Intel 8086プロセッサレジスタ：チップからトランジスタまで

Intel 8086は、これまでに製造された中で最も影響力のあるコンピューターチップの1つです。彼は、最新のデスクトップおよびサーバーコンピューターを支配するx86アーキテクチャを作成しました。クリスタルの写真に基づいて8086をリバースエンジニアリングしました。この記事では、レジスタファイル（レジスタのセット）の実装について説明します。





クリスタル8086。レジスターの保管場所がマークされています。上位レジスタはメモリアクセス用のバスインターフェイスブロックによって使用され、下位汎用レジスタは実行ブロックによって使用されます。コマンドバッファは、事前に要求されたコマンドの6バイトのキューです。



写真は8086プロセッサの顕微鏡画像を示しています。チップの上部に金属層が見え、その下にシリコンが隠されています。接続ワイヤの外縁に配置され、チップ上のパッドをチップの外側の40ピンに接続します。



15個の16ビット8086レジスタと6バイトのコマンド事前要求キュー（コードプリフェッチ）がフレーム化されます。レジスターはクリスタルのかなりの部分を占めますが、合計で36バイトしか入力されません。スペースの制約により、初期のマイクロプロセッサには比較的少数のレジスタがありました。比較すると、最新のプロセッサチップには、キロバイトのレジスタとメガバイトのキャッシュがあります。



8086は、コードプリフェッチを実装する最も初期のマイクロプロセッサの1つでしたが、Motorola 68000（1979）には少し前に4バイトのプリフェッチバッファがありました。メインフレームでは、IBM Stretch（1961）、CDC 6600（1964）、およびIBM System / 360 Model 91（1966）でプリフェッチを使用できました。最新のプロセッサのレジスタ



数を計算するのは困難です。私が見つけた唯一の正確な数は、「高速マイクロプロセッサの解剖学」という本にありました"（1997）、AMD K6プロセッサの詳細を説明します。レジスタの名前が変更されたため、最新のプロセッサには、アーキテクチャのプロセッサ（プログラマに表示されるもの）よりもはるかに多くの物理レジスタがあり、物理レジスタの数はドキュメントに示されていません。K6には、8つのx86レジスタを除いてあります。汎用では、16個のマイクロアーキテクチャ作業レジスタの



名前を変更しました。AVX-512をサポートするプロセッサには32個の512ビットレジスタがあります。つまり、この機能のために2 KBのレジスタが予約されています。このような場合、レジスタのサイズを計算するのはさらに困難です。キャッシュサイズについては、その後、高度なプロセッサでは、そのボリュームは77MBに達します。

レジスターがシリコンに実装される方法

まず、8086がN-MOSトランジスタからどのように構築されているかを説明します。次に、インバーターの作成方法、シングルビットのインバーターへの格納方法、レジスターの作成方法について説明します。



8086は、当時の他のチップと同様に、N-MOSトランジスタに基づいていました。これらのチップは、ヒ素またはホウ素の不純物が拡散してトランジスタを形成するシリコン基板で構成されていました。シリコン上のポリシリコン導体は、トランジスタのゲートを形成し、すべてのコンポーネントを相互に接続しました。さらに高い位置にある金属層には、追加の導体が含まれていました。それに比べて、最近のプロセッサは、N-MOSトランジスタとP-MOSトランジスタを組み合わせ、多くの金属層を含むCMOSテクノロジを使用しています。



下の図はインバーターを示していますN-MOSトランジスタと抵抗で構成されています。入力電圧が低い場合、トランジスタはオフになるため、プルアップ抵抗が出力を引き上げます。入力電圧が高い場合、トランジスタがオンになり、グランドと出力を接続して、出力を引き下げます。したがって、入力信号は反転されます。



実際、N-MOSバルブのプルアップ抵抗は特殊な種類のトランジスタです。 Aが枯渇し、よりコンパクトで効率的でありながら、抵抗のようなトランジスタの挙動を。





この図は、トランジスタと抵抗でインバータを作成する方法を示しています。写真はチップ上の実装を示しています。金属層は、シリコンとポリシリコンを示すために削除されています。



