El Intel 8086 y el Intel 8088 (i8086, llamados oficialmente iAPX 86, e i8088) son los primeros microprocesadores de 16 bits diseñados por Intel. Fueron el inicio y los primeros miembros de la arquitectura x86. El trabajo de desarrollo para el 8086 comenzó en la primavera de 1976 y fue lanzando al mercado en el verano de 1978. El 8088 fue lanzado en 1979.
El 8086 y el 8088 ejecutan el mismo conjunto de instrucciones. Internamente son idénticos, excepto que el 8086 tiene una cola de 6 bytes para instrucciones y el 8088 de solo 4. Exteriormente se diferencian en que el 8086 tiene un bus de datos de 16 bits y el del 8088 es de solo 8 bits, por ello, el 8086 era más rápido. Por otro lado, el 8088 podía usar menos circuitos lógicos de soporte, lo que permitía la fabricación de sistemas más económicos.
El 8088 fue el microprocesador usado para el primer computador personal de IBM, el IBM PC, que salió al mercado en agosto de 1981. Hay que tener en cuenta que la mayoría del hardware, de principios de los 80, era de 8 bits, y más barato. El hardware de 16 bits era casi inexistente en 1981 y carísimo.
El 8088 fue diseñado en Israel, en el laboratorio Intel de Haifa, al igual que un gran número de otros procesadores Intel. En 1972, Intel lanzó el 8008, el primer microprocesador de 8 bits. El 8008 implementó un conjunto de instrucciones diseñado por la corporación Datapoint la cual tenía en mente hacer terminales de CRT programables. El 8008 también demostró ser bastante de propósito general. El dispositivo necesitó varios circuitos integrados adicionales para producir un computador funcional, en parte debido a su pequeño "paquete de memoria" de 18 pines, que eliminó el uso de un bus de direcciones separado (En ese tiempo, Intel era primariamente un fabricante de DRAM).
Dos años más tarde, en 1974, Intel lanzó el 8080, empleando los nuevos paquetes DIL de 40 pines desarrollados originalmente para circuitos integrados de calculadora para permitir un bus de direcciones separado. Tenía un conjunto de instrucciones extendido que era compatible a nivel de código fuente, no de código de máquina binario, con el 8008 y también incluyó algunas instrucciones de 16 bits para hacer la programación más fácil. El dispositivo 8080, con frecuencia descrito como el primer microprocesador verdaderamente útil, fue finalmente sustituido por el 8085, basado en tecnología depletion-load NMOS (1977) que podía trabajar con una sola fuente de alimentación de 5V en vez de los tres diferentes voltajes de funcionamiento de los chips anteriores. Otros microprocesadores de 8 bits bien conocidos que emergieron durante estos años fueron el Motorola 6800 (1974), MOS Technology 6502 (1975), Zilog Z80 (1976), y Motorola 6809 (1978), así como otros.
El proyecto 8086 comenzó en mayo de 1976 y fue pensado originalmente como un sustituto temporal para el ambicioso y retrasado proyecto del iAPX 432. Era un intento de robar la atención de los menos retrasados procesadores de 16 y 32 bits de los otros fabricantes (tales como Motorola, Zilog, y National Semiconductor) y al mismo tiempo contrarrestar la amenaza del Zilog Z80, que llegó a ser muy exitoso (diseñado por anteriores empleados de Intel). Por lo tanto, tanto la arquitectura y el chip físico fueron desarrollados algo rápidamente por un pequeño grupo de personas, y usando los mismos elementos básicos de la microarquitectura y técnicas físicas de implementación que fueron empleadas para el ligeramente más viejo 8085 (y para el cual el 8086 también funcionaría como una continuación).
Comercializado como compatible a nivel de código fuente, el 8086 fue diseñado de modo que el lenguaje ensamblador para el 8008, 8080, o el 8085 pudiera ser convertido automáticamente en (subóptimo) código fuente equivalente del 8086, con poca o ninguna edición a mano. Para hacer esto posible, el modelo de programación y el conjunto de instrucciones fueron (flojamente) basados en el 8080. Sin embargo, el diseño del 8086 fue ampliado para soportar el completo procesamiento de 16 bits, en vez de las bastante básicas capacidades de 16 bits del 8080/8085.
