08. Juni 1978: Der Intel 8086 startet 40 Jahre x86-Architektur

| Autor: Sebastian Gerstl

Der Intel 8086 erschien am 8. Juni 1978 auf dem Markt. Er war einer der ersten erhältlichen 16-Bit-Prozessoren – und war der erste in einer Reihe von vorwärtskompatiblen Chips, die dieselbe Architektur verwenden würden. Bis heute erscheinen Prozessoren, deren Befehlssatzarchitektur grundsätzlich mit der des Ur-x86 kompatibel ist - ob nun auf dem Desktop-, Server-, Industrie-PC- oder Embedded-Markt.
Der Intel 8086 erschien am 8. Juni 1978 auf dem Markt. Er war einer der ersten erhältlichen 16-Bit-Prozessoren – und war der erste in einer Reihe von vorwärtskompatiblen Chips, die dieselbe Architektur verwenden würden. Bis heute erscheinen Prozessoren, deren Befehlssatzarchitektur grundsätzlich mit der des Ur-x86 kompatibel ist - ob nun auf dem Desktop-, Server-, Industrie-PC- oder Embedded-Markt. (Bild: Intel Corporation)

Im aufkommenden Heimcomputer-Zeitalter Ende der 1970er sieht sich Intel plötzlich von Konkurrenten im 8-Bit-Prozessorenmarkt umzingelt. Eine neue CPU muss her, deren Leistungsmerkmale sich von der Konkurrenz abhebt: Der Startschuss für die vorwärtskompatible x86-Architektur, die bis heute Bestand hat.

Im Jahr 1971 hatte die damals gerade einmal drei Jahre alte Halbleiterfirma Intel mit dem Intel 4004 einen der ersten Mikroprozessoren der Welt auf den Markt gebracht. Nur wenige Jahre später löste ein Nachfolger dieses Chips die Heimcomputerrevolution aus: Die kleine Firma MITS nutzte den 8-Bit-Prozessor Intel 8080 als CPU für den Altair 8800, den weltweit ersten Bausatz-Computer für Heimanwender. Im Nachhinein scheint es, als wäre damit der Grundstein für das Unternehmen gefestigt worden, das heute einer der größten Chiphersteller weltweit ist - und zwischenzeitlich sogar DER größte war.

Doch im Zuge der sich anbahnenden Halbleiter- und Computerrevolution sah sich Intel plötzlich auf dem 8-Bit-Markt von neuen Konkurrenten umgeben, die schnell große Teile des noch jungen Marktes an sich rissen. Noch im selben Jahr, in dem auch der 8080 erschien, brachte Telekommunikationsriese Motorola den MC6800 heraus, der umgehend in zahlreichen Peripheriegeräten und Spielhallengeräten zum Einsatz kam. An der Ostküste der USA präsentierte das von ehemaligen Motorola-Angestellten gegründete MOS Technology 1975 mit dem MOS 6502 einen 8-Bit-Prozessor, der nicht nur leistungsstark, sondern für damalige Verhältnisse auch noch spottbillig war. Und 1976 gründete eine Reihe abtrünniger Intel-Ingenieure das Start-up Zilog, dessen erstes großes Produkt, der Zilog Z80, schnell ein Liebling der Massen und des aufstrebenden Heimcomputermarktes wurde.

Als die Heimcomputerwelle im Sommer 1977 mit kompletten Computersystemen fürs Eigenheim so richtig ins Rollen kam, war kein einziger der "Big Three" Apple II, Commodore PET und TSR-80 – mit einem Intel-Prozessor als CPU ausgestattet. Um sich von der aufstrebenden Konkurrenz absetzen zu können, musste ein neues Produkt mit herausragenden Leistungsmerkmalen her: Es war Zeit für den Schritt vom 8-Bit- zum 16-Bit-Prozessor.

