El Intel 8080 ( «eighty-eighty» ) es el segundo microprocesador de 8 bits diseñado y fabricado por Intel . Apareció por primera vez en abril de 1974 y es una variante extendida y mejorada del diseño anterior 8008 , aunque sin compatibilidad binaria . [3] La velocidad de reloj o límite de frecuencia especificado inicialmente era de 2 MHz , con instrucciones comunes que utilizaban 4, 5, 7, 10 u 11 ciclos de reloj. Como resultado, el procesador puede ejecutar varios cientos de miles de instrucciones por segundo . Dos variantes más rápidas, el 8080A-1 y el 8080A-2, estuvieron disponibles más tarde con límites de frecuencia de reloj de 3,125 MHz y 2,63 MHz respectivamente. [4] El 8080 necesita dos chips de soporte para funcionar en la mayoría de las aplicaciones: el generador/controlador de reloj i8224 y el controlador de bus i8228. El 8080 se implementa en lógica de metal-óxido-semiconductor de tipo N (NMOS) utilizando transistores de modo de mejora no saturado como cargas [5] [6], por lo que exige un voltaje de +12 V y −5 V además de los +5 V compatibles con la lógica transistor-transistor (TTL) principal.
Aunque los microprocesadores anteriores se usaban comúnmente en dispositivos producidos en masa como calculadoras , cajas registradoras , terminales de computadora , robots industriales , [7] y otras aplicaciones, el 8080 tuvo un mayor éxito en un conjunto más amplio de aplicaciones y se le atribuye en gran medida el inicio de la industria de las microcomputadoras . [8] Varios factores contribuyeron a su popularidad: su paquete de 40 pines lo hizo más fácil de interconectar que el 8008 de 18 pines, y también hizo que su bus de datos fuera más eficiente; su implementación NMOS le dio transistores más rápidos que los del 8008 de lógica de semiconductor de óxido de metal (PMOS) de tipo P, al mismo tiempo que simplificó la interconexión al hacerlo compatible con TTL ; había una variedad más amplia de chips de soporte disponibles; su conjunto de instrucciones se mejoró con respecto al 8008; [9] y su bus de direcciones de 16 bits (en comparación con el de 14 bits del 8008) le permitía acceder a 64 KB de memoria, cuatro veces más que el rango de 16 KB del 8008. Se utilizó en los ordenadores personales Altair 8800 y posteriores con bus S-100 hasta que fue reemplazado por el Z80 en esta función, y fue la CPU de destino original para los sistemas operativos CP/M desarrollados por Gary Kildall .
El 8080 influyó directamente en la arquitectura x86 posterior . Intel diseñó el 8086 para que su lenguaje ensamblador fuera lo suficientemente similar al 8080, con la mayoría de las instrucciones mapeándose directamente entre sí, de modo que el código ensamblador transpilado del 8080 pudiera ejecutarse en el 8086. [10]
Los clientes de microprocesadores se mostraron reacios a adoptar el 8008 debido a limitaciones como el modo de direccionamiento único, la baja velocidad de reloj, el bajo número de pines y la pequeña pila en chip, que restringían la escala y la complejidad del software. Se propusieron varios diseños para el 8080, que iban desde simplemente añadir instrucciones de pila al 8008 hasta un alejamiento total de todas las arquitecturas Intel anteriores. [11] El diseño final fue un compromiso entre las propuestas.
Federico Faggin , el creador de la arquitectura 8080 a principios de 1972, propuso el chip a la dirección de Intel e impulsó su implementación. Finalmente obtuvo el permiso para desarrollarlo nueve meses después. Faggin contrató a Masatoshi Shima , quien ayudó a diseñar la lógica del 4004 con él, desde Japón en noviembre de 1972. Shima hizo el diseño detallado bajo la dirección de Faggin, [12] utilizando la metodología de diseño para lógica aleatoria con compuerta de silicio que Faggin había creado para la familia 4000 y el 8008.
