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一顆改變了世界的芯片（上）

英特爾突破性的 8008 微處理器于 50 多年前首次生產(chǎn)。這是英特爾的第一個 8 位微處理器，也是您現(xiàn)在可能正在使用的 x86 處理器系列的祖先。我找不到 8008 的好的Die照片，所以我打開了一顆并拍了一些詳細的照片。本文中包含這些新芯片照片以及 8008 內(nèi)部設(shè)計的討論。

下圖顯示了 8008 封裝內(nèi)的微型硅芯片（點擊查看更高分辨率的照片）。你幾乎看不到構(gòu)成芯片的電線和晶體管。外部周圍的方塊是 18 個焊盤，通過微小的鍵合線連接到外部引腳。

你可以在芯片的右邊緣看到文字“8008”，在下邊緣看到“? Intel 1971”。Hal Feeney 的名字縮寫 HF 出現(xiàn)在右上角，他負責(zé)芯片的邏輯設(shè)計和物理布局。8008 的其他主要設(shè)計師包括 Ted Hoff、Stan Mazor 和 Federico Faggin。

芯片內(nèi)部

下圖突出顯示了該芯片的一些主要功能塊。左側(cè)是 8 位算術(shù)/邏輯單元 (ALU)，它執(zhí)行實際的數(shù)據(jù)計算。

ALU 使用兩個臨時寄存器來保存其輸入值。這些寄存器占據(jù)了芯片上很大的面積，不是因為它們很復(fù)雜，而是因為它們需要大型晶體管來驅(qū)動信號通過 ALU 電路。

寄存器下方是carry look ahead circuitry。對于加法和減法，該電路并行計算所有八個進位值以提高性能。由于低位進位（low-order carry）僅取決于低位位（low-order bits），而高位進位取決于多個位，因此電路塊具有三角形形狀。

ALU 的三角形布局很不尋常。大多數(shù)處理器將每個位的電路堆疊成規(guī)則的矩形（a bit-slice layout）。然而，8008 有八個塊（每一位一個）隨意排列，以適應(yīng)三角形進位生成器留下的空間。ALU 支持八種簡單運算。

芯片的中心是指令寄存器和指令譯碼邏輯，決定每條8位機器指令的含義。解碼是通過可編程邏輯陣列（PLA）完成的，PLA是一種門的排列，可以匹配位模式并為芯片的其余部分生成適當(dāng)?shù)目刂菩盘枴Ｓ覀?cè)是存儲塊。8008的七個寄存器位于右上角。右下角是地址棧，由8個14位地址字組成。與大多數(shù)處理器不同，8008 的調(diào)用堆棧存儲在芯片上而不是內(nèi)存中。程序計數(shù)器只是這些地址之一，使得子程序調(diào)用和返回非常簡單。8008 使用動態(tài)內(nèi)存進行存儲

該芯片的物理結(jié)構(gòu)與8008用戶手冊（如下）中的框圖非常接近，芯片上的塊位置與框圖中的位置幾乎相同。

芯片結(jié)構(gòu)

die照片顯示什么？出于我們的目的，芯片可以被視為三層。下圖顯示了芯片的特寫，指出了這些層。最頂層是金屬布線。這是最明顯的特征，看起來是金屬的（毫不奇怪）。在下面的細節(jié)中，這些電線大多是水平的。多晶硅層位于金屬下方，在顯微鏡下呈橙色。

芯片的基礎(chǔ)是硅片，照片中硅片呈紫灰色。純硅實際上是一種絕緣體。它的某些區(qū)域被“摻雜”了雜質(zhì)以形成半導(dǎo)體硅。硅層位于底部，很難區(qū)分，但可以看到摻雜硅和未摻雜硅之間的邊界上有黑線。照片中可以看到一些垂直的硅“線”。

