البحث داخل معالج Intel 8087

القليل من التاريخ لتطوير خط معالجات ثمانية بت المصنعة من قبل شركة إنتل

يبدأ خط المعالجات ذات الثماني بتات تاريخه في أبريل 1972. تم التخطيط في الأصل لاستخدام Intel 8008 في الآلات الحاسبة وأجهزة الإدخال والإخراج ، لكن الشركة المصنعة ، بعد "انعكاس" جيد ، قررت العثور على وجهة جديدة للمجموعة - لتكون المعالج المركزي لجهاز الكمبيوتر. اعتمادًا على تعديلات المعالجات ، كان تردد الساعة 500 أو 800 كيلو هرتز ، وكان الأداء 45000-160000 عملية في الثانية.


إنتل C8008

في أبريل 1974 ، طور Federico Faggini و Masatoshi Shima خطًا جديدًا من المعالجات - Intel 8080 . تم وضع 6000 ترانزستور في حزمة خزفية 40 سنون ، ناقل عنوان 16 بت وناقل بيانات 8 بت ، ذاكرة 64 كيلوبايت عنونة. كان تردد الساعة 2 ميجا هرتز ، وكان الأداء يصل إلى 500000 عملية في الثانية. من أجل أن يصبح المعالج "مريحًا" ، تم تطوير معالج حسابي ، ومولّد للساعة ، وشكل ناقل ، ومؤقت ، ووحدات تحكم في الأجهزة الطرفية ، وما إلى ذلك.


انتل 8080A

بعد ذلك بعامين ، في مارس 1976 ، رأى خط Intel 8085 النور: تم وضع 6500 ترانزستور في علبة من 40 دبوسًا من السيراميك (أو البلاستيك). تراوح تردد الساعة من 3 إلى 8 ميجاهرتز ، عرض ناقل البيانات 8 بت ، عرض ناقل العنوان 16 بت ، الذاكرة عنونة 64 كيلو بايت. لقد تم "مشاركة" هذا الخط بنجاح في الكمبيوتر الشخصي أو في شكل وحدات تحكم دقيقة.



في يونيو 1978 ، بدأ الإنتاج على الخط الأول للشركة من ستة عشر بتًا من المعالجات - Intel 8086 : 29000 ترانزستورات تم وضعها على رقاقة 5.5 × 5.5 مم. تراوح تردد الساعة من 5 إلى 10 ميجاهرتز ، وتراوح الأداء من 330 إلى 750 ألف عملية في الثانية ، وكان عرض ناقل البيانات 16 بت ، وعرض ناقل العنوان 20 بت.


انتل 8086

بعد ذلك بعام ، في صيف 1979 ، أصدرت Intel خط 8088 - رابط انتقالي بين معالجات 8 و 16 بت: 29000 ترانزستور ، كان تردد الساعة 5-10 ميجاهرتز. لكن خط 8088 لم يحظى بشعبية بسبب تكلفته العالية.


انتل P8088

8087

في يونيو 1980 ، تم إصدار خط Intel 8087 من المعالجات المشتركة لـ Intel 8086 ، 8088. احتوت هذه المعالجات على 45000 ترانزستور ، وتراوح تردد الساعة في الإصدارات المختلفة من 4 إلى 10 ميجا هرتز.


إنتل C8087

المعالج الرياضي هو وحدة خاصة لتنفيذ عمليات الفاصلة العائمة ، والتي تعمل بالاقتران مع المعالج المركزي.

من أجل توفير المال من مثل هذه الرفاهية مثل المعالج ، رفضوا ببساطة. ولكن لحل المهام الكثيفة العمالة ، على سبيل المثال ، نفس الحسابات الهندسية ، أصبح تحسين أداء الكمبيوتر أمرًا ضروريًا. تمكنوا من زيادة الأداء بسبب هذه الوحدة الخاصة - معالج رياضي.

وفقًا لـ INTEL ، يمكن لمعالج الرياضيات تقليل الوقت الذي يستغرقه إكمال العمليات الحسابية ، مثل الضرب والقسمة والأسي ، بنسبة 80 بالمائة أو أكثر. لا تتغير سرعة أداء العمليات الحسابية البسيطة ، مثل الجمع والطرح.

داخل رقاقة المعالج إنتل 8087

بالنظر إلى النقطة العائمة Intel 8087 ، لاحظت وجود ميزة مثيرة للاهتمام على الشريحة: مخطط تشكيل انحياز الركيزة. في هذه المقالة ، سأشرح كيف يتم تنفيذ هذه الدائرة باستخدام الدوائر التناظرية والرقمية لإنشاء جهد سلبي.

