英特爾8086微處理器是在42年前推出的， 8086是有史以來最有影響力的芯片之一。它開創(chuàng)了x86體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)如今仍占據(jù)著臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器計(jì)算的主導(dǎo)地位。8086處理器芯片的金屬層，大部分遮住了其下的硅片層。在裸片的邊緣，細(xì)細(xì)的綁定線提供了芯片上的焊盤和外部引腳之間的連接，該芯片包含29000個(gè)晶體管。

1、觀察芯片內(nèi)部

大多數(shù)集成電路都是用環(huán)氧樹脂封裝的，除去頂部，可以在中心看到硅芯片。芯片通過微小的綁定線連接到芯片的金屬引腳。這是40針DIP封裝，當(dāng)時(shí)是微處理器的標(biāo)準(zhǔn)封裝。請注意，硅芯片本身僅占芯片尺寸的一小部分。

在顯微鏡下，可以看到8086部件號以及版權(quán)日期。綁定線連接到焊盤和位于頂部的一部分微碼ROM

管芯去除了金屬和多晶硅層，顯示了具有29,000個(gè)晶體管的底層硅。2 標(biāo)簽是根據(jù)我的逆向工程顯示的主要功能塊。芯片的左側(cè)包含16位數(shù)據(jù)路徑：芯片的寄存器和算術(shù)電路。加法器和高位寄存器構(gòu)成與外部存儲(chǔ)器通信的總線接口單元，而低位寄存器和ALU構(gòu)成處理數(shù)據(jù)的執(zhí)行單元。芯片的右側(cè)具有控制電路和指令解碼，以及控制每個(gè)指令的微碼ROM。

在下面的芯片照片中，去掉了金屬和多晶硅層，顯示了底層的硅和29,000個(gè)晶體管。標(biāo)簽顯示了主要的功能塊。芯片的左側(cè)包含16位數(shù)據(jù)通路：寄存器和算術(shù)電路。加法器和上層寄存器構(gòu)成與外部存儲(chǔ)器通信的總線接口單元，下層寄存器和ALU構(gòu)成處理數(shù)據(jù)的執(zhí)行單元。芯片的右側(cè)有控制電路和指令解碼，以及控制每條指令的微碼ROM。

8086的一個(gè)特點(diǎn)是指令預(yù)取，它通過在需要指令之前從內(nèi)存中獲取指令來提高性能。這是由左上方的總線接口單元實(shí)現(xiàn)的，它可以訪問外部存儲(chǔ)器。高位寄存器包括8086的臭名昭著的段寄存器，它提供對比16位地址所允許的64 KB更大的地址空間的訪問。對于每次存儲(chǔ)器訪問，都添加了段寄存器和存儲(chǔ)器偏移量以形成最終的存儲(chǔ)器地址。為了提高性能，8086有一個(gè)單獨(dú)的加法器用于這些內(nèi)存地址計(jì)算，而不是使用ALU。高位寄存器還包括六個(gè)字節(jié)的指令預(yù)取緩沖區(qū)和程序計(jì)數(shù)器。

芯片的左下角存放著執(zhí)行單元，該單元用于執(zhí)行數(shù)據(jù)操作。低位寄存器包括通用寄存器和堆棧指針等索引寄存器。16位ALU執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算(加減法)、布爾邏輯運(yùn)算和移位。ALU不執(zhí)行乘法或除法，這些運(yùn)算是通過一連串的移位和加/減法來完成的，所以速度相對較慢。

微碼計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中最困難的部分之一就是創(chuàng)建控制邏輯，該邏輯用來告知處理器的每個(gè)部分如何執(zhí)行每條指令。1951年，莫里斯·威爾克斯(Maurice Wilkes)提出了微代碼的想法：代替由復(fù)雜的邏輯門電路構(gòu)建控制邏輯，可以用稱為微代碼的特殊代碼代替控制邏輯。為了執(zhí)行一條指令，計(jì)算機(jī)在內(nèi)部執(zhí)行一些更簡單的微指令，這些指令由微碼指定。使用微碼，構(gòu)建處理器的控制邏輯成為編程任務(wù)，而不是邏輯設(shè)計(jì)任務(wù)。

在顯微鏡下，可以看到微碼ROM的內(nèi)容，并且可以根據(jù)每個(gè)位置上是否存在晶體管來讀取位。ROM由512條微指令組成，每條21位寬。每個(gè)微指令指定數(shù)據(jù)在源和目標(biāo)之間的移動(dòng)。它還指定了微操作，可以是跳轉(zhuǎn)，ALU操作，內(nèi)存操作，微代碼子例程調(diào)用。微碼非常有效;一個(gè)簡單的指令(例如遞增或遞減)由兩個(gè)微指令組成，而更復(fù)雜的字符串復(fù)制指令則由八個(gè)微指令實(shí)現(xiàn)。

