Какво има вътре в процесора Intel 8008 (допълнителна информация)

Трудно е да се повярва, че процесорът Intel 8008, предшественик на фамилията процесори х86, се появи преди 45 години – на 1 април 1972 година. Известно е, че историята на неговото създаване е много объркана и навремето само шепа хора считаха този чип за бъдеща легенда. Но сега едва ли някой ще може да оспори величието на 8008, защото той създаде едно гигантско направление в проектирането и производството на чипове. Нека заедно с ентусиаста Кен Шириф (Ken Shirriff) и неговия микроскоп още веднъж да погледнем какво има вътре в този чип и да разгледаме как е устроен.

Ето как изглежда кристалът на процесора Intel 8008. Квадратчетата от всички страни са неголеми площадки, към които се запояват масивните крачета. На чипа се виждат надписите „8008“ отдясно и „Intel 1971“ отдолу. Инициалите HF в горния десен квадрант са на Хол Фини (Hal Feeney), създал логическата и физическата схема на процесора. Заедно с Фини по този процесор са работили Тед Хоф, Стен Мезър и Федерико фагин.

Ето кои са функционалните зони на този чип. В горната лява страна се намира АЛУ – аритметично-логическото устройство (Arithmetic/Logic Unit, ALU), което се занимава с изчисленията на данните. ALU има два временни регистъра за съхраняване на входните данни. Те са доста големи по размери, не заради сложността на ALU, а заради големината на използваните транзистори.

Малко по-долу от регистрите се намира логиката за генериране на флага Carry. При събиране и изваждане, флагът за пренос се изчислява едновременно и по този начин се постига по-висока производителност. Преносът при младшите и старшите битове е различен и този логически блок има триъгълна форма.

Триъгълната форма на ALU е твърде необичайна. Обикновено тя има правоъгълна форма, но в 8008 се използват по един блок за всеки бит, които обаче са разположени без особен ред, само за се получи пасване с триъгълника на Carry.

В центъра е разположен регистърът на командите и схемата за декодиране на командите, определяща значението на всяка 8-битова инструкция. Декодирането става с помощта на програмируема логическа матрица (Programmable Logic Array, PLA), която за различните подадени битови последователности генерира управляващите сигнали за целия чип. От дясно се виждат седемте регистъра за временно запомняне на данни, а под тях е разположен стекът от осем 14-битови думи за адреси. За разлика от повечето други процесори, стекът на извикванията в 8008 се намира в самия чип, а не в паметта.

Какви са слоевете в този кристал? За да се отговори на този въпрос е необходимо още по-голямо увеличение. На изображението се се виждат 3 слоя: най-горният е метален, провеждащ електрическия ток. Под него се намира слой от поликристален силиций, който с микроскопа се вижда в оранжево. По-надолу се намира силициевата подложка със сив цвят заедно с частиците, образуващи полупроводници. Подложката не се вижда много добре, но могат да се видят черните линии между чистия силиций и силиция с добавки.

Да разгледаме как е осъществено захранването на процесора: това са сините и червените пътечки. А линията, съставена от няколко цвят е шината на данните, съединяваща ALU (отляво) с процесорните регистри и стека (отдясно). Вижда се, че в първите процесори това съвсем не е лесно, понеже в тях има само един метален слой и захранването трябва да бъде направено по такъв начин, че да няма пресичане на пътечките с късо съединение.

Ето как изглеждат процесорните регистри на 8008. Това е масив от 8х7 DRAM клетки, всяка от които използва 3 транзистора за съхранението на 1 бит. Всеки ред от това изображение показва един от 7-те 8-битови регистъра (A, B, C, D, E, H, L). Отляво се виждат хоризонталните линии за избора на четене или запис, а отгоре се намират вертикалните линии за четене и запис на отделните битове, както и линиите на захранването. Използването на DRAM вместо статични регистри също е необичайно. Експертите свързват това с факта, че Intel първоначално се занимаваше с памети и има голям опит в работата с DRAM.

Към днешен ден устройството на процесора 8008 изглежда примитивно, а има и някои недоглеждания. Чипът има само 18 крачета и за подаването на пълния комплект от данни и адрес са необходими цели 3 входно-изходни такта. Проблемът е съвсем очевиден и следващият i8080 вече е с 40 крачета. От друга страна, да не забравяме, че са минали цели 45 години, което и за хората е много, а за процесорите – дистанция с галактичен размер. Нека и ние разгледаме от тази позиция този забележителен чип и прародител на всички съвременни процесори.