قامت Intel بتطوير شريحة 8087 في عام 1980 من أجل تحسين أداء أجهزة الكمبيوتر باستخدام معالجات خط 8086/8088 (مثل IBM PC) عند تنفيذ عمليات النقطة العائمة. منذ أن تم تصميم المعالجات الدقيقة الأولى لأداء العمليات مع الأعداد الصحيحة ، كان تنفيذ العمليات بأرقام الفاصلة العائمة بطيئًا ، وهو ما يعني أداء العمليات التجاوزية ، مثل الدوال المثلثية أو اللوغاريتمات. زاد المعالج 8087 بشكل كبير من سرعة تنفيذ مهام النقطة العائمة ؛ تم تنفيذ كل شيء أسرع 100 مرة تقريبًا. كما تم تنفيذ بنية 8087 في معالجات Intel اللاحقة ، ولا تزال تعليمات 8087 مستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الحديثة x86.

تم تقديم أكثر من 60 تعليمات جديدة للمعالج ، بدأ اسمها بالحرف "F" لتمييزها عن التعليمات الصحيحة من Intel 8086.

فتحت شريحة 8087 ، وباستخدام ميكروسكوب عالي الأداء ، التقطت صورًا ، ونتيجة لتصميمها حصلت على الصورة التالية:



الكريستال 8087 معقد للغاية ، يحتوي على 40.000 ترانزستور (وفقًا لـ Intel) أو 45000 (وفقًا لويكيبيديا). يوجد في الصورة طبقة معدنية من الشريحة ، وتقع الاتصالات أعلى الشريحة. توفر الخطوط البيضاء الأكثر سمكًا الطاقة والأرضية لجميع أجزاء الشريحة. تحت الطبقة المعدنية يوجد البولي سيليكون أو السليكون ، الذي تتشكل منه ترانزستورات الرقاقة.

في النصف السفلي من الشريحة توجد دائرة حسابية ممتدة من 80 بت: الأدمغة ، السجلات ، المفاتيح ، الثوابت الرياضية. المستطيل الكبير في منتصف الشريحة هو رمز مصغر ينفذ مجموعة من تعليمات المعالج. في الجزء العلوي توجد دوائر منطقية ودائرة حافلة مقترنة بمعالج 8086.

الخطوط السوداء حول الشريحة في الصورة عبارة عن مركبات ضغط حراري صغيرة تربط منصات اتصال IC (أقسام موصلة معدنية من شكل مربع أو مستطيل ، تقع بشكل أساسي حول محيط البلورة أو الركيزة) مع 40 جهة اتصال على الشريحة. من خلال دراسة الوصف الفني 8087 ، ليس من الصعب تحديد منطقة الاتصال في المصفوفة التي تقابل أي اتصال للدائرة الصغيرة ؛ يتم توصيل 40 دبابيس للرقاقة (مرقمة بعكس اتجاه عقارب الساعة) بـ 40 وسادة على الشريحة.

فيما يلي صورة مكبرة لجزء من المصفوفة ، يمكننا أن نفكر بشكل أفضل في منصات الاتصال. (يرجى ملاحظة أن محطات التأريض ووسادات الطاقة +5 V لها العديد من التوصيلات في نفس الوقت ، مما يزيد من كمية التيار المسلم). ولكن هنا "مفاجأة" - هناك لوحة اتصال إضافية ووصلة تقع بين وسادات الاتصال 40 و 1 ، ولا ترتبط بأي من جهات اتصال الدائرة المصغرة.



بالنظر إلى اتصال الضغط الحراري للأسلاك على الشريحة (الصورة أدناه) ، اتضح أن لوحة الاتصال الغامضة غير متصلة بأي اتصال ، ولكنها متصلة بكتلة صغيرة على شكل مكعب. يقع هذا "المكعب" على نفس القاعدة المعدنية الموجودة في البلورة ، والمتصلة بالركيزة السليكونية للرقاقة ، اللوح.

