Intel 8086/8088 и архитектура x86

К концу 1970-х годов рынок 8-битных процессоров был переполнен. Хорошо продавались кристаллы компаний Intel, Motorola и MOS Technology. Особенно успешным считался чип Zilog Z80. К тому же в продаже были распространены клоны этих процессоров, которые зачастую отличались от оригинальных моделей значительно улучшенными характеристиками. Развитие 8-битных решений достигло своего предела, поэтому крупные производители сконцентрировались на разработке 16- и 32-битных «камней».

Разработка 16-битного процессора Intel 8086 стартовала весной 1976 года. Тогда проект 8086 рассматривался лишь промежуточным этапом перед запуском 32-битного iAPX 432 одноименной архитектуры. На этот чип в компании возлагали очень большие надежды, но в то же время понимали, что существующие 8-битные процессоры не смогут обеспечить стабильное финансовое положение компании. К тому же для Intel было делом принципа сместить с лидирующих позиций Zilog Z80, разработанный, как вы уже знаете, Федерико Фаджином. Поэтому было принято решение разработать временную замену iAPX 432 в лице процессора 8086.

Процессор Intel 8086

Разработка 8086 была поручена инженеру Стивену Морсу, который скомпилировал основные спецификации процессора и его архитектуры к середине лета 1976 года. Еще два года понадобилось Intel для его создания. И вот 8 июня 1978 года кристалл 8086 был официально анонсирован.

Процессор производился по 3-мкм техпроцессу и содержал 29 000 транзисторов. Его тактовая частота составляла от 4 до 10 МГц. Разрядность регистров и шины данных равнялась 16 бит, а разрядность шины адреса составляла 20 бит. Объем адресуемой памяти равнялся 1 Мбайт. Максимальное тепловыделение 8086 находилось на уровне 1,75 Вт. В качестве форм-фактора использовался 40-контактный DIP. В ходе разработки процессора инженеры Intel не ставили задачи обратной совместимости на программном уровне 8086 с предыдущими 8-битными моделями, однако большинство программ, написанных для кристалла 8080, можно было запустить на «восемьдесят шестом» после перекомпиляции.

Стивен Морс (справа) — отец «восемьдесят шестого»

Intel 8086 был примерно в 10 раз быстрее, чем модель с индексом 8080. Процессор стал первой реализацией системы команд x86 и одноименной архитектуры, которая впоследствии стала своего рода стандартом и используется в кристаллах AMD и Intel по сей день.

Однако в то время в Intel даже не подозревали, насколько успешным окажется их проект. Продажи 8086 шли очень вяло, и в 1979 году компанию покинул отец «восемьдесят шестого» Стивен Морс. Причина слабых продаж новых процессоров крылась в том, что для их работы были необходимы 16-разрядные микросхемы поддержки. На то время рынок был сосредоточен на производстве вспомогательных чипов для 8-битных процессоров, а 16-битные решения были весьма дорогим удовольствием. Поэтому большинство производителей всё ещё делали ставку на бюджетные 8-разрядные «камни».

Чтобы решить проблему и увеличить продажи 8086, в Intel пошли интересным путем. В 1979 году они выпустили процессор 8088. «Восемьдесят восьмой» был полным аналогом кристалла 8086, за исключением измененной шины данных. Ее ширина была урезана с 16 бит до 8 бит, что позволяло ему работать с 8-разрядными микросхемами поддержки. Одним небольшим изменением Intel наконец создала почву для использования своих 16-битных процессоров.

Процессор Intel 8088

Результаты не заставили себя долго ждать. На то время компания IBM только начинала разработку своего впоследствии очень успешного компьютера IBM 5150. Было решено использовать в системе исключительно 16-битный процессор, и перед инженерами IBM встал выбор между тремя моделями: Motorola 68000 (о нем мы расскажем несколько позже), Intel 8086 и Intel 8088. Для IBM «камни» Intel были более привычными и удобными, поэтому выбор был сделан в пользу «восемьдесят восьмого». К тому же для работы этого процессора можно было использовать более простые 8-разрядные микросхемы поддержки, что позволило IBM создавать более дешевые компьютеры. Еще одним плюсом интеловских кристаллов было то, что у компании Microsoft уже имелся язык программирования BASIC для 8088.

