古老CPU启示录-第一款单芯片微处理器8080

从今天来看：“该芯片是二十世纪最重要的产品。8080及其后续的芯片和其它公司生产的竞争芯片，对世界产生了深远的影响，给人类社会带来了翻天覆地的变化。”，那么什么芯片具有如此大的魔力？那就是我们今天的“猪脚”-i8080。

Intel 8080为英特尔早期发布的处理器。它于1974年4月发布，是一枚8位元处理器，包含6000个晶体管，时脉为2MHz，亦是第一枚可算得上的处理器。较快的变体 8080A-1（有时称为 8080B）随后面世，时钟频率限制高达 3.125 MHz。1976年zilog制造了与8080相容的CPU z-80（详见《穿越时空的爱恋-Z80 CPU的前世今生》）。

英特尔 C8080A 处理器变体，带有白色陶瓷、金色散热器和金色引脚

虽然早期的微处理器用于计算器、收银机、计算机终端、工业机器人和其他应用，但 8080 成为最早广泛使用的微处理器之一。有几个因素促成了它的流行：第一它的 40 针封装使得它比 18 针 8008 更容易连接，并且它的数据总线也更高效；第二它的 NMOS 工艺使其晶体管比PMOS的 8008 的晶体管更快，第三同时还通过使其与TTL 兼容来简化接口；第四提供了更多种类的支持芯片；第五它的指令集比 8008 有所增强；第六其完整的 16 位地址总线（与 8008 的 14 位地址总线相比）使其能够访问 64 KB 的内存，是 8008 的 16 KB 范围的四倍。第七因为4004和8008都用于四芯片组，实际应用有限，而8080是一款真正的单芯片微处理器，处理速度快且实用性强。。它成为Altair 8800和随后的S-100 总线个人计算机的CPU，直到被Z80取代，并且是Gary Kildall开发的CP/M操作系统的原始目标 CPU 。

这是一张英特尔8080和一枚南非克鲁格金币的对比照片。

以上几点使得 8080 非常成功，汇编语言的兼容性（1976 年开始设计时成为Intel 8086的设计要求），使得 8080 直接影响无处不在的32 位和64 位x86架构及所有后来的变形体。

历史

1972 年初 8080 架构的鼻祖费德里科·法金( Federico Faggin)（详见《IC人物志-费德里科·法金（Federico Faggin）》）向英特尔管理层提出想要开发一款真正的单芯片微处理器，处理速度快且实用性强。六个月后，他终于获得了许可，法金得到了英特尔董事会的支持。在8008即将进入批量生产阶段时，微处理器团队也同时开始着手进行8080芯片设计。该团队调集了很多曾经开发设计过4004和8008的精兵强将，包括法金、泰德·霍夫（Ted Hoff）、斯坦·麦卓尔（Stan Mazor）和嶋正利（Masatoshi Shima）。Faggin于 1972 年 11 月从日本聘请了Masatoshi Shima（嶋正利，Shima Masatoshi，1943年8月22日出生，静冈县，是日本电子工程师。英特尔4004的架构师。），在他的指导下进行详细设计，使用 Faggin 为 4000 家族创建的带有硅门的随机逻辑设计方法。Stanley Mazor(Stanley Mazor是一位美国微电子工程师，1941 年 10 月 22 日出生于伊利诺伊州芝加哥。他是世界上第一个微处理器架构Intel 4004的共同发明者之一)为指令集贡献了几条指令。

嶋正利

Shima 和 Mazor 在计算机历史博物馆的 2009 年研究员奖活动中

Shima 于 1973 年 8 月完成布局，使用 NMOS 制造工艺，1974 年 1 月完成了 8080 的原型。它有一个缺陷，即使用标准 TTL 器件驱动，由于大电流流入窄线，导致地电压升高（8080A 修复了这个缺陷）。

这是一张英特尔8080和一片阿司匹林药片的对比照片。

Intel为 8080提供了一个名为 INTERP/80的指令集模拟器。它是由Gary Kildall（加里阿伦Kildall， 1942年5月19日- 1994年7月11日，是美国计算机科学家和微机 企业家，在 1970 年代，Kildall 创建了CP/M 操作系统——以及其他操作系统和编程工具 ——并随后创立了Digital Research, Inc。（或“DRI”）营销和销售他的软件产品。）在担任英特尔顾问期间编写的。

