Die Geschichte der Legende
Heute, im Jahr 2018, feiern wir das vierzigjährige Jubiläum des vielleicht wichtigsten Prozessors in der Geschichte der PCs, nämlich Intel 8086.
Mit ihm begann die Ära der x86-Architektur, die den Grundstein für die Entwicklung von Prozessoren für viele Jahre und Jahrzehnte legte, und ihm verdanken wir die rasante Popularität des Computers als einzelne Einheit, die jedem Benutzer zur Verfügung steht. Zu Ehren des 40-jährigen Jubiläums des Prozessors, mit dem die Umwandlung von Intel in ein Milliarden-Dollar-Unternehmen begann, überreichte das Unternehmen seinen Fans ein kleines symbolisches Geschenk - es war das Jubiläum i7-8086K, der erste Prozessor in der Geschichte von Intel, der sofort mit 5 GHz betrieben werden konnte.
Aber heute werden wir den Ingenieuren moderner Prozessorführer kein Lob aussprechen, sondern 1976 in die ferne Vergangenheit zurückkehren, in der die Geschichte von Intel 8086 begann. Und sie begann mit einem völlig anderen Prozessor.
1976 stellte Intel eine ernsthafte Aufgabe für seine Ingenieure: den weltweit ersten Mikroprozessor zu entwickeln, der Multitasking unterstützt und über einen im Controller integrierten Speichercontroller verfügt. Jetzt sind diese technologischen Merkmale selbst in den günstigsten Prozessoren auf dem Markt leicht zu finden, aber vor 42 Jahren versprachen solche technologischen Innovationen, eine ganze Ära zu überholen - Intel plante, zu einer Zeit, als 8-Bit-Systeme dominierten, auf 32-Bit-Computer umzusteigen, und sogar 16 -Bits waren sehr weit weg. Leider oder glücklicherweise wurden die Ambitionen der Intel-Führungskräfte mit der harten Realität mehrerer Fristen, technologischen Herausforderungen und der Erkenntnis konfrontiert, dass die Technologie von 1976 noch nicht so weit gegangen war, solch mutige Ideen zu verwirklichen. Und vor allem war Intel so sehr daran interessiert, wie man im Westen sagen würde, eine überentwickelte Architektur zu schaffen, dass die Praktikabilität aus Sicht der Software übersehen wurde. Es war die Unpraktikabilität und bewusste Komplexität des Systems, die bei einem der Treffen von einem Besuchsexperten namens Stephen Morse, einem 36-jährigen Mikroelektronikingenieur, der sich damals auf Software spezialisiert hatte, kritisiert wurde. Trotzdem hatte Intel es nicht eilig, kritische Kommentare zu berücksichtigen, so dass Morses Notizen in einer langen Schachtel lagen.
Wie sich später herausstellte, waren sie äußerst nützlich - bereits im Juli 1976 stellte das kleine Unternehmen Zilog, das vom Erfinder von Intel 4004 und Intel 8008 Federico Fajin gegründet wurde, sowie Intel-Manager Ralph Ungermann und ein weiterer 4004-Entwickler, der Japaner Masatoshi Shima, seinen Prozessor auf den Markt Z-80, das die eigentliche Arbeit an Fehlern auf Basis des Intel 8080 wurde.
Das Zilog-Team verbesserte die Architektur des ursprünglichen Intel-Prozessors und bot einen kostengünstigen und leistungsstarken Prozessor an, der von vielen Herstellern von Geräten und führenden Plattformen dieser Zeit sofort geliebt wurde. Es war der Z-80, der die Basis des legendären ZX Spectrum bildete und auch als Coprozessor im ebenso berühmten Commodore 128 installiert wurde. Der Z-80 wurde in vielen Teilen der Welt unglaublich erfolgreich, und dieser Erfolg konnte nicht unbemerkt bleiben - Intel entschied dringend, dass der Z-80 einen würdigen Konkurrenten brauchte.