También fueron agregadas nuevas clases de instrucciones, compatibilidad para enteros con signo, direccionamiento de base + offset, y las operaciones auto-repetidas fueron semejantes a las del diseño del Z80, pero todas fueron hechas levemente más generales en el 8086. También fueron agregadas instrucciones que soportaban las funciones anidadas de la familia de lenguajes ALGOL tales como Pascal y PL/M. De acuerdo al principal arquitecto Stephen P. Morse, esto fue un resultado de un acercamiento más centrado en el software que en el que hubo en el diseño de procesadores anteriores de Intel (los diseñadores tenían experiencia trabajando con implementaciones de compiladores). Otras mejoras incluyeron instrucciones de multiplicación y división por microcódigo y una estructura de bus mejor adaptada para futuros coprocesadores (tales como el 8087 y el 8089) y a los sistemas de multiprocesadores.
La primera revisión del conjunto de instrucciones y la arquitectura de alto nivel estaba lista después de cerca de tres meses, y como no fue usada casi ninguna herramienta CAD, cuatro ingenieros y 12 personas de diagramación estaban simultáneamente trabajando en el chip. El 8086 tomó un poco más de dos años desde la idea hasta el producto trabajando, lo que fue considerado algo rápido para un complejo diseño en 1976-1978.
El 8086 fue secuenciado usando una mezcla al azar de lógica y microcódigo y fue implementado usando circuitería de depletion load nMOS con aproximadamente 20.000 transistores activos (29.000 contando todos los sitios del ROM y el PLA). Pronto fue movido a un nuevo proceso de fabricación refinado de nMOS llamado HMOS (por High performance MOS) que Intel desarrolló originalmente para la fabricación de productos de RAM estática rápida. Esto fue seguido por versiones de HMOS-II, HMOS-III, y, eventualmente, una versión completamente estática de CMOS para dispositivos energizados con baterías, manufacturados usando los procesos de CHMOS de Intel. El chip original midió 33 mm² y el mínimo tamaño fue de 3.2 µm.
La arquitectura fue definida por Stephen P. Morse con cierta ayuda y asistencia de Bruce Ravenel (el arquitecto del 8087) en refinar las revisiones finales. Los diseñadores de la lógica Jim McKevitt y John Bayliss fueron los ingenieros que encabezaban el equipo de desarrollo de nivel de hardware, y William Pohlma el gerente para el proyecto. La herencia del 8086 perdura en el conjunto de instrucción básico de los computadores personales y servidores de hoy; el 8086 también prestó sus últimos dos dígitos a posteriores versiones extendidas de diseño, tales como el Intel 286 y el Intel 386, todas las cuales eventualmente serían conocidas como la familia x86. (Otra referencia es que la identificación de vendedor del PCI para los dispositivos de Intel es 8086h!)
El 8086 y el 8088 tienen internamente dos componentes, la Unidad de Interfaz del Bus y la Unidad de ejecución (Bus Interface Unit (BIU) y Execution Unit (EU)).
En la figura de la derecha, la Unidad de Ejecución se encuentra en la parte de abajo y la Unidad de Interfaz del Bus está en la parte superior. Las dos están interconectadas mediante un bus interno.
Los registros del i8086 e i8088 se basaron en el diseño del Intel 8080 y el Intel 8085, y de hecho son compatibles a nivel de lenguaje ensamblador con el i8080. El conjunto de registros también es similar al del i8080, pero ampliados a 16 bits. Tanto el i8086 como el i8088 tienen cuatro registros de propósito general de 16 bits, que también pueden ser accedidos como ocho registros de 8 bits, y tienen cuatro registros índice de 16 bits (incluyendo el puntero de pila). Los registros de datos se usan a veces de forma implícita por las instrucciones, haciendo más difícil la organización de los registros para emplearlos con valores temporales.
Los registros del procesador, se usan para contener los datos con que se está trabajando puesto que el acceso a los registros es mucho más rápido que los accesos a memoria. Se pueden realizar operaciones aritméticas y lógicas, comparaciones, entre otras. Se pueden hacer estas operaciones con todos los registros excepto los de segmento, el IP, y los flags.
