8086 لديه أكثر من 80 مزلاج. بعضها يخزن قيم دبابيس AD (العنوان / البيانات) أو دبابيس التحكم. يقوم الآخرون بتخزين العنوان الحالي للرمز الصغير والرمز الصغير ، بالإضافة إلى عنوان المرسل من روتين الرمز الصغير. يخزن الثالث بتات المصدر وسجل أوامر الإخراج ، وعملية ALU للأمر. يخزن الكثيرون حالات الحالة الداخلية ، والتي ما زلت أفهمها.
تظهر Crystal 86 سجل تعليمات 8 بت
توضح الصورة أعلاه قالب السيليكون 8086 تحت المجهر. لقد أزلت طبقات المعدن والبولي سيليكون حتى تتمكن من رؤية الترانزستورات - هناك حوالي 29000 في المجموع. تحتوي المنطقة المخصصة على مخزن أوامر 8 بت يتكون من ثمانية مزلاج. كان معالج 1978 هذا لا يزال بسيطًا بما يكفي لسجل 8 بت واحد ليشغل مساحة كبيرة نسبيًا. يُظهر التكبير السيليكون والترانزستورات التي تشكل مزلاجًا واحدًا.
كيف يعمل المزلاج الديناميكي
يعتبر المزلاج أحد أهم عناصر جهاز 8086 ، حيث تقوم المزلاج بتتبع ما يقوم به المعالج. يمكن عمل المزالج بطرق مختلفة ؛ يستخدم 8086 دائرة مدمجة تعرف باسم المزلاج الديناميكي. يعتمد المزلاج الديناميكي على تشغيل مولد الساعة ثنائي الطور ، والذي كان يستخدم غالبًا للتحكم في المعالجات الدقيقة في تلك الحقبة. تولد الساعة ذات المرحلتين إشارات ساعة نشطة بدورها. في المرحلة الأولى ، تكون الساعة الرئيسية مرتفعة والساعة المصاحبة لها منخفضة. ثم يغيرون الأماكن. تتكرر الدورة بتردد ساعة ، على سبيل المثال 5 ميجا هرتز.
تستخدم العديد من المعالجات الدقيقة بوابات NAND لتشكيل RS flip-flops. عادةً ما يشغل RS flip-flop مساحة أكبر من المزلاج الديناميكي ، خاصةً إذا تمت إضافة دوائر إضافية إليه للحفاظ على تردد الساعة. مشغلات D (مشغلات التأخير) شائعة أيضًا ، لكنها تصبح أكثر تعقيدًا وتستخدم ستة بوابات. في كثير من الحالات ، يكون ترانزستور المرور كافيًا ؛ يمكنه تخزين قيمة لدورة ساعة واحدة ، لكنه لا يوفر تخزينًا طويل المدى.
يتم دائمًا اختيار أعلى سرعة ساعة ممكنة للمعالجات. عمل أول 8086 بسرعة تصل إلى 5 ميجاهرتز ، ثم دعم 8086-1 حتى 10 ميجاهرتز. ومع ذلك ، نظرًا لاستخدام المنطق الديناميكي ، فإن 8086 له أيضًا حد أدنى لتردد الساعة: 2 ميجا هرتز. إذا كان مولد الساعة يعمل بشكل أبطأ ، فهناك خطر تسرب الشحن من الموصلات قبل وصول الدوائر إليه ، مما يؤدي إلى حدوث أخطاء.
يتكون المزلاج في المعالج 8086 من أربعة ترانزستورات تمرير واثنين من العاكسات. يعمل المزلاج على إشارات متقطعة على مدار الساعة.
يوضح الرسم البياني أعلاه مزلاجًا نموذجيًا 8086. يتكون من محولين وعدة ترانزستورات تمرير. لأغراضنا ، يمكن اعتبار ترانزستور المرور مفتاحًا: إذا وصل الرقم 1 إلى البوابة ، فإن الترانزستور ينقل الإشارة بشكل أكبر. إذا جاء 0 ، فإن الترانزستور يحجب الإشارة. يتم التحكم في ترانزستور المرور من خلال عدة إشارات: الحمل ، والذي يتم تحميله قليلاً في المزلاج ؛ عقد (عقد) ، مع الاحتفاظ بقيمة البت الحالية ؛ ساعة المرحلة الأولى وساعة الثانية معكوسة.
يوضح الرسم البياني أدناه كيفية تحميل قيمة (في هذه الحالة ، 1) في المزلاج. ترتفع إشارة الحمل ، مما يسمح لإشارة الإدخال (1) بالمرور عبر الترانزستور. منذ إشارة الساعةعالية ، تمر الإشارة عبر الترانزستور الثاني إلى العاكس ، والذي ينتج 0. في هذه اللحظة ، يقوم الترانزستور الثالث (على مدار الساعة) بحظر الإشارة.
