 или 4 транзистора, однако она использует только одну разрядную шину, а не две разных. Динамическая память (DRAM) работает гораздо эффективнее, и использует один транзистор и конденсатор, однако без обновления данных они будут утеряны.

Принципиальная схема хранящей бит ячейки регистра. Регистровый файл делается из массива таких ячеек.

Регистровый файл состоит из матрицы ячеек регистров, подобных описанному выше. Ширина матрицы составляет 16 ячеек, поскольку в регистрах хранятся 16-битные значения. Каждый регистр расположен по горизонтали, поэтому шина чтения или записи выбирает все ячейки определённого регистра. 16 вертикальных разрядных шин формируют единую шину, поэтому все 16 битов в выбранном регистре читаются и записываются параллельно.

На фото ниже показан увеличенный регистровый файл 8086 общего назначения, и видна матрица регистровых ячеек: 16 столбцов и 8 строк, 8 16-битных регистров. Затем дано увеличение одной регистровой ячейки в файле. Объясню, как реализована эта ячейка.

Фото кристалла 8086 с увеличением нижнего регистрового файла (восьми 16-битовых регистров), а потом и отдельной регистровой ячейки. Чтобы было видно кремниевые структуры, металлический и поликремниевый слои удалены.

8086 делается из кремния с примесями и поликремниевых проводников с металлическими проводниками сверху. На левом фото ниже показаны вертикальные металлические проводники регистровой ячейки. Отмечены земля, питание и проводники разрядной шины (оставшийся проводник пересекает регистровый файл, но не контачит с ним). На фото справа металлический слой растворён, чтобы было видно поликремний и кремний. Шины чтения и записи – это горизонтальные поликремниевые проводники. Поскольку у чипа только один металлический слой, в регистрах для вертикальных шин используется металл, а для горизонтальных – поликремний, чтобы они не пересекались друг с другом). Сквозные соединения металла и кремния видны как более яркие круги на фото с металлом и как кружки на фото с кремнием.

Ячейка хранения регистра. На фото слева показан металлический слой, а справа – соответствующие слои поликремния и кремния.

На диаграмме ниже показано соответствие физической схемы регистровой ячейки с принципиальной. Инверторы состоят из транзистора А и В и регистров. Транзисторы C, D и E формируются отмеченными кусочками поликремния. Разрядная шина не видна, поскольку располагается в металлическом слое. Отметьте, что схема ячейки памяти сильно оптимизирована для минимизации размера. Также отметьте, что транзистор А гораздо меньше других. У инвертора А довольно слабый выходной ток, поэтому разрядная шина может преодолеть его при записи.

Регистровая ячейка от 8086 с соответствующей схемой

Поддержка 8-битных регистров

Если тщательно изучить кристалл, видно, что некоторые регистровые ячейки имеют немного другую структуру. Слева расположена регистровая ячейка, которую мы уже обсудили, а справа – пара регистровых ячеек с двумя шинами записи вместо одной. На левом фото шина записи пересекает кремний в обеих регистровых ячейках. На правом фото шина «правой записи» пересекает кремний в правой части, однако проходит между участками кремния в левой. И наоборот, шина «левой записи» пересекает кремний с левой стороны и проходит между участками кремния справа. Таким образом, одна шина управляет записью правого бита, а другая – левого. В 16-битном регистре таким образом можно отдельно записывать перемежающиеся 8-битные части.

Регистровая ячейка на кристалле повторяются не единообразно – каждая вторая ячейка является зеркальным отражением предыдущей. Это увеличивает плотность регистровой ячейки – шина питания, идущая между двумя зеркальными ячейками, может питать их обе (то же касается и земли). Зеркальные повторения уменьшают количество требуемых шин питания и земли в два раза.

Хотя на блок-схемах обычно нарисовано, как 16-битные регистры делятся на левую и правую половины, в реальном исполнении биты с каждой из сторон чередуются, вместо того, чтобы всегда хранить первую 8-битовую часть слева, а вторую – справа. Такая реализация упрощает иногда возникающую задачу перемены местами двух половин 16-битного слова. Один из таких случаев – чтение или запись памяти без выравнивания. Другой – операция АЛУ, использующая верхнюю часть регистра – например, АН. Для перемены местами битов между правой и левой половинами потребовалось бы тянуть длинные проводники между всеми битами половин слов. Однако при чередующемся расположении для перемены местами двух половин слова требуется поменять местами каждую пару соседних битов, для чего длинные проводники не нужны. Иначе говоря, чередующееся расположение регистров 8086 облегчает задачу расположения проводников для перемены местами двух половин слова.

Две пары ячеек памяти с разными цепями. У ячеек слева одна шина записи, а справа – отдельные шины записи для левых и правых битов.

Почему у некоторых регистров две шины записи, а других – одна? Причина в том, что у 8086 16-битные регистры, однако к четырём из них можно обращаться и как к 8-битным, как показано ниже. К примеру к 16-битному аккумулятору А можно обращаться как к 8-битному AH (старшая часть аккумулятора) и 8-битному AL (младшая часть) регистрам. Реализация регистров с двумя шинами контроля записи позволяет вести запись в каждую половину регистра отдельно.