晶體管是芯片的關(guān)鍵部件，多晶硅線與摻雜硅交叉的地方形成晶體管。在照片中，多晶硅在形成晶體管時呈現(xiàn)出更亮的橙色。

為什么是18針芯片？

8008 的一個不方便的特性是它只有 18 個引腳，這使得芯片速度更慢并且更難以使用。8008 使用 14 個地址位和 8 個數(shù)據(jù)位，因此有 18 個引腳，沒有足夠的引腳用于每個信號。相反，該芯片有 8 個數(shù)據(jù)引腳，在三個周期內(nèi)重復(fù)使用，以傳輸?shù)偷刂肺?、高地址位和?shù)據(jù)位。使用8008的計算機需要許多支持芯片才能與這種不方便的總線架構(gòu)交互。

沒有充分的理由強制芯片變成 18 引腳。40 或 48 引腳封裝在其他制造商中很常見，但 16 引腳是“英特爾的信仰”。他們極不情愿地才改為 18 針。幾年后，當(dāng) 8080 處理器問世時，英特爾已經(jīng)接受了 40 針芯片。8080 更受歡迎，部分原因是它具有 40 引腳封裝允許的更簡單的總線設(shè)計。

芯片中的電源和數(shù)據(jù)路徑

數(shù)據(jù)總線提供流經(jīng)芯片的數(shù)據(jù)流。下圖顯示了 8008 的 8 位數(shù)據(jù)總線，其中 8 條數(shù)據(jù)線為彩虹色。數(shù)據(jù)總線連接到芯片上半部外側(cè)的 8 個數(shù)據(jù)引腳?？偩€在左側(cè)的 ALU、指令寄存器（中上）以及右側(cè)的寄存器和堆棧之間運行?？偩€在左側(cè)分開，ALU 兩側(cè)各占一半。

紅線和藍線顯示電源布線。電源布線是微處理器的一個未被充分重視的方面。由于金屬層電阻低，電源在金屬層中布線。但由于早期微處理器中只有一層金屬層，因此必須仔細規(guī)劃配電，以免路徑交叉。上圖以藍色顯示 Vcc 線，以紅色顯示 Vdd 線。電源通過左側(cè)的 Vcc 引腳和右側(cè)的 Vdd 引腳提供，然后分支成細的互鎖電線，為芯片的所有部分供電。

寄存器文件

為了詳細展示該芯片的外觀，我放大了下圖中 8008 的寄存器文件。寄存器文件由 8 x 7 網(wǎng)格的動態(tài) RAM (DRAM) 存儲單元組成，每個存儲單元使用三個晶體管來保存一位。（您可以將晶體管視為小矩形，其中橙色多晶硅呈現(xiàn)出稍微更鮮艷的顏色。）每一行都是 8008 的七個 8 位寄存器之一（A、B、C、D、E、H、L））。在左側(cè)，您可以看到七對水平線：每個寄存器的讀選擇線和寫選擇線。在頂部，您可以看到 8 根垂直導(dǎo)線用于讀取或?qū)懭朊课坏膬?nèi)容，以及 5 根較粗的導(dǎo)線用于提供 Vcc。使用 DRAM 作為寄存器（而不是更常見的靜態(tài)鎖存器）是一個有趣的選擇。由于英特爾當(dāng)時主要是一家內(nèi)存公司，我預(yù)計他們選擇 DRAM 是因為他們在該領(lǐng)域的專業(yè)知識。

PMOS 的工作原理

8008使用PMOS晶體管。為了稍微簡化一下，您可以將 PMOS 晶體管視為兩條硅線之間的開關(guān)，由（多晶硅）柵極輸入控制。當(dāng)其柵極輸入較低時，開關(guān)閉合，并且可以將其輸出拉高。如果您熟悉 6502 等微處理器中使用的 NMOS 晶體管，那么 PMOS 可能會有點令人困惑，因為一切都是倒退的。

一個簡單的 PMOS 與非門可以如下所示構(gòu)建。當(dāng)兩個輸入都為高電平時，晶體管關(guān)閉，電阻器將輸出拉低。當(dāng)任何輸入為低電平時，晶體管將導(dǎo)通，將輸出連接到+5。因此，該電路實現(xiàn)了與非門。為了與 5 伏 TTL 電路兼容，PMOS 柵極（以及 8008）采用異常電壓供電：-9V 和 +5V。