Los registros de propósito general son el AX, BX, CX, y DX, de 16 bits. Cada uno de ellos se divide en dos registros de 8 bits, llamados AH y AL, BH y BL, CH y CL, y, DH y DL, H significando High (alto) y L significando Low (bajo), indicando la parte alta o la parte baja del registro correspondiente de 16 bits (ver esquema). Un programa podía usar tanto los registros de 16 bits como los registros de 8 bits. Aparte del uso general de los registros para hacer cálculos aritméticos y lógicos, existen instrucciones que usan estos registros con un uso particular especializado, como se indica a continuación:
Los registros SI y DI están disponibles para direccionamiento indexado y para operaciones de cadenas de caracteres.
Los registros SP (apuntador de pila) y BP (apuntador base) están asociados con el registro SS y permiten al sistema acceder a datos en el segmento de la pila.
Es un registro de 16 bits, de los cuales nueve sirven para indicar el estado actual de la máquina y el resultado del procesamiento. Muchas instrucciones aritméticas y de comparación cambian el estado de las banderas y apoyándose en ellas se pueden tomar decisiones para determinar la acción subsecuente.
La tabla contiene 16 posiciones (de 0 a 15), que son los 16 bits del registro de banderas, numeradas de derecha a izquierda. La posición 0 la encontraremos a la derecha y la posición 15 a la izquierda.
Los bits de las banderas son las siguientes:
Definen áreas de 64 Kb dentro del espacio de direcciones de 1 Mb del 8086. Estas áreas pueden solaparse total o parcialmente. No es posible acceder a una posición de memoria no definida por algún segmento: si es preciso, habrá de moverse alguno.
El registro IP de 16 bits contiene el desplazamiento de dirección de la siguiente instrucción que se ejecuta. El IP está asociado con el registro CS en el sentido de que el IP indica la instrucción actual dentro del segmento de código que se está ejecutando actualmente en la memoria.
Ambos microprocesadores tienen un rango de 65536 direcciones de entrada/salida que se pueden acceder como puertos de 8 o 16 bits. En la parte baja de la memoria hay 256 vectores de interrupción.
Estos procesadores usaban 20 bits de dirección que les permitía acceder hasta 1 MB de memoria. Sus registros internos eran de solo 16 bits, por lo que se desarrolló un mecanismo usando registros de segmento para poder acceder al megabyte de memoria. El 8086 y el 8088 tenían cuatro registros de segmento de 16 bits (CS, DS, ES y SS). En lugar de suministrar los 4 bits faltantes para direccionar los 20 bits, como la mayoría de los procesadores segmentados, el 8086 y el 8088 desplazan el contenido del registro de segmento 4 bits hacia la izquierda y lo suman a una dirección de memoria de 16 bits proveniente de registros índice (BX, SI, DI, BP, SP, IP) y opcionalmente una constante, siendo el resultado la dirección efectiva. Esto suele ser considerado como un mal diseño, aunque puede ser aceptable, e incluso útil en el lenguaje ensamblador. Por el contrario, provoca confusión cuando se hace un uso extensivo de los punteros (como en el lenguaje C), debido a que es posible que dos punteros con diferentes valores apunten a la misma dirección de memoria. Este esquema de segmentos se cambió en el Intel 80286 y luego en el Intel 80386.
Había también cuatro registros de 16 bits de segmento que permitían al 8086 y 8088 tener acceso a un megabyte de memoria de una manera inusual. En vez de concatenar el registro de segmento con el registro de dirección, como en la mayoría de los procesadores cuyo espacio de dirección excedía su tamaño de registro, el 8086 y el 8088 desplazaban el segmento de 16 bits solo cuatro bits hacia la izquierda antes de sumarlo un offset de 16 bits (16×segmento + offset), produciendo una dirección externa (efectiva o física) de 20 bits a partir del par segmento:offset de 32 bits. Consecuentemente, cada dirección externa podía ser referida por 212 = 4096 diferentes pares segmento:offset. La separación de 16 bytes entre las bases del segmento (debido al desplazamiento de 4 bits) fue llamada un párrafo. Aunque fue considerado complicado e incómodo por muchos programadores, este esquema también tenía ventajas; un pequeño programa (menos de 64 KB) podía ser cargado comenzando en un offset fijo (como 0) en su propio segmento, evitando la necesidad de relocalización, con a lo más 15 bytes de alineación desperdiciados.