El 8080 fue diseñado explícitamente para ser un microprocesador de propósito general para un mayor número de clientes. Gran parte del esfuerzo de desarrollo se dedicó a intentar integrar las funcionalidades de los chips complementarios del 8008 en un solo paquete. Se decidió al principio del desarrollo que el 8080 no sería compatible a nivel binario con el 8008, y en su lugar se optó por la compatibilidad de código fuente una vez ejecutado a través de un transpilador, para permitir que el nuevo software no estuviera sujeto a las mismas restricciones que el 8008. Por la misma razón, así como para ampliar las capacidades de las rutinas e interrupciones basadas en pila, la pila se trasladó a una memoria externa.
Al observar el uso especializado de registros de propósito general por parte de los programadores en sistemas mainframe, Faggin, junto con Shima y Stanley Mazor , decidieron que los registros del 8080 serían especializados y que los pares de registros tendrían un conjunto diferente de usos. [13] Esto también permitió a los ingenieros utilizar los transistores de manera más efectiva para otros fines.
Shima terminó el diseño en agosto de 1973. Después de la regulación de la fabricación de NMOS, se completó un prototipo del 8080 en enero de 1974. Tenía un defecto, ya que la conducción con dispositivos TTL estándar aumentaba el voltaje de tierra porque fluía una corriente alta hacia la línea estrecha. Intel ya había producido 40.000 unidades del 8080 bajo la dirección de la sección de ventas antes de que Shima caracterizara el prototipo. Fue lanzado como requiriendo dispositivos TTL Schottky de bajo consumo (LS TTL). El 8080A solucionó este defecto. [14]
Intel ofreció un simulador de conjunto de instrucciones para el 8080 llamado INTERP/80 para ejecutar programas PL/M compilados . Fue escrito en FORTRAN IV por Gary Kildall mientras trabajaba como consultor para Intel. [15] [16]
El Intel 8080 es el sucesor del 8008. Utiliza el mismo conjunto de instrucciones básicas y el mismo modelo de registros que el 8008, aunque no es compatible con el código fuente ni con el código binario de su predecesor. Cada instrucción del 8008 tiene una instrucción equivalente en el 8080. El 8080 también añade operaciones de 16 bits en su conjunto de instrucciones. Mientras que el 8008 requería el uso del par de registros HL para acceder indirectamente a su espacio de memoria de 14 bits, el 8080 añadió modos de direccionamiento para permitir el acceso directo a su espacio de memoria completo de 16 bits. La pila de llamadas internas de 7 niveles push-down del 8008 fue sustituida por un registro de puntero de pila (SP) de 16 bits dedicado. El empaquetado DIP de 40 pines del 8080 le permite proporcionar un bus de direcciones de 16 bits y un bus de datos de 8 bits , lo que permite el acceso a 64 KiB (216 bytes ) de memoria.
El procesador tiene siete registros de 8 bits (A, B, C, D, E, H y L), donde A es el acumulador primario de 8 bits. Los otros seis registros se pueden utilizar como registros individuales de 8 bits o en tres pares de registros de 16 bits (BC, DE y HL, denominados B, D y H en los documentos de Intel) según la instrucción en particular. Algunas instrucciones también permiten que el par de registros HL se utilice como un acumulador (limitado) de 16 bits. Un pseudoregistro M, que hace referencia a la ubicación de memoria desreferenciada a la que apunta HL, se puede utilizar casi en cualquier lugar donde se puedan utilizar otros registros. El 8080 tiene un puntero de pila de 16 bits a la memoria, que reemplaza la pila interna del 8008 , y un contador de programa de 16 bits .
El procesador mantiene bits de indicadores internos (un registro de estado ), que indican los resultados de las instrucciones aritméticas y lógicas. Sólo ciertas instrucciones afectan a los indicadores. Los indicadores son:
El bit de acarreo se puede configurar o complementar con instrucciones específicas. Las instrucciones de bifurcación condicional prueban los distintos bits de estado de los indicadores. El acumulador y los indicadores juntos se denominan PSW o palabra de estado del programa. La PSW se puede insertar o extraer de la pila.