Если бы регистровый файл поддерживал только 16-битные регистры вместо 8-битных, процессор мог бы работать, но менее эффективно. Записи в 8-битные половины производились бы путём чтения всех 16 бит, изменения 8-битной половины и записи всех 16 бит. В результате вместо доступа к одному регистру обращение шло бы к трём. При этом регистровому файлу не нужно как-то особо поддерживать чтение 8 бит, поскольку ненужную половину можно просто игнорировать.

Регистры общего назначения в процессоре 8086. Регистры A, B, C и D можно делить на две 8-битных половины.

Многопортовые регистры

Пока что мы рассмотрели восемь «нижних регистров» общего назначения. У 8086 есть также семь «верхних регистров», используемых для доступа к памяти, включая печально известные сегментные регистры. У этих регистров схема работы более сложная, многопортовая, позволяющая одновременно вести несколько процессов чтения и записи. К примеру, многопортовый регистровый файл позволяет прочесть счётчик программы, сегментный регистр и записать другой сегментный регистр – и всё это одновременно.

Приведённая ниже блок-схема отличается от большинства блок-схем для 8086, поскольку показывает реальную физическую реализацию процессора, а не ту, что представляет себе программист. В частности, на диаграмме показано два «регистра внутренних коммуникаций» среди регистров модуля интерфейса шины (справа) вместе с сегментными регистрами, совпадающими с 7 регистрами, которые можно рассмотреть на кристалле. Временные регистры, показанные ниже, физически являются частью АЛУ, поэтому в данной статье я их не рассматриваю.

В книжке «Разработка современных процессоров» обсуждаются сложные системы регистров в процессоре, начиная с 2000-х годов. Там написано, что сложность цепей быстро выходит за рамки трёх портов, а в некоторых передовых процессорах существуют регистровые файлы с 20 или более портами.

Многопортовая регистровая ячейка ниже создана на основе той же схемы из двух инверторов, однако у неё есть три разрядных шины (а не одна, как в предыдущем случае) и пять управляющих шин (вместо двух). Три шины чтения позволяют читать содержимое регистровой ячейки по любой из трёх разрядных шин, а две шины записи позволяют разрядной шине А или С вести запись в регистровую ячейку.

Многопортовая регистровая ячейка в процессоре 8086

На первый взгляд, регистровый файл 8086 выглядит как однородный набор регистров, однако при тщательном рассмотрении видно, что каждый регистр оптимизирован в зависимости от его функции. Некоторые из них – простые 16-битные регистры, и расположены наиболее компактно. К другим 16-битным регистрам можно обращаться как к двум 8-битным, что требует ещё одной управляющей шины. У наиболее сложных регистров есть два-три порта для чтения и один-два для записи. В каждом случае физическая реализация регистровой ячейки тщательно разработана так, чтобы занимать как можно меньше места, в связи с чем форма транзисторов часто получается сложной. Инженеры Intel сжимали схему расположения регистров как можно сильнее, чтобы уместить их все на доступной им площади.

У верхних регистров есть разное количество портов для чтения и записи: два регистра с 3 шинами чтения и 2 шинами записи, один регистр с 2 шинами чтения и 2 шинами записи, четыре регистра с 2 шинами чтения и 1 шиной записи. Три первых регистра – это, вероятно, счётчик программы, непрямой временный регистр и временный регистр операнда. Последние четыре – вероятно, сегментные регистры SS, DS, SS и ES. Также там есть три регистра буфера предварительной выборки команд, каждый с одной шиной для чтения и одной для записи.

Процессор 8088, использовавшийся в оригинальных компьютерах IBM PC, был практически идентичен 8086, кроме того, что у него была 8-битная внешняя шина вместо 16-битной – так стоимость системы получалась меньше. Размер буфера предварительной выборки у 8088 был 4 байта вместо 6 – вероятно, потому, что 4-х байт было достаточно для более медленной шины памяти 8088-го.

В отличие от 8086, регистры предварительной выборки у 8088 поддерживают независимую запись в 8-битные половинки (похоже на регистры A, B, C и D 8088-го, только эти ячейки выглядят по-другому). Всё потому, что 8088 запрашивал команды по одному байту за раз, а не по одному слову, из-за узкой шины. Поэтому регистры предварительной выборки должны поддерживать побайтовую запись, в то время, как 8086-й поддерживает предварительную выборку по словам.

Файл верхних регистров, состоящий из десяти 16-битных регистров. На фото видно кремний и поликремний. Вертикальные красные линии – остатки удалённого металлического слоя. Кликабельно.

Заключение

Хотя 8086 процессору уже 42 года, он до сих пор оказывает значительное влияние на современные компьютеры, поскольку архитектура х86 до сих пор очень часто используется. Регистры 8086 до сих пор существуют в современных компьютерах х86, хотя сегодня они уже имеют длину в 64 бита, а кроме этих регистров существует и множество других.

Кристалл 8086-го очень интересно изучать, поскольку его транзисторы можно рассмотреть под микроскопом. В своё время это был сложный процессор, поскольку на нём расположено 29 000 транзисторов, однако достаточно простой для того, чтобы отследить все цепи и понять, как они работают.

Источник