Разработка компьютера 5150 имела огромное значение для компании IBM. Во второй половине 1970-х годов рынок персональных десктопов активно развивался, а IBM уделяла этому сегменту недостаточно внимания. Само собой, в компании осознавали всю его перспективность, в связи с чем и было принято решение о разработке собственной модели ЭВМ.

IBM 5150 — первая модель линейки IBM PC — увидела свет в 1981 году. Топовая версия компьютера оценивалась в 3005 долларов США. Она комплектовалась процессором Intel 8088 с частотой 4,77 МГц, а объем оперативной памяти составлял 64 Кбайт. В качестве устройства для хранения данных в IBM 5150 использовались 5,25-дюймовые дискеты. А несколько позже в продаже появились модели компьютера, которые позволяли использовать аудиокассеты как хранилище данных. Установить жесткий диск в систему было невозможно, однако спустя некоторое время IBM выпустила винчестер, который подключался к 5150 в качестве модуля расширения. Компьютер обладал несколькими портами расширения, через которые, кроме винчестера, подключались видеоадаптеры, карты с портами ввода-вывода и другие устройства.

Младшая версия десктопа стоила почти в два раза меньше — 1565 долларов США. В «урезанной» модели использовался тот же Intel 8088, но объем оперативной памяти составлял всего 16 Кбайт. Во-вторых, в отличие от старшей версии, младшая не комплектовалась CGA-монитором и флоппи-дисководом. В качестве дисплея предлагалось использовать телевизор, а хранить данные можно было на кассетном накопителе. Также, в отличие от топовой версии IBM 5150, младшая модель не работала с операционной системой PC-DOS 1.0 (впоследствии ставшей MS-DOS).

Компьютер IBM 5150

Не сказать, чтобы успех первого IBM PC был ошеломляющим. Да, компьютер неплохо продавался, но не более. В то время можно было приобрести персональный компьютер по более низкой цене и с лучшими характеристиками, нежели у IBM. Зачастую на руку продажам играл сам бренд IBM — его знали все.

В марте 1983 года компания представила обновленную версию 5150 под названием IBM PC/XT. Компьютер базировался на том же процессоре 8088, однако в то же время привнес множество изменений. Так, в компьютер наконец-то был добавлен полноценный жесткий диск с интерфейсом ST-412 объемом 10 Мбайт, а емкость оперативной памяти составляла 128 Кбайт или 256 Кбайт. Комплектация компьютера включала монохромный видеоадаптер MDA или 16-цветный CGA. Спустя некоторое время в системе появилась возможность использовать адаптер EGA. Что касается операционной системы, то в IBM PC/XT использовалась PC-DOS версии 2.0.

Внешне IBM PC/XT мало чем отличался от 5150

Интересно, что IBM не стала защищать архитектуру компьютера PC авторскими правами, в связи с чем на рынке появилось огромное количество клонов этой модели, которые также использовали процессор 8088. Компания Intel лишь выигрывала от такого положения дел.

Стоит отметить, что у самого процессора 8088 также было множество клонов. Их производством занимались такие крупные компании, как AMD, Siemens, NEC и другие.

Intel 80186 и 80286

Сразу после окончания разработки 8086 инженеры Intel принялись за новый проект — процессор 80186. Этот чип базировался на той же архитектуре. Как известно, главным недостатком 8086 считалась необходимость использования многочисленных микросхем поддержки, поэтому в 80186 было решено отказаться от них. Все необходимые компоненты были перенесены в сам процессор. Так, архитектура 80186 уже включала в себя два контроллера прямого доступа к памяти со схемами прерываний (DMA), дешифраторы адреса, трехканальный программируемый таймер-счетчик, генератор синхронизации и программируемый контроллер прерываний. Кроме этого, значительно расширилась система внутренних инструкций. Были добавлены дополнительные команды работы со стеком и портами ввода-выводы, появились новые арифметические команды и команды реализации языков высокого уровня.

Процессор Intel 80186

Что касается технических характеристик процессора, то здесь он ничем не удивил. Кристалл, как и 8086, производился по 3-мкм техпроцессу и содержал 134 000 транзисторов. Разрядность регистров и шины данных составляла 16 бит, шины адреса — 20 бит. Объем адресуемой памяти по-прежнему равнялся 1 Мбайт. Тактовые частоты варьировались от 6 до 25 МГц.