Los compiladores para la familia 8086 comúnmente soportaban dos tipos de punteros, cerca y lejos (near y far). Los punteros near eran offset de 16 bits implícitamente asociados con el segmento del código o de datos del programa y así podían ser usados solo dentro de partes de un programa suficientemente pequeño para caber en un segmento. Los punteros far eran pares segmento:offset de 32 bits que se resolvían en direcciones externas de 20 bits. Algunos compiladores también soportaban punteros enormes (huge), que eran como los punteros far salvo que la aritmética de puntero en un puntero huge lo trataba como un puntero lineal de 20 bits, mientras que la aritmética de puntero en un puntero huge daba vueltas (wrapped around) dentro de su offset de 16 bits sin tocar la parte del segmento de la dirección.
Para evitar la necesidad de especificar near y far en numerosos punteros, estructuras de datos, y funciones, los compiladores también soportan los "modelos de memoria" que especifican tamaños de puntero por defecto. Los modelos minúsculo (tiny) (64K máximo), pequeño (small) (128K máximo), compacto (compact) (datos > 64K), medio (medium) (código > 64K), grande (large) (código y datos > 64K), y enorme (huge) (arreglos individuales > 64K), cubrían las combinaciones de punteros near. far y enorme para código y datos. El modelo tiny significaba que el código y los datos estaban compartidos en un solo segmento, justo como en la mayoría de los procesadores basados en 8 bits, y podía ser usado para construir archivos .com por ejemplo. Las bibliotecas precompiladas vinieron a menudo en varias versiones compiladas para diversos modelos de memoria.
Según Morse y otros, los diseñadores comtemplaban realmente usar un desplazamiento de 8 bits (en vez de 4 bits), para crear un espacio de dirección física de 16 MB. Sin embargo, pues que esto habría forzado a los segmentos comenzar límites de 256 bytes, y, alrededor de 1976, 1 MB era considerado muy grande para un microprocesador, la idea fue descartada. También, no había suficientes pines disponibles en un paquete barato de 40 pines.
En principio, el espacio de dirección de la serie x86 pudo haberse extendido en procesadores posteriores, aumentando el valor del desplazamiento, mientras las aplicaciones obtuvieran sus segmentos del sistema operativo y no hicieran asunciones sobre la equivalencia de diferentes pares segmento:offset. En la práctica el uso de punteros “huge” y de mecanismos similares era amplio y la dirección plana de 32 bits se hizo posible, con los registros de offset de 32 bits en el 80386, eventualmente extender el límite del rango de direcciones en una forma más general.
Los pequeños programas podían ignorar la segmentación y solo usar la dirección plana de 16 bits. Este permitía al software de 8 bits ser portado con bastante facilidad al 8086 y 8088. Los autores del MS-DOS tomaron ventaja de esto proporcionando una Interface de programación de aplicaciones muy similar a la del CP/M así como incluyendo el simple formato de archivo ejecutable.com, idéntico al del CP/M. Esto era importante cuando el 8086/8088 y el MS-DOS eran nuevos, porque permitió que muchas aplicaciones existentes de CP/M (y otros) hacerse rápidamente disponibles, facilitando grandemente la aceptación de la nueva plataforma.
Los procesadores 8088 y 8086, por diseño de su hardware, ejecutaban su primera instrucción en la dirección FFFF:0 (16 bytes por abajo del tope de su capacidad de memoria de 1 MB con sus 20 bits de direccionamiento). En esta área debe haber una ROM para poder ejecutar sus instrucciones al encender o reiniciar el computador (o dispositivo). En el caso del IBM PC, en esa área estaba el IBM PC ROM BIOS, y la primera instrucción que éste ejecutaba era un salto (JMP) al inicio del código del Power On Self Test (POST), donde había código para revisar el CPU y revisar e inicializar los diferentes componentes del hardware y el propio BIOS del computador, y al final se ejecutaba Boot Strap Loader, que iniciaba el Bootstrap. Los microprocesadores de la línea x86 han heredado esta dirección de memoria (FFFF:0) para la primera instrucción ejecutable.
Los procesadores 8086 y 8088 tenían los siguientes modos de direccionamiento:
Pines del 8086 y del 8088. Las líneas del bus de direcciones se ven en rojo, las del bus de datos en azul y las del bus de control en verde. Las líneas del bus de energía se ven en negro. Estos procesadores multiplexan en tiempo el bus de direcciones, con el bus de datos y control. En el 8086 se ven los pines del 2 al 16 y los pines 35 al 39 con doble funcionalidad, en un momento determinado transporta la dirección y en otro momento entran o salen los datos (o sale información de algunas líneas del bus de control).