Gary Kildall

这款处理器掀起了颠覆性的革命。8位芯片运算速度达到每秒29万次，约为8008芯片的10倍。因此，成千上万的设备开始使用8080芯片，这使得微处理器的普及一跃成为了现实。一位研究科学技术的历史学家如此评价：“该芯片是二十世纪最重要的产品。8080及其后续的芯片和其它公司生产的竞争芯片，对世界产生了深远的影响，给人类社会带来了翻天覆地的变化。”

i8080 内部结构图， 6 µm工艺，在设计中使用单层金属互连大约 6,000 个晶体管

扩展芯片

这种扩展接口其实类似于今天的各种主板外设。

8080 成功的一个关键因素是广泛的可用支持芯片，提供串行通信、计数器/定时、输入/输出、直接存储器访问和可编程中断控制等功能：

• 8238 – 系统控制器和总线驱动程序
• 8251 – 通讯控制器
• 8253 –可编程间隔定时器
• 8255 – 可编程外设接口
• 8257 – DMA 控制器
• 8259 -可编程中断控制器

影响

前面一直提到这款芯片的影响，那么影响到底多大呢？

工业影响

8080 用于许多早期的微型计算机，如 MITS Altair 8800计算机、Processor Technology SOL-20终端计算机和IMSAI 8080微型计算机，运行CP/M操作系统（CP/M 与S-100 总线计算机的结合成为微机行业的早期标准。这个计算机平台在 1970 年代后期和 1980 年代中期被广泛用于商业）。后来，Zilog Z80处理器将利用这一点，Z80 和 CP/M 成为大约 1976 年至 1983 年期间的主要 CPU 和操作系统组合，就像十年后用于 PC的x86和DOS 一样。

Altair 8800 计算机，带 8 英寸软盘系统

IMSAI 8080

即使在 1979 年推出 Z80 和 8085 处理器之后，5 家 8080 制造商的月销量估计也达到 500,000 台，每台价格约为 3 至 4 美元。

第一台单板微机，如MYCRO-1和dyna-micro /MMD-1 基于英特尔 8080。8080 的早期用途之一是在 1970 年代后期由加利福尼亚州圣地亚哥的 Cubic-Western Data 运行在其为世界各地的公共交通系统定制的自动收费系统中。8080 的早期工业用途是作为 DatagraphiX Auto-COM（计算机输出缩微胶片）系列产品的“大脑”，它从卷磁带中获取大量用户数据并将其成像到缩微胶片上。Auto-COM 仪器还包括一个完整的自动化胶片切割、处理、清洗和干燥子系统——无论是当时还是 21 世纪，这都是一项壮举，只需一个 8 位微处理器以时钟速度低于 1 MHz，内存限制为 64 KB。此外，一些早期的电子街机游戏围绕 8080 微处理器构建，包括太空入侵者，这是有史以来最受欢迎的街机游戏之一。

Mycro-1。(2019) 连接到终端仿真程序。

太空入侵者

8080推出后不久，摩托罗拉6800的竞品设计就推出了，之后是6800的衍生产品MOS Technology 6502（详见《【开源】我们和童年的距离，就是一台游戏机-用FPGA DIY一个NES游戏机》）。

Zilog推出了Z80（详见《穿越时空的爱恋-Z80 CPU的前世今生》），它具有兼容的机器语言指令集，最初使用与 8080 相同的汇编语言，但出于法律原因，Zilog 为 Z80 开发了一种语法不同（但代码兼容）的替代汇编语言。在英特尔，8080 紧随其后的是兼容且更优雅的8085。

后来，Intel 发布了汇编语言兼容（但不是二进制兼容）的 16 位8086，然后是 8/16 位8088（IBM选择了它用于 1981 年推出的新PC）。后来NEC制造了NEC V20（与Intel 80186指令集兼容的 8088 克隆版）也支持 8080 仿真模式。NEC 的V30（类似增强的 8086 克隆）也支持这一点。因此，8080 通过其指令集架构(ISA)，对计算机历史产生了持久的影响。