لقد أجريت تحليلاً هندسيًا لتقنية التصنيع بهدف الكشف عن "أسرار الشركة" وتوصلت إلى استنتاج مفاده أن هذا جزء من دائرة انحياز الركيزة 8087 التي يتم فيها استخدام هذا المركب لتطبيق الجهد السلبي على الركيزة. كيف تعمل هذه الدائرة؟

ما هو تعويض الركيزة؟

في السبعينيات ، تم بناء دوائر متكاملة عالية الكثافة من ترانزستورات n-MOS (ترانزستور تأثير المجال مع بوابة معزولة وقناة من النوع n). توضح الصورة أدناه هيكلها بوضوح. قاعدة الرقاقة عبارة عن ركيزة من السيليكون. كما أن الترانزستورات بدورها مصنوعة من السيليكون. من أجل تغيير نوع الموصلية وتركيز الناقلات في الجزء الأكبر من أشباه الموصلات للحصول على الخصائص المطلوبة ، فإن مناطق السيليكون مخدرة بالشوائب لإنشاء مناطق الانتشار بالخصائص المطلوبة. يمكن اعتبار الترانزستور كمقاوم ، مما يسمح للتيار بالتدفق بين منطقتي الانتشار للمصدر والصرف. يتم التحكم في الترانزستور بواسطة بوابة مصنوعة من البولي سيليكون. يتحكم جهد الدخل عند البوابة في تدفق التيار من المصدر إلى الصرف: تسمح إشارة الجهد العالي عند البوابة بالتدفق من المصدر إلى الصرف ، بينما تمنع إشارة الجهد المنخفض التيار. طبقة أكسيد عازلة تفصل البوابة عن السليكون تحتها ؛ سيتم النظر في أهمية هذه الطبقة بعد ذلك بقليل. يمكن دمج هذه الترانزستورات الصغيرة لتشكيل البوابات المنطقية ومكونات المعالجات الدقيقة وبلورات IC الرقمية الأخرى.



في الدوائر المتكاملة عالية الأداء ، كان من المفيد استخدام "انحياز" سلبي للجهد عبر الركيزة. للحصول على هذا الجهد التحيز الركيزة ، العديد من الرقائق في 1970s كان لها اتصال خارجي متصل بـ -5 V. ومع ذلك ، لم يعجب المهندسون بالرقائق التي تتطلب جهدًا إضافيًا. غالبًا ما كانت رقائق تلك الحقبة بحاجة إلى ثلاثة مصادر طاقة. بالإضافة إلى ذلك ، كان عدد جهات الاتصال على IC محدودًا (كقاعدة عامة ، كان هناك 18 جهة اتصال فقط لشرائح الذاكرة). لذلك ، لم يكن استخدام جهتي اتصال إضافيتين لجهد إضافي حلاً جيدًا. تم العثور على حل جزئي في أواخر السبعينيات: ولدت الرقائق جهد انحياز سلبي في الداخل. لذلك كانت هناك رقائق تم فيها استخدام مصدر طاقة مناسب + 5 فولت ، وهذا سمح بوضوح للمهندسين بأن يكونوا "أكثر سعادة".

داخل دائرة التحيز الركيزة 8087

قد تتساءل كيف يمكن للرقاقة تحويل جهد إيجابي إلى جهد سلبي. الجواب هو دائرة مضخة شحن تسمى مضخة شحن. يستخدم المكثفات كأجهزة تخزين الشحن ، والتي يتم نقلها من مكثف إلى آخر باستخدام نظام مفاتيح. يحتوي "مولد التحيز" في 8087 على مضختي شحن في المقابل. توضح الرسوم البيانية أدناه تشغيل مضخة شحن واحدة. يتم التحكم في مضخة الشحن بواسطة إشارة متذبذبة (Q) وانقلابها (Q). في المرحلة الأولى ، يتم تشغيل الترانزستور العلوي ، ونتيجة لذلك يتم شحن المكثف حتى 5 فولت بالنسبة للأرض. المرحلة الثانية هي حيث يحدث السحر. يتم تشغيل الترانزستور السفلي عن طريق توصيل جانب الجهد العالي للمكثف بالأرض. نظرًا لأن المكثف لا يزال يشحن حتى 5 فولت ، يجب أن يكون الجانب السفلي للمكثف -5 فولت ، مما يخلق جهد الخرج السلبي المطلوب. عندما ينقلب المذبذب مرة أخرى ، يتم تشغيل الترانزستور العلوي وتتكرر الدورة. حصلت مضخة الشحن على اسمها ، لأنها تضخ الشحنة من المخرج إلى الأرض. مضخة الشحن مشابهة لمضخة المياه اليدوية.



لقد فحصت الرقاقة تحت المجهر. تخفي الطبقة المعدنية الترانزستورات أدناه ، وهذا يجعل من الصعب عرض الدائرة. ولكن ، بعد إزالة الطبقة المعدنية بحمض الهيدروكلوريك ، وصلت إلى طبقات السليكون والسيليكون ، الترانزستورات والمكثفات "المكتشفة" ، الموضحة أدناه (المناطق الملونة مجرد ضوضاء ، حيث لم تتم إزالة بعض الأكاسيد بالكامل). تُظهر الصورة أدناه مضختين للشحن: واحدة على يسار لوحة الاتصال ، والثانية أدناه. تحتوي كل مضخة شحن وفقًا للمخطط على ثنائيين ، ومكثف كبير واثنين من الترانزستورات.