Die Geburt des Intel 8086

Ein 16-Bit-Mikroprozessor war zu diesem Zeitpunkt streng genommen keine Premiere mehr. Schon 1973 hatte National Semiconductor den IMP-16 präsentiert, bei dem es sich allerdings um einen Multi-Chip-Prozessor handelte. Der erste 16-Bit-Prozessor in einem einzelnen Gehäuse war der TMS9900 aus dem Hause Texas Instruments, der bereits 1976 erhältlich war und dessen bekanntestes Einsatzfeld wohl der TI-99/4A-Heimcomputer ist. Allerdings war es den Entwicklern des TMS9900 nicht gelungen, alle nötigen Adressregister auf dem Prozessor selbst unterzubringen, weswegen einige Register auf andere Chips ausgelagert werden mussten - worunter die Leistung des Prozessors litt.

Der 16-Bit-Prozessor, an dem die Intel-Ingenieure arbeiteten, sollte dagegen alle Funktionsmerkmale wirklich ausnahmslos in einem einzigen Gehäuse unterbringen. Auch ein weiteres Merkmal sollte den Chip auszeichnen: Der 8086 war in Grundzügen Quellcode-kompatibel zu seinen 8-Bit-Vorgängern Intel 8008, 8080 und 8085. Assembler-Code, der für diese früheren Prozessoren geschrieben war, wurde automatisch für den 16-Bit-Chip konvertiert und war prinzipiell lauffähig - wenn auch nicht mit optimaler Leistung. Dennoch war dies ein Merkmal, dass den 8086 in einer Zeit auszeichnete, in der Portabilität und Kompatibilität innerhalb von Hardwarefamilien noch nicht weit verbreitet waren: Wollte ein Gerätehersteller für ein neues Produkt einen neuen, besseren Prozessor wählen, musste er in der Regel den Code für jede Software und jeden Befehl, der darauf laufen sollte, von Grund auf neu schreiben. Mit dem 8086 war zumindest nun in Grundzügen etabliert, dass alter Quellcode weiterhin, mit nur minimalem Mehraufwand, auch auf neueren Produkten eingesetzt werden konnte.

Nach Intel-Angaben dauerte es 18 Monate von den ersten Designstadien bis zur Markteinführung des Intel 8086. Für seine Zeit war der Chip durchaus eindrucksvoll. Ein externer Adressbus von 20-Bit erlaubte es dem Prozessor, bis zu 1 MByte an physischen Adressraum anzusprechen. Das war auch dadurch möglich, da hier Segmentierung zum Einsatz kam, die eine effizientere Speicherverwaltung ermöglichte. Zum Vergleich: Die einzige andere verfügbare 16-Bit-Konkurrenz unter den Einchip-Mikroprozessoren, der TMS9900, kam mit seinem 16-Bit-Adressraum gerade einmal auf 64 KByte.

Der in einem 3-µm-Verfahren gefertigte Intel 8086 verfügte über 29.000 Transistoren bei einer Chipgröße von 33 mm2 (zum Vergleich: fast 40 Jahre später bringt es ein 14-nm-Prozessor aus der Broadwell-E-Generation von Intels x86-basierter iCore-7-Familie im Jahr 2016 auf etwa 3,2 Milliarden Transistoren bei 246 mm2 Fläche.). Der Mikroprozessor bot zudem einen 16-Bit-E/A-Adressbus, der 64 KByte an separatem Input-Output-Bereich unterstützt. Im Gegensatz zu anderen Intel-Prozessoren (mit Ausnahme des 8085) konnte der Intel 8086 zudem nur mit einer einzelnen Betriebsspannung von +5V versorgt werden - frühere Chips benötigten drei verschiedene Betriebsspannungen. Die Taktfrequenz war ursprünglich auf bis zu 5 MHz beschränkt; in späteren Iterationen des Chips waren bis zu 10 MHz möglich.

Holpriger Start für die x86-Architektur

Bei all diesen Leistungsmerkmalen bestand für den 16-Bit-Prozessor allerdings ein großes Problem, dass anfangs den erfolgreichen Marktstart ausbremste: Es fehlte an kompatiblen 16-Bit-Peripheriechips. Ohne geeignete Peripherie, die sich um Dinge wie Kommunikation und Speicherung kümmerten, war der Mikroprozessor trotz seiner Leistungsmerkmale für Systemdesigns weitgehend wertlos. Und wenn im weiteren Verlauf doch 16-Bit-Schaltkreise verfügbar waren, war das dafür nötige Design deutlich teurer als eine 8-Bit-Bestückung und ein Mainboard mit entsprechend weniger notwendigen Leiterbahnen.