其可克隆体也有很多：

AMD Am9080

CEMI MCY7880（波兰）

Kvazar Kiev K580IK80（苏联）

三菱电机M5L8080

美国国家半导体INS8080

NEC μPD8080AF

冲MSM8080

西门子SAB8080

西格尼蒂克MP8080者

特斯拉（捷克斯洛伐克公司） MHB8080

德州仪器TMS8080

截至 2017 年，Lansdale Semiconductors 仍在生产 8080。

8080 还改变了计算机的创建方式。8080 推出时，计算机系统通常由计算机制造商创建，例如Digital Equipment Corporation（数字设备公司 使用Digital商标 ，是1960 年代至 1990 年代计算机行业的主要美国公司。该公司由Ken Olsen和Harlan Anderson于 1957年共同创立。Olsen 一直担任总裁，直到 1992 年公司急剧衰退后被迫辞职。）、Hewlett Packard（惠普公司，一般简称为惠普或HP，是美国跨国信息技术公司，总部位于加利福尼亚州帕洛阿尔托. 惠普为消费者、中小型企业（SMB）开发并提供了各种硬件组件以及软件和相关服务，以及大型企业，包括政府、卫生和教育部门的客户。该公司由比尔休利特和大卫帕卡德于 1939 年在帕洛阿尔托的一个车库内创立，最初生产一系列电子测试和测量设备。）或IBM（国际商业机器公司( IBM ) 是一家美国跨国 技术公司，总部位于纽约阿蒙克，业务遍及 171 个国家。该公司开始于1911年，成立于恩迪科特，纽约的信任商人查尔斯·兰利特·弗林特，作为计算-制表-记录公司（CTR），并更名为“国际商业机器IBM”在1924年纽约成立。）。制造商将生产整台计算机，包括处理器、终端和系统软件，如编译器和操作系统。8080 设计用于几乎所有应用程序，除了完整的计算机系统。惠普围绕8080开发了HP 2640系列智能终端。HP 2647是在8080上运行BASIC编程语言的终端。微软将 8080 的第一种流行语言作为其创始产品进行销售，后来又为IBM PC收购了DOS。

数字设备公司 使用Digital商标

HP商标

8080 和8085催生了 8086，8086 被设计为8085的源代码兼容（尽管不是二进制兼容）扩展。这种设计反过来又催生了x86系列芯片，这是今天许多 CPU 使用的基础。8080 的许多核心机器指令和概念在广泛使用的 x86 平台中仍然存在，包括名为A、B、C和D的寄存器以及许多用于控制条件跳转的标志。8080汇编代码仍然可以直接翻译成x86指令，它的所有核心要素仍然存在。

文化影响

• 小行星 8080 - 对 Intel 8080 名称的双关语和赞美。
• 微软公布的电话号码 425-882-8080 之所以被选中，是因为该芯片上有太多的早期工作，为微软建立了汗马功劳。
• 英特尔的许多主要电话号码也采用类似的形式：xxx-xxx-8080

汇编示例代码

下面的 8080/8085汇编器源代码用于一个名为memcpy的子例程，该子例程将给定大小的数据字节块从一个位置复制到另一个位置。数据块一次复制一个字节，数据移动和循环逻辑采用 16 位操作。

总结

Federico Faggin说：“8080芯片真正开创了微处理器市场。4004和8008让我们发现了这样一个可能，而8080则使这一切成为现实。”

也就是从那时起，微处理器市场开始对英特尔的业务产生深远的影响。

参考文献

Intel 8080 Microcomputer Systems User's Manual (September 1975, 262 pages)

Intel 8080/8085 Instruction Reference Card

Intel and other manufacturers' 8080 CPU images and descriptions at cpu-collection.de

Scan of the Intel 8080 data book at DataSheetArchive.com

8080 Emulator written in JavaScript

Intel 8080/KR580VM80A emulator in JavaScript

Intel 8080 Microcomputer Systems User's Manual (September 1975, 234 pages)

The enhancements were largely based on customer feedback and Federico Faggin and others listening to minicomputer-oriented professionals about certain problems and lack of features in the 8008 architecture. (Source: 8008 and 8080 oral histories.)

8080 instruction encoding. ClassicCMP.org. Retrieved on October 23, 2011.

Note: Some Intel datasheets from the 1970s advertise 512 I/O ports, because they count input and output ports separately.

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