المكثفات هي أكثر "سمة" ملحوظة في دائرة انحياز الركيزة. على الرغم من أن أحجامها مجهرية في الواقع ، إلا أنها ضخمة بمعايير قياس أبعاد الشريحة. تشبه منطقة المكثف ذاكرة تسجيل 72 بت تقريبًا (أكثر من 400 ترانزستور). يتكون كل مكثف من البولي سيليكون على جزء من السليكون مفصولة بأكسيد عازل. صفائح البولي سيليكون والسيليكون. في الصورة ، تنتشر المكثفات بالمربعات ؛ هذه المربعات هي نقاط الاتصال بين البولي سيليكون (أو السيليكون) والطبقة المعدنية في الأعلى. (الطبقة المعدنية غير مرئية لأنها تم مسحها).

أربعة ترانزستورات تحكم هي ترانزستورات عالية الطاقة. أحجامها تفوق الترانزستورات التقليدية. الخطوط الحمراء هي مركبات البولي سيليكون التي تشكل مصراع. الخطوط الخضراء - الاتصالات بالطبقة المعدنية ، وربط الترانزستورات بـ +5 فولت أو الأرض. تتكون الثنائيات القريبة من وسادة التلامس من الترانزستورات عند توصيل البوابة والصرف.

يتم تشغيل مضخات الشحن بواسطة مذبذب دائري ، كما هو موضح في الصورة أدناه. يتكون هذا المذبذب الدائري من خمسة محولات في دائرة كهربائية قصيرة. نظرًا لأن عدد العاكسون غريب ، فإن النظام غير مستقر وسيتأرجح. على سبيل المثال ، إذا كان الإدخال للعاكس الأول هو 0 ، فإن خرج العاكس الخامس سيكون 1. لإبطاء سرعة التذبذب ، هناك دائرتان مقاومتان بالسعة في دائرة. نظرًا لأن الأمر يستغرق بعض الوقت لشحن المكثف وتفريغه ، فسوف تتباطأ التذبذبات ، مما سيعطي الوقت لتشغيل مضخة الشحن.



قبل تحليل المعلومات حول مذبذب دائري ، سأوضح كيفية تنفيذ عاكس NMOS القياسي في السيليكون. يظهر أدناه العاكس ، تمثيله التخطيطي وكيفية تنفيذه على رقاقة. يستخدم العاكس الترانزستور ومقاوم الحمل (وهو في الواقع ترانزستور). إذا كانت إشارة الإدخال منخفضة ، يكون الترانزستور في وضع إيقاف التشغيل ، ثم يزود مقاوم الحمل ما يصل إلى +5 فولت. إذا كانت إشارة الإدخال عالية ، يتم تشغيل الترانزستور ، يتم توفير جهد الخرج إلى الأرض. وبالتالي ، فإن الدائرة تعكس الإدخال.



السيليكون المخدر في الصورة هو مساحات كبيرة من اللون البيج. بقع صفراء رقيقة بجوار البنفسج هي مادة البولي سيليكون. الإدخال هو سلك بولي سيليكون. عندما يتقاطع مع السيليكون المخدر ، فإنه يشكل بوابة ترانزستور بين الأرض (تحت المدخلات) والإخراج (فوق المدخلات). يتم تنفيذ مقاوم الحمل في الترانزستور الذي يحتوي على بوابة واستنزاف متصل ببعضهما البعض ؛ يشكل هذا الاتصال هذا الاتصال بين بوابة السليكون متعدد البلورات الترانزستور وتصريفه السليكون. يشكل البولي سيليكون أيضًا سلكًا ناتجًا. وبالتالي ، يتم تنفيذ العاكس على الشريحة مع ترانزستورين.



توضح الصورة أعلاه كيفية تكوين مذبذب دائري على بلورة. يتم عرض جميع العاكسون الخمسة. لكل عاكس اتجاه مختلف ، مما يحسن الهيكل ، كما يشار إلى المقاومات والمكثفات الخاصة بدائرة RC. المقاومات هي ببساطة ترانزستورات بمسافة كبيرة بين المصدر والصرف ، مما يقلل من حركة التيار. تم تصميم المكثفات كمكثفات مضخة الشحن ، ولكنها أصغر حجمًا ؛ السليكون في الأسفل والبولي سيليكون على لوحات مكثّفة عالية الشكل مفصولة بطبقة أكسيد رقيقة عازلة.