En el 8088 se comparten los pines 9 al 16 entre el bus de direcciones y de datos, y los pines 35 al 38 entre el bus de direcciones y el de control.
Además del bus externo de datos, que se reduce a 8 bits, la diferencia con el 8086 es mínima.
Aunque fue opacado en parte por otras opciones de diseño en este particular chip, el bus multiplexado limitaba el desempeño ligeramente; las transferencias de cantidades de 16 bits o de 8 bits fueron hechas en ciclos de acceso a memoria de cuatro ciclos del reloj, que comparado a los típicos CPU contemporáneos de 8 bits, era más rápido cantidades de 16 bits, aunque más lento en cantidades de 8 bits. Como las instrucciones variaban de uno a seis bytes, la lectura (fetch) y la ejecución fueron hechos concurrentemente (tal y como sigue siendo en los procesadores x86 de hoy): La Unidad de Interface del Bus alimentó el flujo de instrucciones a la Unidad de Ejecución a través de una cola prefetch de 6 bytes para el 8086 y 4 bytes para el 8088 (una forma débilmente acoplada de pipeline), acelerando operaciones en los registros y con los operandos inmediatos, mientras que las operaciones de memoria desafortunadamente llegaron a ser más lentas; cuatro años más tarde, este problema de desempeño fue corregido con el 80186, 80188, y el 80286.
Sin embargo, el 8086 y el 8088 vinieron con una completa arquitectura de 16 bits, con una ALU de ancho completo, significando que las instrucciones aritméticas de 16 bits ahora podían ser realizadas en un simple ciclo del ALU, en vez de los dos ciclos usando acarreo usadas por el 8080 y el 8085, acelerando tales instrucciones considerablemente. Igualmente se tenía un mejor desempeño con las operaciones lógicas de 16 bits. Combinado con la ortogonalización de las operaciones versus los tipos de operandos y modos de direccionamiento, así como con otras mejoras, hizo bastante significativo el aumento del desempeño sobre el 8080 o el 8085, a pesar de los casos donde los chips más viejos podían ser más rápidas.
Como puede verse de estas tablas, las operaciones en los registros y los operandos inmediatos eran rápidas (entre 2 y 4 ciclos), mientras que las instrucciones con operandos en memoria y los JMP (salto incondicional) eran absolutamente lentas; los saltos tomaron más ciclos que en los simples 8080 y 8085. El 8088 (utilizado en el IBM PC) fue adicionalmente obstaculizado por su más estrecho bus de datos de 8 bits. Las razones por las que la mayoría de las instrucciones relacionadas con la memoria eran lentas eran triples:
Sin embargo, el desempeño del acceso a la memoria fue drásticamente mejorado con los chips de la siguiente generación de Intel. El 80186, 80188, y 80286 tenían hardware dedicado para de cálculo de direcciones, ahorrando muchos ciclos, y el 80286 también tenía adicionalmente buses de dirección y datos separados (no-multiplexados).
El 8086/8088 usan algunos circuitos integrados de soporte fabricados por Intel:
La funcionalidad de la mayoría de estos chips de soporte sigue existiendo en los computadores de la arquitectura x86 hasta nuestros días, solo que desde hace tiempo se fueron integrando y dejaron de ser chips individuales y ahora forman parte del chipset del computador (la mayoría están integrados en el southbridge).
El 8086/8088 no tenía ninguna instrucción de coma flotante y para realizar operaciones con números reales se requerían bibliotecas con rutinas de software de coma flotante. Los computadores con el 8086/8088, generalmente tenían un socket de 40 pines en donde se podía enchufar un coprocesador matemático opcional para tener capacidad de coma flotante mucho más rápida basada en hardware/microcódigo. El Intel 8087 era el coprocesador matemático estándar para el 8086 y el 8088, operando internamente en números de 80 bits. Fabricantes como Cyrix (compatible con el 8087) y Weitek (no compatible con el 8087) eventualmente vinieron con un coprocesador de coma flotante de alto desempeño que competía con el 8087, así como con el subsecuente Intel 80387 de más alto desempeño.