上の写真は、8086インバーターの物理的な製造方法を示しています。ピンクがかった領域は、導電性にする不純物を含むシリコンであり、銅色の線は上部がポリペプチドです。トランジスタは、ポリシリコンがシリコンと交差する場所に現れます。ポリシリコンはトランジスタのゲートを形成し、両側のシリコンのセクションがソースとドレインを提供します。ポリシリコンの大きな長方形は、+ 5Vと出力の間にプルアップ抵抗を形成します。したがって、チップの回路はインバーターの回路と同じです。このような回路は、顕微鏡で観察してリバースエンジニアリングすることができます。



レジスタの構成要素は、1ビットを格納するフィードバックループ内の2つのインバータです（以下を参照）。上部の導体が0の場合、右側のインバーターは下部の導体に1を出力します。次に、左側のインバーターが上部導体に0を出力し、サイクルを完了します。したがって、回路は安定しており、0を「記憶」します。逆に、上部導体が1の場合、下部導体では0になり、上部導体では1に戻ります。その結果、チェーンは0または1を格納でき、1ビットのメモリを形成します。





8086には、レジスタに1ビットを格納する2つのペアのインバータがあります。回路は安定して状態0または1にあります。



使用可能なレジスタセルを作成するために、3つのトランジスタがインバータのペアに追加されます。 1つのトランジスタは読み取り用のセルを選択し、2番目は書き込み用のセルを選択し、3番目は読み取り時に信号を増幅します。下の回路の中央には、2つのインバーターがビットを格納しています。ビットを読み取るために、電流が赤いバスに適用されます。これにより、インバータの出力が増幅トランジスタを介してビットラインに接続されます。ビットを書き込むために、ビット線をインバーターに接続する赤い線に電流を流します。 0または1の大電流信号をビットライン（したがって、格納されているビット）に適用することにより、インバーターを強制的に目的の値に切り替えます。ビットラインは読み取りと書き込みの両方に使用されることに注意してください。



他のプロセッサは、わずかに異なるレジスタ位置を使用します。 6502は、インバータフィードバックループ内の追加のトランジスタを使用して、新しい値が書き込まれたときに回路を遮断します。 Z80は両方のインバーターに同時に書き込みます。これにより、変更が「簡単に」なりますが、書き込みには2本のワイヤーが必要です。 8086は、読み取り用に各レジスタ位置にゲイントランジスタを備えていますが、他のプロセッサは両方のインバータからの出力を読み取り、外部差動増幅器を使用して信号を増幅します。レジスタ8086のベースセルは7つのトランジスタ（7T）で構成され、6つまたは4つのトランジスタを使用する一般的な静的RAMセルよりも多くなりますが、2つの異なるものではなく1つのビットラインのみを使用します。ダイナミックメモリ（DRAM）ははるかに効率的で、単一のトランジスタとコンデンサを使用します。ただし、データを更新しないと、データは失われます。





ビットを格納するレジスタセルの概略図。レジスタファイルは、そのようなセルの配列から作成されます。



レジスタファイルは、上記と同様のレジスタセルのマトリックスで構成されています。レジスターは16ビット値を格納するため、マトリックスは16セル幅です。各レジスタは水平に配置されているため、読み取りまたは書き込みバスは特定のレジスタのすべてのセルを選択します。 16本の垂直ビットラインが1つのバスを形成するため、選択したレジスタの16ビットすべてが並列に読み書きされます。



下の写真は、レジスタセルのマトリックスを示す拡大された一般レジスタファイル8086を示しています：16列と8行、8つの16ビットレジスタ。次に、ファイル内の1つのレジスタ位置の増分が指定されます。このセルがどのように実装されているかを説明します。





8086 ( 16- ), . , .



8086は、ドープされたシリコンおよびポリシリコン導体でできており、上部に金属導体があります。下の左の写真は、レジスタセルの垂直金属導体を示しています。アース、電源、およびビットバスのワイヤがマークされています（残りのワイヤはレジスタファイルと交差しますが、接触しません）。右の写真では、ポリシリコンとシリコンが見えるように金属層が溶解しています。読み取りバスと書き込みバスは、水平方向のポリシリコン導体です。チップには金属層が1つしかないため、垂直バスのレジスタには金属が使用され、水平バスのレジスタには金属が使用され、互いに交差しないようになっています。ジョイントを介した金属とシリコンは、金属写真では明るい円として、シリコン写真では円として表示されます。