Hier erinnerten sich die Unternehmensleiter an die Kommentare von Stephen Morse und schlugen vor, die Entwicklung eines grundlegend neuen Prozessors zu leiten, der mit dem neuen Produkt von Zilog konkurrieren soll. Intel sah keinen besonderen Grund, das Framework für dieses Projekt festzulegen - dann schien es allen, dass der neue Prozessor eine schnelle Antwort auf den Z-80 sein und in den nächsten Jahren vergessen werden würde, sodass Morse grünes Licht für Experimente erhielt. Es war die obsessive Idee, dass der Prozessor auf der Effektivität der Arbeit mit Software aufbauen sollte, wie sich später herausstellte, und wurde zum Schlüssel für die Entwicklung der gesamten Branche.
Im Mai 1976 begann Steve Morse mit der Arbeit an der Architektur des neuen Prozessors. Im Wesentlichen war die Morse zugewiesene Aufgabe einfach. Wenn der neue 16-Bit-Chip die Geschwindigkeit im Vergleich zum 8-Bit-8080 deutlich erhöhen soll, sollte er sich in einer Reihe von Parametern unterscheiden. Intel wollte jedoch, dass die Verbraucher wieder darauf zugreifen können. Als eine der Möglichkeiten, dies zu erreichen, wurde die Möglichkeit in Betracht gezogen, ein System, das für einen weniger leistungsstarken Prozessor ausgelegt ist, auf eine höhere Ebene zu übertragen, wenn es durch ein neues ersetzt wird, das funktioniert. Idealerweise sollte der neue Prozessor mit jedem Programm kompatibel sein, das für den 8080 geschrieben wurde.
Morse musste auf dem Projekt 8080 aufbauen, wonach der Prozessor jedem Ort, an dem die Zahlen gespeichert waren, eine „Adresse“ zuwies, wie z. B. Klassifikatoretiketten. Adressen waren 16-Bit-Binärzahlen, mit denen 65536 verschiedene Adressen bezeichnet werden konnten. Diese Obergrenze war akzeptabel, wenn Entwickler den Speicher sparsam nutzen mussten. Jetzt brauchten die Verbraucher jedoch eine größere Menge und bestanden darauf, die 64-KB-Grenze zu durchbrechen.
Im Juli 1978 kam ein neuer Prozessor namens Intel 8086 auf den Markt.
Sein Ausstieg wurde weder zu einer Sensation noch zu einem unglaublichen Erfolg. Zum ersten Mal kam der Prozessor als Teil mehrerer Budget-Computer in die Regale, die nicht beliebt waren, und wurde auch in verschiedenen Terminals verwendet. Wenig später bildete es die Basis des NASA-Mikrocontrollers, mit dem es bis Anfang der 2000er Jahre zur Steuerung von Raketenstart-Diagnosesystemen eingesetzt wurde.
Morse verließ Intel 1979, kurz bevor das Unternehmen den Intel 8088 einführte, einen fast identischen 8086-Mikroprozessor, der Kompatibilität mit 8-Bit-Systemen bot, indem der 16-Bit-Bus in zwei Zyklen aufgeteilt wurde. Morse selbst nannte diesen Prozessor eine "kastrierte" Version von 8086.
Der legendäre Status von 8088 wurde später erhalten, als IBM 1980 erstmals darüber nachdachte, den PC-Markt zu erobern und einen Computer zu schaffen, der preisgünstig ist und Komponenten der Mittelklasse enthält. Es war der IBM 5150, besser bekannt unter dem Markennamen IBM PC, der den 8088-Prozessor (im Grunde derselbe 8086) erhielt, der Intel selbst unter normalen Benutzern weithin bekannt machte. Aber Motorola 68000 (die Basis des ersten Apple Macintosh) beanspruchte auch den Platz 8088, aber das IBM-Management bevorzugte Intel.
Der IBM-PC entwickelte sich schnell zur Hauptkraft auf dem Markt für Computersysteme, und Intel produzierte nach der Logik von "besser, besser" weiterhin Prozessoren - 80186, 80286, 80386, 80486, Pentium usw. - auf der Grundlage der gleichen Grundlage von Stephen Morse Sie waren bereits im Jahr 8086. Dank der letzten beiden Ziffern wurde die Architektur als „x86“ bekannt, und die unglaubliche Beliebtheit von IBM-Computern verschaffte Intel enorme Gewinne und Markenbekanntheit.