Originalmente la frecuencia de reloj estaba limitada a 5 MHz (El IBM PC usaba 4.77 MHz, 4/3 de la frecuencia estándar del colorburst del NTSC, pero las últimas versiones en HMOS fueron especificadas para 10 MHz. Las versiones de HMOS-III y CMOS fueron fabricadas durante mucho tiempo (por lo menos un tiempo en los años 1990) para los sistemas empotrados, aunque sus sucesores, los 80186/80188 (que incluye algunos periféricos en el chip), han sido más populares para el uso empotrado.
Versiones compatibles, y en muchos casos mejoradas, fueron fabricadas por Fujitsu, Harris/Intersil, OKI, Siemens AG, Texas Instruments, NEC, Mitsubishi, y AMD. Por ejemplo, el par NEC V20 y NEC V30 eran compatibles a nivel de hardware con el 8088 y el 8086 respectivamente, pero incorporaron el conjunto de instrucciones del 80186 junto con algunas (pero no todas) las mejoras en velocidad del 80186, proporcionando con solo sustituir el chip, la capacidad para aumentar el conjunto de instrucciones y la velocidad de procesamiento sin que los fabricantes tuvieran que modificar sus diseños. Tales procesadores en CMOS, relativamente simples y de baja potencia, compatibles con el 8086/8088, todavía se usan en sistemas empotrados.
La industria de la electrónica de la Unión Soviética fue capaz de replicar el 8086 con espionaje industrial e ingeniería inversa. el chip resultante, el K1810BM86, era binaria y compatible a nivel de pines con el 8086, pero no era mecánicamente compatible porque usó medidas métricas.
Los 8088 y 8086 eran los núcleos respectivos de los computadores de escritorio compatibles con el PC, ES1840 y ES1841, hechos por los soviéticos. Sin embargo, estas computadoras tenían significativas diferencias de hardware de sus auténticos prototipos, y el trazado de circuito del bus de datos/direcciones fue diseñado independientemente de los productos de Intel.[cita requerida] El ES1841 era el primer PC compatible con tamaño de bus dinámico (patente de los EE. UU. N.º 4.831.514). Posteriormente, algunos de los principios del ES1841 fueron adoptados en el PS/2 (patente de los EE. UU. N.º 5.548.786) y algunas otras máquinas (solicitud de patente británica, publicación N.º GB-A-2211325, publicada el 28 de junio de 1989).
El IBM PC original fue el microcomputador más influyente en usar el 8088. Utilizó una frecuencia de reloj de 4.77 MHz (4/3 la frecuencia de colorburst del NTSC). Algunos de los ingenieros y otros empleados de IBM quisieron usar el procesador IBM 801, algunos hubieran preferido el nuevo Motorola 68000, mientras que otros argumentaron por un pequeño y simple microprocesador similar al que había sido usado en computadores personales anteriores (tales como el TRS-80 o el Apple II). Sin embargo, IBM tenía ya una historia de usar los chips de Intel en sus productos y también había adquirido los derechos de manufacturar la familia 8086. Otro factor era que el 8088 permitía que la computadora fuera basada en un diseño modificado del 8085, pues podría fácilmente interconectarse con la mayoría de los chips nMOS con buses de datos de 8 bits, es decir, componentes existentes y madurados, y por lo tanto económicos. Esto incluyó los ICs previstos originalmente para soporte y funciones periféricas alrededor del 8085 y porcesadores similares (no exclusivamente de Intel) que ya eran bien conocidos por muchos ingenieros, reduciendo adicionalmente los costos.
El sucesor inmediato del IBM PC, el IBM XT, usaba el 8088. Tenía una arquitectura muy similar al PC, solo añadiendo tres slots de expansión a los cinco del PC, un disco duro, memoria RAM adicional en la tarjeta madre, y una fuente de poder de más capacidad; y eliminando la interfaz para casete.
Los descendientes del 8088 incluyen el 80188, 80186, 80286, 80386, 80486, Pentium, y los posteriores procesadores compatibles en software, que están en uso hasta hoy.
La mayoría de los clones del IBM PC y XT usaron el Intel 8088 corriendo a 4.77 o más MHz. Algunos llegaron a correr a 8, 10 y hasta 12 MHz.
De los microcomputadores que usaron el 8086 tenemos los siguientes:
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