Der ein Jahr später erschienene 8086er-Ableger Intel 8088 versuchte 1979, dieses Problem mit einem Trick zu umgehen: Der Mikroprozessor wurde mit einer zusätzlichen 8-Bit-Schnittstelle ausgestattet, die es möglich machte, auch bereits bestehende 8-Bit-Peripheriechips anzusprechen. Auch diese Idee war nicht ganz neu: Texas Instruments hatte bereits 1977 im TMS9900-Nachfolger TMS9980 genau dieselbe Herangehensweise verwendet, um den Chip besser auf dem Markt zu platzieren. Nun konnte der Prozessor zwar in einem vielfältigeren Umfeld eingesetzt werden, doch es entstand ein neues Problem: Verglichen mit dem Vorgänger 8086 war die effektive Leistung des 8088 schwächer, da der langsamere Datenfluss durch den 8-Bit-Port die Gesamtleistung der CPU ausbremste.

1979 sprangen zudem auch noch andere Konkurrenten auf den 16-Bit-Zug auf. So brachte Zilog den Z80-Nachfolger Z8000 auf den Markt (der allerdings nicht zu seinem 8-Bit-Vorgänger kompatibel war). Und Motorola, das bereits mit dem MC6800 zu einem großen Rivalen im Geschäft mit 8-Bit-Mikroprozessoren erwachsen war, kündigte bereits mit dem Motorola 68000 einen 16-Bit-Chip an, der an Leistungsmerkmalen den Intel 8086/8088 deutlich zu übertreffen versprach – und sogar bereits über 32-Bit-Merkmale verfügen sollte. Intel reagierte mit "Operation Crush": Eine massive Werbekampagne für die beiden 16-Bit-Mikroprozessoren, die sich das Unternehmen 2 Millionen US-$ an Marketingbudget kosten ließ (unter Berücksichtigung der Inflation mehr als 6,9 Millionen US-$ im Jahr 2018). So viel hatte Intel bis dato nie für Marketing ausgegeben.

Das beste Verkaufsargument, das man für einen Chip allerdings bieten kann, ist ein großer Verkaufsschlager, der sich auf diese Technologie stützt. Schützenhilfe sollte hierfür ein Computerhersteller werden, der für ein geheimes Schnellschuss-Projekt dringend bereits auf dem Markt verfügbare Bauteile von Drittherstellern benötigte: IBM.

Schützenhilfe von IBM: Der PC 5150 bringt den x86-Durchbruch

Die Erfolgsgeschichte des IBM PC 5150 ist weithin bekannt: Als Commodore, Apple, Tandy-Radio Shack und Texas Instruments mit eigenen Rechnern den Heimcomputermarkt erobern, fürchtet Büromaschinenhersteller IBM, den Anschluss in diesem neuen, nun plötzlich boomenden Segment zu verlieren. Um dies zu verhindern, wird im August 1980 beschlossen, innerhalb eines Jahres einen eigenen marktreifen Heimcomputer zu entwickeln. Um dies zu schaffen, müssen die Entwickler auf bereits auf dem Markt verfügbare Bauteilen von Drittherstellern für den Rechner verwenden. Das führt dazu, dass die Architektur des IBM-PC weitgehend offen bleibt und bald kompatible Klone entstehen. In der Folge eroberte der PC den Heim- und Bürocomputermarkt – und die in ihm verwendete x86-Prozessorarchitektur wird zum de-facto-Standard in diesem Bereich.