يتم تحميل إشارة الإدخال في المزلاج عندما تكون إشارة الحمل عالية
في مرحلة الساعة التالية ، ترتفع إشارة الساعة ، مما يتسبب في وصول الإشارة 0 إلى العاكس الثاني ، والذي يخرج 1. نظرًا لأن إشارة التعليق عالية ، فإن الإشارة تعود ولكن يتم حظرها بواسطة ترانزستور الساعة... ما يجعل هذه الدائرة ديناميكية هو أنه لا يتم إرسال أي إشارات دخل حاليًا إلى العاكس الأول. يبقى مدخله 1 (يظهر باللون الرمادي) بسبب سعة الدائرة. في يوم من الأيام سوف تتسرب هذه الشحنة ، ستفقد القيمة ، ولكن قبل تلك اللحظة سيحدث تبديل جديد لمولد النبض على مدار الساعة.
عندما ترتفع إشارة الساعة ، تمر القيمة عبر العاكس الثاني. يتم الحفاظ على الإدخال إلى العاكس الأول (الرمادي) بواسطة سعة الدائرة.
بعد تبديل حالة مولد الساعة ، سيوفر الإدخال إلى العاكس الثاني سعة الدائرة (انظر أدناه). تعود الإشارة وتعيد الشحن وتحدّث المدخلات إلى العاكس الأول. في الساعات اللاحقة ، سيقوم المزلاج بالتبديل بين هذا والنمط السابق ، مع الحفاظ على القيمة المخزنة والحفاظ على استقرار الإخراج.
مفتاح تشغيل المزلاج هو وجود عاكسين ، مما يحافظ على استقرار إشارة الخرج. قد يتسبب عدد فردي من المحولات في حدوث تذبذب - يتم استخدام هذه الميزة بواسطة مضخة الشحن 8086. أيضًا ، يستخدم زوج من المحولات مجموعة من 8086 مسجلات لتخزين البتات. ومع ذلك ، في مجموعة من السجلات ، يتم توصيل المحولين مباشرة ، بدون ترانزستورات المرور التي تعمل على مدار الساعة ، مما يؤدي إلى نظام تخزين أكثر إحكاما ولكن يصعب إدارته.
عندما تكون إشارة الساعة عالية ، تمر القيمة عبر العاكس الأول.
التنفيذ في السيليكون
استندت 8086 وغيرها من المعالجات في تلك الحقبة على ترانزستورات N-MOS . تم صنعها من ركيزة من السيليكون ، تمت إضافة شوائب الزرنيخ أو البورون إليها أثناء عملية المنشطات ، والتي شكلت الترانزستورات. على قمة السيليكون كان البولي سيليكون ، الذي أنشأ بوابات الترانزستورات والموصلات التي تربط جميع المكونات معًا. طبقة أخرى ، معدنية ، قدمت وصلات موصلة إضافية. تستخدم المعالجات الحديثة ، بالمقارنة ، تقنية CMOS ، وهي مزيج من تقنيات N-MOS و P-MOS ، ولديها أكثر من طبقة موصلة معدنية.
كيف يتم تنفيذ ترانزستور N-MOS ( هيكل MOS ) في IC
يوضح الرسم البياني أعلاه هيكل الترانزستور. يمكن اعتبار الترانزستور على أنه مفتاح يسمح للتيار بالتدفق من قسم (مصدر) إلى آخر (استنزاف). يتم تشغيل الترانزستور بواسطة بوابة مصنوعة من نوع خاص من السيليكون - البولي سيليكون. يسمح تطبيق الجهد على البوابة بتدفق التيار بين المصدر والصرف ، بينما يؤدي سحب البوابة إلى 0 فولت إلى منع التيار. يتم فصل البوابة عن السيليكون بواسطة طبقة أكسيد عازلة - ولهذا السبب ، تعمل البوابة مثل المكثف ، كما يتضح من مثال المزلاج الديناميكي.
يتكون العاكس (أدناه) من ترانزستور N-MOS ومقاوم. عندما تكون الإشارة منخفضة ، يتم إيقاف تشغيل الترانزستور ، وبالتالي يقوم مقاوم السحب بسحب إشارة الخرج لأعلى. عندما تكون الإشارة عالية ، يتم تشغيل الترانزستور ، ويربط الخرج بالأرض ويسحب الخرج لأسفل. وهكذا ، فإن الدائرة تعكس إشارة الدخل.