Al igual que con muchos otros procesadores de 8 bits, todas las instrucciones se codifican en un byte (incluidos los números de registro, pero excluyendo los datos inmediatos), para simplificar. Algunas pueden ir seguidas de uno o dos bytes de datos, que pueden ser un operando inmediato, una dirección de memoria o un número de puerto. Al igual que los procesadores más avanzados, tiene instrucciones CALL y RET automáticas para llamadas y retornos de procedimientos multinivel (que incluso pueden ejecutarse condicionalmente, como saltos) e instrucciones para guardar y restaurar cualquier par de registros de 16 bits en la pila de la máquina. RSTExisten ocho instrucciones de llamada de un byte ( ) para subrutinas en las direcciones fijas 00h, 08h, 10h, ..., 38h. Estas están destinadas a ser suministradas por hardware externo para invocar una rutina de servicio de interrupción correspondiente , pero también se emplean a menudo como llamadas rápidas del sistema . La instrucción que se ejecuta más lentamente es XTHL, que se utiliza para intercambiar el par de registros HL con el valor almacenado en la dirección indicada por el puntero de pila.
Todas las operaciones de 8 bits con dos operandos solo se pueden realizar en el acumulador de 8 bits (el registro A). El otro operando puede ser un valor inmediato, otro registro de 8 bits o un byte de memoria direccionado por el par de registros de 16 bits HL. Los incrementos y decrementos se pueden realizar en cualquier registro de 8 bits o en un byte de memoria direccionado por HL. Se admite la copia directa entre dos registros de 8 bits y entre cualquier registro de 8 bits y un byte de memoria direccionado por HL. Debido a la codificación regular de la MOVinstrucción (utilizando una cuarta parte del espacio de código de operación disponible), existen códigos redundantes para copiar un registro en sí mismo ( MOV B,B, por ejemplo), que son de poca utilidad, excepto para los retrasos. Sin embargo, el código de operación sistemático para MOV M,Mse utiliza en su lugar para codificar la HLTinstrucción halt ( ), deteniendo la ejecución hasta que se produzca un reinicio externo o una interrupción.
Aunque el 8080 es generalmente un procesador de 8 bits, tiene capacidades limitadas para realizar operaciones de 16 bits. Cualquiera de los tres pares de registros de 16 bits (BC, DE o HL, denominados B, D, H en los documentos de Intel) o SP se puede cargar con un valor inmediato de 16 bits (usando LXI), incrementar o decrementar (usando INXy DCX), o agregar a HL (usando DAD). Al agregar HL a sí mismo, es posible lograr el mismo resultado que un desplazamiento aritmético a la izquierda de 16 bits con una instrucción. Las únicas instrucciones de 16 bits que afectan a cualquier indicador son DAD, que establece el indicador CY (acarreo) para permitir la aritmética programada de 24 bits o 32 bits (o mayor), necesaria para implementar la aritmética de punto flotante . BC, DE, HL o PSW se pueden copiar hacia y desde la pila usando PUSHy POP. Se puede asignar un marco de pila usando DAD SPy SPHL. Se puede ejecutar una bifurcación a un puntero calculado con PCHL. LHLDcarga HL desde la memoria direccionada directamente y SHLDalmacena HL de la misma manera. La instrucción XCHG[18] intercambia los valores de los pares de registros HL y DE. XTHLintercambia el último elemento introducido en la pila con HL.
El 8080 admite hasta 256 puertos de entrada/salida (E/S), [19] a los que se accede mediante instrucciones de E/S dedicadas que toman las direcciones de los puertos como operandos. [20] Este esquema de mapeo de E/S se considera una ventaja, ya que libera el espacio de direcciones limitado del procesador. Muchas arquitecturas de CPU utilizan en cambio el denominado E/S mapeado en memoria (MMIO), en el que se utiliza un espacio de direcciones común tanto para la RAM como para los chips periféricos. Esto elimina la necesidad de instrucciones de E/S dedicadas, aunque un inconveniente en tales diseños puede ser que se debe utilizar hardware especial para insertar estados de espera, ya que los periféricos suelen ser más lentos que la memoria. Sin embargo, en algunas computadoras 8080 simples, la E/S se direcciona de hecho como si fueran celdas de memoria, "mapeados en memoria", dejando los comandos de E/S sin usar. El direccionamiento de E/S también puede emplear a veces el hecho de que el procesador envía la misma dirección de puerto de 8 bits tanto al byte de dirección inferior como al superior (es decir, IN 05hcolocaría la dirección 0505h en el bus de direcciones de 16 bits). Se utilizan esquemas de puerto de E/S similares en los Zilog Z80 e Intel 8085 compatibles con versiones anteriores, y en las familias de microprocesadores x86 estrechamente relacionadas.