Architektonische Merkmale 8086
In Bezug auf die architektonischen Merkmale stützte sich der Intel 8086 stark auf die Erfahrung bei der Entwicklung des 8080-Prozessors und seines verbesserten Gegenstücks 8085, das im Sommer 1976 auf den Markt kam. Trotz einiger Parallelen war 8086 der erste 16-Bit-Prozessor des Unternehmens mit 16 Datenkanälen und 20 Adresskanälen, der bis zu 1 MB Daten verarbeiten kann, und verfügte über eine breite Palette von Anweisungen, mit denen unter anderem Divisions- / Multiplikationsoperationen durchgeführt werden konnten. Ein Merkmal von 8086 war das Vorhandensein von zwei Modi - Minimum und Maximum, von denen der letzte die Verwendung eines Prozessors in einem System mit mehreren Prozessoren und der erste die Verwendung in klassischen Systemen mit einem Prozessor beinhaltete.
Zum ersten Mal wurde in Intel 8086 eine Anweisungswarteschlange angezeigt, in der bis zu sechs Byte Anweisungen direkt aus dem Speicher gespeichert werden können, wodurch die Verarbeitungszeit erheblich verkürzt wird. Die 16-Bit-Natur des Prozessors basierte nicht nur auf wenigen Komponenten, da 8086 eine 16-Bit-ALU, 16-Bit-Register sowie einen internen und externen Datenbus umfasste, der Daten gemäß 16-Bit-Anweisungen verarbeitete, sodass das System viel schneller arbeitete als mit früheren Intel-Prozessoren.
Natürlich war der 8086 aufgrund derart umfangreicher Innovationen viel teurer als sein Vorgänger, aber der Verbraucher hatte auch die Wahl - Intel bot an, je nach Prozessorfrequenz ein neues Produkt in mehreren Versionen zu kaufen - zwischen 5 und 10 MHz.
Aus architektonischer Sicht bestand der Intel 8086-Mikroprozessor aus zwei Hardwaremodulen - einem Ausführungsmodul und einem Busschnittstellenmodul. Das Ausführungsmodul gab dem Busschnittstellenmodul an, von wo die Befehlsdaten empfangen werden sollen, und fuhr dann mit ihrer Vorbereitung und Ausführung fort. Sein Wesen wurde auf die Datenverwaltung unter Verwendung des Befehlsdecoders und der ALU reduziert, während das Modul selbst keine direkte Verbindung zu den Datenbussen hatte und ausschließlich über das Busschnittstellenmodul arbeitete.
Das Ausführungsmodul enthielt einen ALU-Block, der zur Ausführung logischer und arithmetischer Operationen wie Multiplikation, Division, Addition, Subtraktion oder Operationen vom Typ OR, AND und NOT ausgelegt war. Es gab auch ein 16-Bit-Register von Flags, in dem verschiedene Betriebszustände in der Batterie gespeichert waren - insgesamt 9, davon 6 Statusflags und 3 Systemflags, die den Status des Geräts widerspiegeln.
Ersteres beinhaltete: Übertragsflag, Paritätsflag, Hilfsübertragsflag, Nullflag, Vorzeichenflag und Überlaufflag. Zu den Systemflags gehörten das Trace-Flag, das Enable-Interrupt-Flag und das Richtungsflag.
Zusätzlich zu den Flags enthielt das Betriebsmodul 8 Allzweckregister, mit denen Daten über einen 16-Bit-Bus übertragen wurden. Gleichzeitig wurde die Kompatibilität mit der vorherigen Softwaregeneration für 8-Bit-Systeme aufrechterhalten, da Allzweckregister (AX, BX, CX, DX) sowohl im 16-Bit-Busmodus als auch im Datenlesemodus der unteren (AL, Die Register BL, CL, DL) und High (AH, BH, CH, DH) werden gleichzeitig registriert und bieten einen Zweikanalbetrieb im Format eines 8-Bit-Busses. Aufgrund der Betonung der Kompatibilität mit früheren Plattformen in Bezug auf Software wurde die x86-Architektur zum Schlüssel und diente als Grundlage für die meisten nachfolgenden Prozessoren.