يتم تنفيذ مقاومة السحب في بوابة N-MOS باستخدام نوع خاص من الترانزستور. يعمل ترانزستور وضع النضوب مثل المقاوم ولكنه يشغل مساحة أقل ويكون أكثر كفاءة.
يوضح الرسم البياني كيف يتكون العاكس من ترانزستور ومقاوم. توضح الصورة كيفية تنفيذ الدائرة على الشريحة. تمت إزالة الطبقة المعدنية للكشف عن البولي سيليكون والسيليكون.
تُظهر الصورة الموجودة على اليمين كيف يقوم 8086 فعليًا بتنفيذ العاكس. المناطق المصفرة عبارة عن سيليكون موصل مع شوائب ، والمناطق المتقطعة عبارة عن بولي سيليكون في الأعلى. يتكون الترانزستور حيث يعبر البولي سيليكون السيليكون المخدر. يشكل البولي سيليكون بوابة الترانزستور ، وتوفر أقسام من السيليكون على كلا الجانبين مصدر الترانزستور وتصريفه. مستطيل كبير من البولي سيليكون يشكل مقاومة سحب بين + 5V والإخراج. يمكنك مقارنة هيكل هذه الهياكل المادية بالرسم التخطيطي.
يوضح الرسم البياني أدناه تنفيذ المزلاج على الشريحة. يتم وضع علامة على الترانزستور المار واثنين من العاكسات ؛ تم وصف العاكس الأول أعلاه. تربط موصلات البولي سيليكون المكونات ببعضها البعض. تم توفير وصلات إضافية بواسطة طبقة معدنية (تمت إزالتها للصورة). يسمح الشكل المعقد للترانزستورات بالاستخدام الأكثر كفاءة للمساحة.
صورة مجهرية للمزلاج في معالج 8086. تمت إزالة الطبقة المعدنية مع الموصلات ، ولكن تظهر آثارها على شكل خطوط عمودية ضاربة إلى الحمرة. تم تدوير الصورة 180 درجة لتناسب التخطيط.
يستخدم المزلاج مخازن إخراج غير محددة في الرسم التخطيطي لتوفير إشارات تيار عالية للإخراج والإخراج المقلوب. هذه المخازن المؤقتة لها اسم مضحك ، "superbuffers" - لأنها تقدم تيارًا أعلى بكثير من محول N-MOS النموذجي. تكمن مشكلة العاكس N-MOS في أنه يعمل ببطء عند قيادة بعض الدوائر عالية السعة. نظرًا لأن Superbuffer يوفر مزيدًا من التيار ، فإنه يقوم بتبديل الإشارة بشكل أسرع. يحقق ذلك عن طريق استبدال المقاوم للسحب بترانزستور تيار أعلى. الجانب السلبي هو أن الترانزستور القابل للسحب يتطلب عاكسًا للعمل ، وبالتالي فإن الدائرة فائقة السرعة أكثر تعقيدًا. لذلك ، يتم استخدام superbuffer فقط عند الحاجة - عادةً عند إرسال إشارة إلى العديد من البوابات أو عند قيادة حافلة طويلة.
تنفيذ المزلاج 8086. لاحظ أن التوصيلات الأرضية +5 فولت يتم نقلها إلى الترانزستورات الموجودة في أقصى اليمين.
يوضح الرسم البياني أعلاه مخططًا لمضخم Superbuffer 8086. على عكس المانع الفائق التقليدي ، فإن هذا يحتوي على مانع فائق مقلوب وغير مقلوب. لفهم الدائرة ، لاحظ أن المقاوم المركزي والترانزستور يشكلان عاكسًا. يتم توصيل خرج العاكس بالترانزستورات العلوية ، والمدخل غير المقلوب متصل بالترانزستورات السفلية. ثم ، إذا كان الإدخال 1 ، يتم تشغيل الترانزستورات السفلية ، وإذا كان الإدخال 0 ، فبفضل العاكس ، يتم تشغيل الترانزستورات العلوية. ثم ، إذا كان الإدخال 1 ، فإن الترانزستورات السفلية ستسحب الإخراج لأعلى ، والإخراج المقابل - لأسفل. إذا كان الإدخال 0 ، فإن الترانزستورات العلوية ستسحب الإخراج لأسفل والإخراج المقابل- فوق.
تكمن مشكلة العاكس N-MOS في أن المقاوم للسحب له تيار محدود. عندما يكون الخرج 0 ، فإن الترانزستور الموجود في العاكس بسرعة وبتيار مرتفع نسبيًا يسحب الإخراج لأسفل. ومع ذلك ، إذا كان الناتج 1 ، يتم سحب الإخراج بواسطة مقاومة سحب أضعف بكثير.