Weniger bekannt ist dagegen, dass bei IBM für die CPU des IBM PC 5150 mehrere Kandidaten in Betracht kamen. Klar war: Es sollte ein 16-Bit-Prozessor sein. Der Zilog Z8000 besaß vielversprechende Features, doch einige Bugs in den ersten Auflagen des Chips (das komplexe Design stützte sich nicht auf Mikrocode und griff gerade mal auf 17.500 Transistoren zurück) sorgten dafür, dass er Anfangs vom Markt weitgehend ignoriert wurde. Der TMS9900 und sein Nachfolger, TMS9980, waren länger auf dem Markt als der Intel 8086. Doch die Chips konnten – wie bereits erwähnt – wegen ihres eingeschränkten Adressraums nur wenig Speicher ansprechen. Der Motorola 68000 hingegen schien zwar ein in jeder Beziehung überlegener Chip zu sein – er besaß eine 16-Bit-Logikeinheit und einen 16-Bit-Datenbus für Peripherien, konnte aber darüber hinaus bereits einen 32-Bit-Befehlssatz, 32-Bit-Adressregister und einen internen 32-Bit-Datenbus vorweisen. Aber wie sich Walden C. Rhines, ein Mitglied des TMS9900-Teams bei Texas Instruments zu jener Zeit, in einem Beitrag für IEEE Spectrum erinnert, war der Mikroprozessor zur Zeit der Entwicklung des IBM PC 5150 nur in geringen Stückzahlen verfügbar – und kam daher für das unter Zeitdruck stehende IBM-Team nicht in Frage.

Da die Time-to-Market des Rechners so kurz wie nur irgend möglich sein musste, griff das Team unter IBM-Chefentwickler Don Estridge letztlich auf den Intel 8088 zurück. Dass der Chip dank seines eigentlich leistungsbremsenden 8-Bit-Ports auch kompatibel zu entsprechenden Peripheriechips war, erwies sich nun als Vorteil. Denn so konnten die Entwicklungskosten des Ur-PCs relativ gering gehalten werden, da man für den Anfang auf billige 8-Bit-Motherboards und 8-Bit-Peripheriechips zurückgreifen konnte. Ein späteres Aufrüsten auf entsprechende 16-Bit-Pendants war im Nachgang immer noch möglich.

Der vergleichsweise große Adressraum für Speicher, die frühe Verfügbarkeit des Chips, Intels Ruf für gutes Qualitätsmanagement und – letztendlich auch – der Gedanke an die Kompatibilität sollten die Faktoren sein, die sich als entscheidend für den Erfolg der x86-Architektur erwiesen. Wenn der Motorola 68000 einige Monate früher fertig gewesen wäre – die PC-Geschichte hätte womöglich völlig anders ausgesehen.

Der De-Facto-Standard für PCs

Dass x86 stellvertretend für die Befehlssatzarchitektur der folgenden Prozessorreihe werden sollte, war ursprünglich nicht beabsichtigt. Tatsächlich hätte der Chip ursprünglich wahrscheinlich primär für Anwendungen zum Einsatz kommen sollen, die heute allgemein als "Embedded Systeme" bezeichnet werden - ein Bereich, in dem die Architektur zwar heute durchaus präsent, aber bei weitem nicht so dominant vertreten ist wie auf dem Computer- und Servermarkt.

Aber Intel erkannte, dass es für Entwickler wie auch für Endverbraucher angenehmer war, wenn bereits einmal geschriebener Code auch auf Prozessoren späterer Generationen eingesetzt werden konnte. Als 1982 die Nachfolgechips 80186/80188 und 80286 erschienen, behielt man daher die zugrunde liegende 16-Bit-ISA (Industrie-Standard-Architektur) bei. Bis Mitte der 80er hatte sich der Begriff "x86" für kompatible PC-Prozessoren weitgehend etabliert - selbst Klone, die im Laufe der 80er- und 90er-Jahre von Intel-Konkurrenten wie AMD, Cyrix oder Renesas-Vorläufer NEC (mit ihren V20/V30-Bausteinen) auf dem Markt erschienen, wurden weitläufig unter diesem Begriff zusammengefasst.

Mit dem 80386 erfolgte 1985 bei Intel der Sprung auf 32-Bit-Mikroprozessoren. Das Unternehmen versuchte zunächst, für diese Chips den Begriff IA-32 (Intel-Architecture, 32-Bit) zu etablieren. Doch bis dahin war der x86-Begriff bereits zu gefestigt, so dass letztlich auch bei Intel selbst der Name als genereller Begriff für diese Art von Prozessorarchitektur etabliert wurde.