保管場所を登録します。左側の写真は金属層を示し、右側の写真はポリポリスとシリコンの対応する層を示しています。



次の図は、レジスタセルの物理スキームと主要スキームの対応を示しています。インバータは、トランジスタAとB、およびレジスタで構成されています。トランジスタC、D、およびEは、マークされたポリシリコン片で形成されています。ビットラインは金属層にあるため表示されません。サイズを最小化するために、メモリセルのレイアウトが大幅に最適化されていることに注意してください。また、トランジスタAは他のトランジスタよりもはるかに小さいことに注意してください。インバーターAの出力電流はかなり低いため、ビットラインは書き込み時にそれを克服できます。





8086のセルを対応する回路に登録する

8ビットレジスタのサポート

クリスタルをよく見ると、レジスターセルのいくつかがわずかに異なる構造を持っていることがわかります。左側はすでに説明したレジスタの場所であり、右側は1つではなく2つの書き込みバスを備えたレジスタの場所のペアです。左の写真では、書き込みバスが両方のレジスタセルのシリコンを横切っています。右の写真では、「右書き込み」バスが右側のシリコンを横切っていますが、左側のシリコン間を走っています。逆に、「左書き込み」ラインは左側のシリコンと交差し、右側のシリコン領域の間を通ります。したがって、一方のバスは右ビットの書き込みを制御し、もう一方のバスは左ビットの書き込みを制御します。 16ビットレジスタでは、この方法でインターリーブされた8ビット部分を個別に書き込むことができます。



クリスタルのレジスタセルは均一に繰り返されません。1つおきのセルは前のセルのミラーイメージです。これにより、レジスタセルの密度が向上します。ミラーリングされた2つのセル間を走る電源レールは、両方に電力を供給できます（同じことがグランドにも当てはまります）。ミラーリングされた繰り返しにより、必要な電源レールと接地レールの数が半分になります。



ブロック図は通常、16ビットレジスタがどのように左半分と右半分に分割されるかを示していますが、現実の世界では、最初の8ビット部分を常に左側に、2番目の部分を右側に格納するのではなく、両側のビットが交互になります。この実装により、16ビットワードの2つの半分を交換するという時々発生するタスクが簡素化されます。そのようなケースの1つは、アライメントなしでメモリを読み書きすることです。もう1つは、レジスタの上位部分（AHなど）を使用するALU操作です。右半分と左半分の間でビットを交換するには、単語の半分のすべてのビットの間で長いワイヤーを引っ張る必要があります。ただし、交互の配置では、ワードの2つの半分を交換するには、隣接するビットの各ペアを交換する必要があり、長い配線は必要ありません。言い換えると、8086のインターリーブされたレジスタにより、導体を簡単にレイアウトして、単語の2つの半分を入れ替えることができます。





回路が異なる2対のメモリセル。左側のセルには1つの書き込みバスがあり、右側のセルには左右のビット用に別々の書き込みバスがあります。



一部のレジスタに2つの書き込みバスがあり、他のレジスタに1つあるのはなぜですか？その理由は、8086には16ビットのレジスタがありますが、以下に示すように、そのうちの4つは8ビットとしてアクセスできます。たとえば、16ビットのアキュムレータAは、8ビットのAH（アキュムレータの上位部分）および8ビットのAL（下位部分）レジスタとしてアクセスできます。 2つの書き込み制御バスを備えたレジスタの実装により、レジスタの各半分に個別に書き込むことができます。



レジスタファイルが8ビットではなく16ビットレジスタのみをサポートしている場合、プロセッサは機能する可能性がありますが、効率は低下します。8ビットの半分への書き込みは、16ビットすべてを読み取り、8ビットの半分を変更し、16ビットすべてを書き込むことによって行われます。その結果、1つのレジスタにアクセスする代わりに、呼び出しは3つになります。この場合、不要な半分は単純に無視できるため、レジスタファイルは特に8ビットの読み取りをサポートする必要はありません。





8086の汎用レジスタ。レジスタA、B、C、およびDは、2つの8ビットの半分に分割できます。

マルチポートレジスタ

これまで、8つの汎用「下位レジスタ」について説明してきました。 8086には、悪名高いセグメントレジスタを含む、メモリアクセスに使用される7つの「上位レジスタ」もあります。これらのレジスタは、より複雑なマルチポート動作スキームを備えているため、複数の読み取りおよび書き込みプロセスを同時に実行できます。たとえば、マルチポートレジスタファイルを使用すると、プログラムカウンタ、セグメントレジスタの読み取り、および別のセグメントレジスタの書き込みをすべて同時に行うことができます。