Uno de los bits de la palabra de estado del procesador (ver más abajo) indica que el procesador está accediendo a los datos de la pila. Con esta señal, es posible implementar un espacio de memoria de pila independiente. Esta característica se utiliza rara vez.
En los sistemas más avanzados, durante el inicio de cada ciclo de máquina, el procesador coloca una palabra de estado de ocho bits en el bus de datos. Este byte contiene indicadores que determinan si se accede a la memoria o al puerto de E/S y si es necesario gestionar una interrupción.
El estado del sistema de interrupción (habilitado o deshabilitado) también se muestra en un pin separado. Para sistemas simples, donde no se utilizan interrupciones, es posible encontrar casos en los que este pin se utiliza como un puerto de salida adicional de un solo bit (por ejemplo, el popular ordenador Radio-86RK fabricado en la Unión Soviética ).
El siguiente código fuente del ensamblador 8080/8085 corresponde a una subrutina denominada memcpyque copia un bloque de bytes de datos de un tamaño determinado de una ubicación a otra. El bloque de datos se copia un byte a la vez, y la lógica de movimiento de datos y de bucle utiliza operaciones de 16 bits.
El bus de direcciones tiene sus propios 16 pines, y el bus de datos tiene 8 pines que se pueden utilizar sin multiplexación. Con los dos pines adicionales (señales de lectura y escritura), es posible ensamblar dispositivos de microprocesador simples muy fácilmente. Solo el espacio de E/S separado, las interrupciones y el DMA necesitan chips adicionales para decodificar las señales de los pines del procesador. Sin embargo, la capacidad de carga de pines es limitada; incluso las computadoras simples a menudo requieren amplificadores de bus.
El procesador necesita tres fuentes de alimentación (−5, +5 y +12 V) y dos señales de sincronización de alta amplitud que no se superpongan. Sin embargo, al menos la última versión soviética КР580ВМ80А podía funcionar con una única fuente de alimentación de +5 V, con el pin de +12 V conectado a +5 V y el pin de −5 V a tierra.
La tabla de distribución de pines, de la documentación que acompaña al chip, describe los pines de la siguiente manera:
Un factor clave en el éxito del 8080 fue la amplia gama de chips de soporte disponibles, que proporcionaban comunicaciones en serie, contador/temporización, entrada/salida, acceso directo a memoria y control de interrupciones programable, entre otras funciones:
El circuito integrado 8080 utiliza puertas nMOS de carga mejorada no saturadas , lo que exige voltajes adicionales (para la polarización de la puerta de carga). Se fabricó en un proceso de puerta de silicio utilizando un tamaño de característica mínimo de 6 μm. Se utiliza una sola capa de metal para interconectar los aproximadamente 4500 transistores [23] en el diseño, pero la capa de polisilicio de mayor resistencia , que requería un voltaje más alto para algunas interconexiones, se implementa con puertas de transistores. El tamaño de la matriz es de aproximadamente 20 mm 2 .
El 8080 se utiliza en muchas de las primeras microcomputadoras, como la computadora MITS Altair 8800 , la computadora terminal Processor Technology SOL-20 y la microcomputadora IMSAI 8080 , formando la base para las máquinas que ejecutan el sistema operativo CP/M (el procesador posterior, casi totalmente compatible y más capaz, Zilog Z80 aprovecharía esto, y Z80 y CP/M se convertirían en la combinación dominante de CPU y sistema operativo del período de 1976 a 1983, tal como lo hicieron x86 y DOS para la PC una década después).
En 1979, incluso después de la introducción de los procesadores Z80 y 8085, cinco fabricantes del 8080 vendían aproximadamente 500.000 unidades por mes a un precio de entre 3 y 4 dólares cada una. [24]
Los primeros microordenadores de placa única , como el MYCRO-1 y el dyna-micro /MMD-1 (véase: Ordenador de placa única ) se basaban en el Intel 8080. Uno de los primeros usos del 8080 lo realizó a finales de los años 70 Cubic-Western Data de San Diego, California, en sus sistemas de cobro automático de tarifas diseñados a medida para sistemas de transporte público de todo el mundo. Un uso industrial temprano del 8080 es como "cerebro" de la línea de productos DatagraphiX Auto-COM (Computer Output Microfiche) que toma grandes cantidades de datos de usuario de cintas de carrete a carrete y los transforma en microfichas. Los instrumentos Auto-COM también incluyen un subsistema completo de corte, procesamiento, lavado y secado de películas automatizado.