الاستنتاجات

مولد الجهد التحيز الركيزة على رقاقة 8087 هو مزيج مثير للاهتمام من دائرة رقمية (مذبذب دائري يتكون من العاكسون) ومضخة شحن تناظرية. تم إدخال دارات مولد جهد التحيز الركيزة في أواخر السبعينيات ، مما جعل من الممكن أن تعمل رقائق الذاكرة والمعالجات الدقيقة على مصدر طاقة واحد +5 فولت ، وكان هذا أكثر ملاءمة بكثير من استخدام ثلاثة مصادر جهد مختلفة. يولد مولد تحيز الركيزة جهدًا سلبيًا من جهد إمداد إيجابي باستخدام مضخة شحن.

على الرغم من أن مولد تحيز الجهد قد يبدو وكأنه لحظة غامضة في تاريخ الكمبيوتر في السبعينيات ، إلا أن هذه العملية لا تزال جزءًا من الدوائر المتكاملة الحديثة ، على الرغم من أن كل شيء أصبح أكثر تعقيدًا.

على الرغم من حقيقة أن شريحة Intel 8087 العائمة تم تطويرها وتشغيلها قبل 38 عامًا ، إلا أن "تأثيرها" أصبح واضحًا اليوم. بفضل مظهره ، تم اعتماد معيار IEEE 754 ، "تم اعتماد معيار IEEE الذي يصف تنسيق تمثيل أرقام الفاصلة العائمة. يتم استخدامه في البرامج (المجمعين من لغات البرمجة المختلفة) وتنفيذ الأجهزة (CPU و FPU) للعمليات الحسابية (العمليات الرياضية). " تظل تعليمات 8087 جزءًا من معالجات x86.

ملاحظات وروابط

1. تم تقديم أكثر من 60 تعليمات جديدة للمعالج ، بدأ اسمها بالحرف "F" ، لتمييزها عن تعليمات Intel 8086 الصحيحة. على سبيل المثال ، نظائر أوامر ADD / MUL / CMP في 8087 بدت مثل FADD / FMUL / FCOM . تم تنفيذ هذه التعليمات باستخدام الأمر 8086 ESC "escape" ، الذي تم تصميمه للسماح لمعالج 8086 بالاتصال بالمعالج المساعد.

أدى ظهور المعالج المشترك إلى إنشاء معيار IEEE 754 في عام 1985 لحساب الفاصلة العائمة.

2. إن تطبيق جهد التحيز السلبي على الركيزة له مزايا عديدة. هذا السعة المخففة المخففة ، التي عجلت من تشغيل الرقاقة ، جعلت جهد عتبة الترانزستور أكثر قابلية للتنبؤ بها وخفضت تيار التسرب.

3. في السابق ، كانت رقائق DRAM والمعالجات الدقيقة تتطلب غالبًا ثلاثة مصادر جهد: + 5 فولت (Vcc) ، + 12 فولت (Vdd) و -5 V (Vbb). في أواخر السبعينيات ، مكنت تكنولوجيا الرقائق المتقدمة من استخدام مصدر طاقة واحد. على سبيل المثال ، تطلب جهاز Mostek MK4116 (16 كيلوبايت DRAM منذ عام 1977) ثلاثة مصادر جهد ، بينما يعمل جهاز MK4516 المتقدم (1981) على +5 فولت وحده ، وبالتالي تبسيط تصميمات الأجهزة. حدث الشيء نفسه مع رقائق Intel: 2116 DRAM (16K ، 1977) باستخدام ثلاث فولتات محسنة 2118 (1979) - جهد واحد. استخدم المعالج الدقيق المشهور Intel 8080 (1974) الترانزستورات التي تعمل في وضع التخصيب ، لذلك كان يتطلب ثلاث فولتات. نسخة محسنة ، 8085 (1976) ، استخدمت ترانزستورات استنفاد وتم تشغيلها بمصدر طاقة واحد +5 فولت.

4. لا يرتبط مصدر الطاقة الثالث (+12 فولت) في الرقائق القديمة بتحيز الركيزة. تم استخدام هذا المصدر لأنه في الدوائر المتكاملة MOS المبكرة كانت هناك ترانزستورات تعمل في وضع التخصيب ، مما يزيد من الجهد عند البوابات. +5 , +12 . 1970- ( ) , +12 .

5. . - , , -3 , -5 . . , .

, . ? ? , 30% entry-level , : VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps $20 ? ( RAID1 RAID10, 24 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps , .

Dell R730xd 2 ? 2 Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 $249 ! . c Dell R730xd 5-2650 v4 9000 ?