以下のブロック図は、ほとんどのブロック図とは異なります。8086の場合、プログラマーが想像するものではなく、プロセッサーの実際の物理的な実装を示しているためです。特に、この図は、バスインターフェイスモジュールのレジスタの2つの「内部通信レジスタ」（右）と、チップ上に表示される7つのレジスタに一致するセグメントレジスタを示しています。以下に示す一時レジスタは物理的にALUの一部であるため、この記事では取り上げません。







「最新のプロセッサの設計」という本では、2000年代以降のプロセッサの複雑なレジスタシステムについて説明しています。回路の複雑さはすぐに3つのポートを超え、一部の高度なプロセッサには20以上のポートを持つレジスタファイルがあると言われています。



以下のマルチポートレジスタセルは、同じ2インバータ回路に基づいていますが、3つのビットライン（前の場合のように1つではありません）と5つの制御ライン（2つではなく）があります。 3つの読み取りバスを使用すると、3つのビットラインのいずれかでレジスタセルの内容を読み取ることができ、2つの書き込みバスを使用すると、ビットAまたはCをレジスタセルに書き込むことができます。





8086プロセッサのマルチポートレジスタセル



一見、8086レジスタファイルは同種のレジスタセットのように見えますが、よく見ると、各レジスタがその機能に応じて最適化されていることがわかります。それらのいくつかは単純な16ビットレジスタであり、最もコンパクトに配置されています。他の16ビットレジスタは2つの8ビットレジスタとしてアクセスでき、別の制御バスが必要です。最も複雑なレジスタには、読み取り用に2〜3個、書き込み用に1〜2個のポートがあります。いずれの場合も、レジスタセルの物理的な実装は、スペースをできるだけ少なくするように注意深く設計されているため、トランジスタの形状は複雑になることがよくあります。 Intelのエンジニアは、レジスターのレイアウトを可能な限り厳密に絞り、利用可能なスペースにすべてを収めました。



上位レジスタには、読み取りと書き込み用に異なる数のポートがあります。3つの読み取りバスと2つの書き込みバスを備えた2つのレジスタ、2つの読み取りバスと2つの書き込みバスを備えた1つのレジスタ、2つの読み取りバスと1つの書き込みバスを備えた4つのレジスタです。最初の3つのレジスタは、おそらくプログラムカウンタ、間接一時レジスタ、および一時オペランドレジスタです。最後の4つは、おそらくSS、DS、SS、およびESセグメントレジスタです。また、3つの命令プリフェッチバッファレジスタがあり、それぞれに1つの読み取りバスと1つの書き込みバスがあります。



元のIBMPCで使用されていた8088プロセッサは、16ビットではなく8ビットの外部バスを備えていたため、システムが安価であったことを除いて、8086と実質的に同じでした。 8088のプリフェッチバッファサイズは6ではなく4バイトでした。おそらく、8088の低速メモリバスには4バイトで十分だったためです。



8086とは異なり、8088のプリフェッチレジスタは8ビットの半分への独立した書き込みをサポートします（8088のA、B、C、およびDレジスタと同様に、これらのセルのみが異なって見えます）。これは、バスが狭いため、8088が要求したコマンドは、一度に1ワードではなく、一度に1バイトであるためです。したがって、プリフェッチレジスタはバイト書き込みをサポートする必要がありますが、8086はワードプリフェッチをサポートします。





10個の16ビットレジスタで構成される上位レジスタファイル。写真はシリコンとポリシリコンです。赤い縦線-除去された金属層の残骸。クリック可能。

結論

8086プロセッサは42年前のものですが、x86アーキテクチャが今日でも非常に一般的に使用されているため、現代のコンピュータに大きな影響を与えます。レジスタ8086は、現在でも64ビット長ですが、最新のx86コンピュータにはまだ存在しており、これらのレジスタ以外にも多くのレジスタがあります。



8086結晶は、そのトランジスタを顕微鏡で見ることができるため、研究するのに非常に興味深いものです。かつては29,000個のトランジスタを搭載した複雑なプロセッサでしたが、すべての回路をトレースしてそれらがどのように機能するかを理解するのに十分シンプルでした。

参照：

• 「スケーリングチップ：Intelが8086のスケールを縮小したプロセッサ」
• 「マイクロプロセッサIntel8086のリバースエンジニアリング」
• 「8087数学コプロセッサのシフトレジスタ結晶の分析」