يشبه المانع الفائق عاكس CMOS من حيث أنه يحتوي على ترانزستور قابل للسحب وترانزستور منسدل. الفرق هو أن CMOS يستخدم ترانزستورات P-MOS و N-MOS ، بينما يستخدم P-MOS مدخل بوابة مقلوب. على العكس من ذلك ، يتطلب نظام N-MOS الفائق عاكسًا منفصلاً. بمعنى آخر ، يستخدم عاكس CMOS اثنين من الترانزستورات ، والمانع الفائق أقل كفاءة لأنه يتطلب أربعة ترانزستورات.
يستخدم المانع الفائق ترانزستور وضع التحسين للسحب وترانزستور وضع التحسين للسحب لأسفل. جهد عتبة الترانزستور بقناته الخاصة أقل من الصفر ، مما يسمح بسحب خرجه حتى 5 فولت ، وعدم إيقافه بجهد أقل. عندما يكون الناتج منخفضًا ، سيظل الترانزستور ذو القناة الذاتية قيد التشغيل ، وسيعمل مثل سحب عادي في عاكس تقليدي ، لذلك سيتدفق تيار معين من خلاله. يمكنك قراءة المزيد عن superbuffer هنا .
سجل الأوامر
مثل معظم المعالجات ، يحتوي 8086 على سجل تعليمات حيث يتم تخزين التعليمات المنفذة حاليًا. في 8086 ، يحتوي سجل الأوامر على البايت الأول للأمر (والذي يمكن أن يكون متعدد البايتات) ، لذلك فهو مكون من ثمانية مزلاج. قد يعتقد المرء أنهما سيكونان متطابقين ، لكن لكل منهما شكله الخاص. تم تحسين تصميم 8086 بدرجة كبيرة ، لذا فقد تم تصميم شكل كل مزلاج لتحقيق أقصى استفادة من المساحة المتاحة نظرًا لقيود الموصلات المحيطة. على وجه الخصوص ، لاحظ أن بعض المزالج تتصل ببعضها البعض وتتشارك في الطاقة والأرض. على ما يبدو ، للسبب نفسه ، لا يتم وضع المزالج على التوالي.
جميع المزالج الثمانية لها أشكال مختلفة قليلاً ، وهي مُحسَّنة للموصلات المحيطة. في وقت سابق من المقالة ، تم تدوير المزلاج رقم 1 بمقدار 180 درجة. الخطوط الحمراء العمودية هي آثار الطبقة المعدنية المزالة.
يسافر الفريق 8086 في مسار متعرج. يستخدم المعالج الجلب المسبق المعزز للأداء ، وتحميل التعليمات من الذاكرة قبل الحاجة إليها. يتم تخزينها في قائمة انتظار الأوامر ، وهي قائمة انتظار من 6 بايت تقع في منتصف مجموعة من السجلات. بالمقارنة ، تحتوي المعالجات الحديثة على ذاكرة تخزين مؤقت للأوامر يمكن أن تصل إلى عدة ميغا بايت.
عند تنفيذ أمر ما ، يتم تخزينه في سجل الأوامر ، تقريبًا في وسط الشريحة. تفسر المسافات الكبيرة نسبيًا الحاجة إلى أداة حماية فائقة. يقوم تسجيل الأوامر بتغذية الأمر إلى "ROM فك تشفير المجموعة". تحدد ذاكرة القراءة فقط (ROM) الخصائص عالية المستوى للأمر - سواء كان الأمر أحادي البايت ، أو متعدد البايت ، أو هو بادئة الأمر. وهذا مجرد جزء صغير من نظام معالجة التعليمات المعقد 8086. تخزن المزالج الأخرى أجزاء من التعليمات ، وتمييز استخدام السجل وعمليات ALU ، ودائرة منفصلة تتحكم في محرك الرمز الصغير - لكنني سأصف ذلك بشكل منفصل.
Crystal 8086 ، تم تمييز المكونات الرئيسية لمعالجة الأوامر. على طول المحيط ، تقوم أسلاك اللحام بتوصيل البلورة بجهات اتصال خارجية.
خاتمة
يستخدم 8086 المزالج الديناميكية على نطاق واسع لتخزين الحالات الداخلية. يمكن رؤيتها تحت المجهر ويمكن تتبع داراتها وفهمها. من المثير للاهتمام تحليل بلورة 8086 لأنه ، على عكس المعالجات الحديثة ، فإن ترانزستوراتها كبيرة بما يكفي بحيث يمكن رؤيتها تحت المجهر. لقد كان معالجًا متطورًا يحتوي على 29000 ترانزستور في وقته ، ولكنه بسيط بما يكفي لتتبع دوائره وفهمها.