Trotz des Sprungs auf 32-Bit achtete Intel allerdings darauf, dass eine grundsätzliche Befehlssatzkompatibilität zu den 16-Bit-Vorgängern gewahrt blieb. Auch wenn 16-Bit-Programme auf den 32-Bit-Prozessoren nur dann ihre maximale Effizienz entfalten konnten, wenn der Code nur auf eine bestimmte Teilmenge des kompletten Prozessor-Befehlssatzes zurückgriff, konnte alte PC-Software dennoch ohne größere Schwierigkeiten auf neuen Prozessorgenerationen weiter genutzt werden - für Anwender und Softwareanbieter ein wahrer Segen. Auch das trug dazu bei, dass der PC letztendlich die dominante Heimcomputer-Plattform wurde: Durch die gesamten 80er Jahre hindurch war es bei Heimcomputerherstellern ansonsten nicht üblich, neue Rechner kompatibel zu ihren Vorgängern zu machen - sehr zum Frust der Verbraucher, die einmal erworbene Software auf ihrem neuen Rechner nicht mehr länger nutzen konnten.

Dieses Kompatibilitäts-Prinzip hat sich bis heute gehalten: Auch als mit dem 486 erstmals Pipelines und in der fünften x86-Generation, dem Intel Pentium Superskalarität in die Reihe eingeführt wurden, blieb in den Bausteinen die Kompatibilität weiter gewahrt. Auch moderne x86-Prozessoren sind in ihrem grundsätzlichen Befehlssatz bis zum ursprünglichen Intel 8086 abwärtskompatibel. Mit anderen Worten: Für den Intel 8086 geschriebener Code läuft prinzipiell auch auf einem Intel Core-Prozessor der achten Generation.

Zum 40. Jubiläum präsentiert Intel einen "neuen" 8086

Heute ist x86 die tonangebende Architektur auf dem PC-Markt und selbst nach 40 Jahren auch in Servern, Industrie-PCs und (in geringerem Maße) in Embedded Systemen weit verbreitet. Auch wenn es inzwischen diverse andere Hersteller von x86-Prozessoren wie AMD gibt, bleibt dieser Prozessortyp doch weiterhin am engsten mit dem Unternehmen verbunden, dass 1978 den ersten kompatiblen Baustein dieser Architekturreihe eingeführt hat. Bei Intel selbst hat man diese Wurzeln – gewissermaßen einer der Grund-Bausteine des heutigen Erfolges – nicht vergessen.

Anlässlich des Jubiläum hat Intel daher zum 40. Jahrestag der x86-Architektur am 8. Juni 2018 einen neuen Prozessor angekündigt, der das Jubiläum angemessen würdigen soll: Den Coffee-Lake-Prozessor Intel Core i7-8086K (essentiell eine Variante des aktuellen Desktop-Flaggschiffs Core i7-8700). Der Chip mit einem veranschlagten Preis von 425 US-$ soll in einer limitierten Auflage von 50.000 Stück erscheinen und verfügt über eine Grund-Taktgeschwindigkeit von 4GHz, bietet erstmals einen Single-Core-Turbo-Boostmodus mit 5GHz und besitzt sechs Prozessorkerne mit 12 Threads sowie den gleichen iGPU-Turbo-Takt wie der Rest der 8. Generation Core i7-Familie (1,2 GHz). Und selbstverständlich ist die ISA des ursprünglichen Intel 8086 weiterhin kompatibel.

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der 68000 gilt aber nicht als 16-Bit.. sondern als 32-Bit-CPU. (obwohl zunächst nur 16 Bits bei...  lesen
posted am 12.06.2018 um 18:19 von Unregistriert

Bezüglich des ersten 16-Bit-Prozessors: Sie haben Recht, gemeint war National Semiconductor, nicht...  lesen
posted am 11.06.2018 um 08:40 von Sebastian Gerstl,Sebastian Gerstl

Die gingen 2011 an Texas Instruments.  lesen
posted am 11.06.2018 um 06:20 von Unregistriert

Es war nicht National Instruments, die den ersten 16-Bit-Mikroprozessor herausbrachten, die Firma...  lesen
posted am 09.06.2018 um 07:56 von Unregistriert


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