2、8086的歷史

通往8086的道路并不像你想象的那樣直接和有計(jì)劃。它最早的祖先是1970年的臺(tái)式電腦/終端機(jī)Datapoint 2200。Datapoint 2200是在微處理器誕生之前，所以它使用的是由一塊布滿獨(dú)立TTL集成電路的電路板構(gòu)建的8位處理器。Datapoint咨詢英特爾和德州儀器公司是否可以用一塊芯片取代那塊板子。復(fù)制Datapoint 2200的架構(gòu)，德州儀器在1971年推出了TMX 1795處理器，而英特爾推出的是8008處理器(1972年)。然而，Datapoint拒絕了這些處理器，這是一個(gè)致命的決定。盡管德州儀器公司找不到TMX 1795處理器的客戶而放棄了它，但英特爾還是決定將8008作為產(chǎn)品出售，就此開創(chuàng)了微處理器市場。英特爾在8008之后又推出了改進(jìn)的8080(1974)和8085(1976)處理器。

由于iAPX 432進(jìn)度落后，因此英特爾在1976年決定在iAPX 432就緒之前需要一個(gè)簡單的，權(quán)宜之計(jì)的處理器來銷售。英特爾迅速將8086設(shè)計(jì)成一個(gè)16位處理器，與1978年發(fā)布的8位80804有一定的兼容性。隨著1981年IBM個(gè)人電腦(PC)的推出，8086有了很大的突破。到1983年，IBM PC成為最暢銷的計(jì)算機(jī)，并成為個(gè)人計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。IBM PC中的處理器是8088，是8086的變種，采用8位總線。IBM PC的成功使8086體系結(jié)構(gòu)成為仍然持續(xù)了42年的標(biāo)準(zhǔn)。

IBM PC為什么選擇Intel 8088處理器?據(jù)最初的IBM PC工程師之一David Bradley博士說，關(guān)鍵因素是團(tuán)隊(duì)對Intel開發(fā)系統(tǒng)和處理器的熟悉程度

無論如何，使用8088處理器的決定鞏固了x86系列的成功。IBM PC AT(1984)升級到兼容但功能更強(qiáng)大的80286處理器。1985年，x86系列產(chǎn)品的80386移植到32位，然后在2003年采用AMD Opteron架構(gòu)的移植到 64位。x86體系結(jié)構(gòu)仍在通過AVX-512 矢量操作(2016)等功能進(jìn)行擴(kuò)展 。但是即使進(jìn)行了所有這些更改，x86體系結(jié)構(gòu)仍保留了與原始8086的兼容性。

3、晶體管

8086芯片采用了一種叫做NMOS的晶體管?？梢詫⒕w管視為開關(guān)，控制電流在稱為源極和漏極的兩個(gè)區(qū)域之間流動(dòng)。這種晶體管是通過在硅基底的區(qū)域摻雜雜質(zhì)來制造具有不同電性能的 "擴(kuò)散 "區(qū)域。晶體管由柵極激活，柵極由一種特殊類型的硅制成，稱為多晶硅，層疊在硅基板之上。晶體管通過上面的金屬層連接在一起，構(gòu)建了完整的集成電路。現(xiàn)代的處理器可能有十幾層金屬層，而8086的金屬層只有一層。

硅顯示了算術(shù)邏輯單元(ALU)的一些晶體管。摻雜的導(dǎo)電硅呈深紫色。白色條紋是多晶硅線穿過硅的地方，形成了晶體管的柵極。(23個(gè)晶體管形成7個(gè)門)晶體管的形狀很復(fù)雜，以使布局盡可能高效。此外，晶體管有不同的尺寸，以便在需要的地方提供更高的功率。請注意，相鄰的晶體管可以共享源極或漏極，從而使它們連接在一起。圓圈是硅層和金屬布線之間的連接(稱為過孔)，而小方塊是硅層和多晶硅之間的連接。

8086的本意是在英特爾發(fā)布他們的旗艦iAPX 432芯片之前，作為一個(gè)臨時(shí)性的臨時(shí)處理器，它是由一塊滿是TTL芯片的電路板構(gòu)建的處理器的“后代”。從不起眼的開始，8086的架構(gòu)(x86)意外地最終主導(dǎo)了桌面和服務(wù)器計(jì)算，直到現(xiàn)在。