Из-за значительно переработанной архитектуры 80186 не смог применяться IBM PC-совместимых компьютерах, из-за чего он очень редко встречался в компьютерах того времени. Одними из немногочисленных моделей, использующих этот «камень», стали первый в мире лэптоп Dulmont Magnum, компьютеры Mindset, Siemens PC-D, HP 100/200LX, HP 1000CX, школьные десктопы Compis и RM Nimbus, а также некоторые другие устройства.

Dulmont Magnum

Следующим шагом Intel стал запуск процессора с индексом 80286. Он разрабатывался параллельно с 80186, поэтому его тоже можно считать переработанным «восемьдесят шестым», на архитектуре которого он и базировался. 80286, так же как и 80186, был представлен в 1982 году. Если сравнивать архитектуры этих процессоров, то можно заметить, что в «двести восемьдесят шестом» отсутствовали некоторые встроенные модули, которые имелись в 80186. Помимо этого, 80286 отличался увеличенным количеством регистров. В кристалл были добавлены новые инструкции, а также защищенный режим работы «камня».

Процессор Intel 80286

Скажем пару слов о режимах работы процессора. Помимо защищенного режима, 80286 поддерживал и реальный. В нем кристалл был полностью совместим с другими процессорами с архитектурой x86. Проще говоря, на нем запускались программы, предназначенные для 8086 и 8088. При этом объем адресуемой памяти составлял 1 Мбайт. В защищенном режиме емкость адресного пространства могла составлять до 1 Гбайт за счет изменения механизма адресации памяти. Таким образом, в памяти хранилась лишь та часть программы, которая была необходима в данный момент. А в случае обращения к той части, которая не хранилась в памяти, операционная система приостанавливала программу, подгружала необходимые куски кода и продолжала ее выполнение. Несмотря на поддержку защищенного режима, процессором он использовался крайне редко и очень ограниченно.

Теперь поговорим о технических характеристиках устройства. Прежде всего стоит отметить, что 80286 стал первым «камнем» Intel, выпускающимся по 1,5-мкм технологическим нормам. Количество транзисторов процессора составляло 134 000 штук. Тактовая частота зависела от модели и равнялась 6 МГц, 8 МГц, 10 МГц или 12,5 МГц соответственно. Разрядность регистров и шины данных составляла 16 бит, а шина адреса являлась 24-разрядной. Как мы уже говорили, объем адресуемой памяти составлял 16 Мбайт, хотя в защищенном режиме можно было использовать до 1 Гбайт виртуальной памяти. Эффективность процессора была очень высока. При частоте 12,5 МГц модель 80286 выполняла не менее 2,66 миллионов операций в секунду. Для сравнения: 8086 с частотой 10 МГц имел производительность около 0,75 миллионов операций в секунду.

Как и прежде, Intel предоставляла лицензии на производство клонов 80286 сторонним производителям.

Компьютер IBM PC/AT

Основным применением для модели 80286 стали компьютеры IBM PC/AT — третья по счету модель в линейке IBM PC. И самая успешная. В отличие от своих предшественников в лице IBM PC и PC/XT, которые использовали процессор 8088, PC/AT оснащался кристаллом 80286 с частотой 6 или 8 МГц. Особенностью компьютера стало применение 16-разрядной шины ввода-вывода AT bus. Ее использование позволило увеличить максимальный объем оперативной памяти до 16 Мбайт. Например, IBM PC и PC/XT работали лишь с оперативной памятью объемом до 640 Кбайт. На материнской плате компьютера появилась батарейка для питания микросхемы CMOS объемом 50 байт. Прежде ее в системах IBM PC не было. В качестве хранилища данных все так же использовались 5,25-дюймовые дискеты емкостью 1,2 Мбайт, в то время как компьютеры IBM PC и PC/XT поддерживали лишь дискеты с объемом до 360 Кбайт. Графическая система PC/AT была представлена видеоадаптером EGA или PGA. Поздние модели IBM PC/AT комплектовались уже исключительно видеоадаптером VGA. Для работы всех нововведений требовалась иная операционная система — PC-DOS 3.0.

IBM PC/AT стал по-настоящему успешным. Он еще больше укрепил лидирующие позиции IBM и архитектуры x86 на рынке компьютеров.