Varios de los primeros videojuegos arcade se crearon en torno al microprocesador 8080. El primer videojuego arcade disponible comercialmente que incorporó un microprocesador fue Gun Fight , la reimplementación basada en 8080 de Western Gun de Taito , de lógica discreta, de Midway Games , que se lanzó en noviembre de 1975. [25] [26] [27] [28] (Una máquina de pinball que incorporaba un procesador Motorola 6800 , The Spirit of '76 , ya se había lanzado el mes anterior. [29] [30] ) El 8080 se utilizó luego en videojuegos arcade de Midway posteriores [31] y en Space Invaders de Taito de 1978 , uno de los videojuegos arcade más exitosos y conocidos de todos. [32] [33]
Zilog presentó el Z80 , que tiene un conjunto de instrucciones de lenguaje de máquina compatible e inicialmente utilizó el mismo lenguaje ensamblador que el 8080, pero por razones legales, Zilog desarrolló un lenguaje ensamblador alternativo sintácticamente diferente (pero compatible con el código) para el Z80. En Intel, al 8080 le siguió el 8085, compatible y eléctricamente más elegante .
Más tarde, Intel lanzó el 8086 de 16 bits compatible con lenguaje ensamblador (pero no compatible con binario) y luego el 8088 de 8/16 bits , que fue seleccionado por IBM para su nueva PC que se lanzaría en 1981. Más tarde, NEC fabricó el NEC V20 (un clon del 8088 con compatibilidad con el conjunto de instrucciones Intel 80186 ) que también admite un modo de emulación 8080. Esto también es compatible con el V30 de NEC (un clon del 8086 mejorado de manera similar). Por lo tanto, el 8080, a través de su arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA), tuvo un impacto duradero en la historia de la informática.
Se fabricaron varios procesadores compatibles con el Intel 8080A en el Bloque del Este : el KR580VM80A (inicialmente marcado como КР580ИК80) en la Unión Soviética , el MCY7880 [34] fabricado por Unitra CEMI en Polonia , el MHB8080A [35] fabricado por TESLA en Checoslovaquia , el 8080APC [35] fabricado por Tungsram / MEV en Hungría y el MMN8080 [35] fabricado por Microelectronica Bucharest en Rumania .
A partir de 2017 [actualizar], el 8080 todavía está en producción en Lansdale Semiconductors. [36]
El 8080 también cambió la forma en que se crearon las computadoras. Cuando se introdujo el 8080, los sistemas informáticos generalmente eran creados por fabricantes de computadoras como Digital Equipment Corporation , Hewlett-Packard o IBM . Un fabricante produciría la computadora completa, incluido el procesador, los terminales y el software del sistema, como compiladores y sistema operativo. El 8080 fue diseñado para casi cualquier aplicación, excepto un sistema informático completo. Hewlett-Packard desarrolló la serie HP 2640 de terminales inteligentes en torno al 8080. El HP 2647 es un terminal que ejecuta el lenguaje de programación BASIC en el 8080. El producto fundador de Microsoft , Microsoft BASIC , fue programado originalmente para el 8080.
El 8080 y el 8085 dieron origen al 8086, que fue diseñado como una extensión compatible con el código fuente , aunque no con el binario , del 8080. [37] Este diseño, a su vez, generó más tarde la familia de chips x86 , que sigue siendo la línea principal de procesadores de Intel. Muchas de las instrucciones y conceptos básicos de la máquina del 8080 sobreviven en la plataforma x86 generalizada. Los ejemplos incluyen los registros denominados A , B , C y D y muchos de los indicadores utilizados para controlar los saltos condicionales. El código ensamblador del 8080 todavía se puede traducir directamente a instrucciones x86, [ vago ] ya que todos sus elementos básicos todavía están presentes.
{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)