Schließlich war das letzte der Register im Modul ein 16-Bit-Zeigerregister, das die Adresse des Datensegments im Speicherpuffer speicherte, der zum Abschließen der Operation erforderlich war. Die restlichen Funktionsteile gehörten zum benachbarten Busschnittstellenmodul.
Das Busschnittstellenmodul enthielt wesentlich mehr Funktionskomponenten - es reagierte auf die Verarbeitung aller Daten und das Senden von Anweisungen an das Ausführungsmodul, das Lesen von Adressen aus dem Computerspeicher und Informationen von allen verfügbaren Eingabe- / Ausgabeports sowie das Schreiben von Daten in den verfügbaren Speicher und über die oben genannten Ports. Aufgrund der Tatsache, dass das Ausführungsmodul keine direkte Verbindung mit dem Busschnittstellenmodul hatte, interagierten die Blöcke über den internen Datenbus.
Dieses Modul enthält eines der wichtigsten Architekturmerkmale des 8086-Prozessors - die Anweisungswarteschlange. Das Busschnittstellenmodul enthält eine Befehlswarteschlange, die bis zu 6 Bytes von Befehlen in einem Puffer speichern kann und neue Befehle in der Pipeline sendet, nachdem die entsprechende Anforderung vom Ausführungsmodul empfangen wurde. Der Begriff Pipelining tauchte genau mit dem Markteintritt des 8086-Prozessors auf, da er bedeutet, dass der nächste Befehl zu einem Zeitpunkt vorbereitet wird, zu dem der vorherige gerade ausgeführt wird.
Es gibt auch 4 Segmentregister, die dafür verantwortlich sind, die Adressen von Anweisungen und zugehörigen Daten im Speicher des Computers zu puffern und dadurch dem Zentralprozessor Zugriff auf die erforderlichen Segmente zu gewähren. Das Register enthält auch einen Befehlszeiger (IP), der die Adresse des nächsten Befehls für das Ausführungsmodul enthält.
Schließlich ist das letzte der Register ein 16-Bit-Befehlszeiger, der die Adresse des nächsten auszuführenden Befehls enthält.
Intel 8086 war der erste 16-Bit-Prozessor des Unternehmens, der in einem 40-Pin-DIP-Paket (DPI) erhältlich war und zusammen mit vielen anderen Funktionen zu einem der Standards in der Mikroelektronik der folgenden Jahre wurde.
Einfluss und Vermächtnis
Stephen Morse, der das Konzept eines kleinen "Tochter" -Prozessors innerhalb der Mauern von Intel entwickelte, konnte sich kaum vorstellen, dass er kurz davor stand, einen historischen Mikroprozessor zu entwickeln. Intel 8086 war bescheiden und umstritten, aber sein jüngerer Bruder 8088 wurde als Teil des IBM PC / XT berühmt, wodurch Intel berühmt wurde und enorme Gewinne erzielte.
Die x86-Architektur bildete die Basis für alle weiteren Intel-Prozessoren, die den Komfort und die Vielseitigkeit von Morses Konzept "Erst Software - dann Füllung" erkannten. Jeder nachfolgende Prozessor wurde auf der Grundlage des vorherigen aufgebaut und mit neuen Technologien, Anweisungen und Blöcken bewachsen, unterschied sich jedoch im Wesentlichen geringfügig von 8086.
Und selbst heute, wenn man sich den i7 8086K ansieht, muss man verstehen, dass irgendwo tief im Inneren noch die Wurzeln des Prozessors liegen, der vor 40 Jahren das Licht erblickte und die Eröffnung der x86-Ära markierte.
Der Autor des Textes ist Alexander Lis.
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