Intel 8086 (объявлен 8 июня 1978 г.) — первое поколение.

МП содержал 29 тыс. транзисторов (рис. 3.15). Высокое быстродейст­вие элементов обеспечило тактовую частоту 5 МГц, а 16-разрядная архитектура и машинный цикл 200 не — производитель­ность, превышающую аналогичный параметр 8080 на порядок. Именно стратегия эволюционного, а не революционного разви­тия, выбранная фирмой Intel была верна и давала свои плоды. Программная совместимость была исключительно важной ха­рактеристикой, которая объединяла 86-й кристалл с его предше­ственниками. Структура МП была полностью перестроена, он как бы был разделен на два одновременно работающих функ­циональных блока. Это операционный блок (EU — Execution Unit) и блок интерфейса (BIO — Bus Interface Unit). В результате исполнение одной команды совмещалось во времени с выбор­кой следующей команды или данных из памяти. Таким образом, из универсальных ЭВМ МП позаимствовали еще одно техниче­ское решение — реализацию принципов параллелизма. В ЦП появился небольшой буфер команд, что давало дополнительную экономию времени при обращениях к памяти.

Адресация 1 Мбайт оперативной памяти (благодаря 20 адрес­ным линиям) и ее сегментация могут быть отнесены к одним из наиболее существенных достижений. Сегментация памяти и большое число уровней прерываний были ориентированы на ра­боту системы в многозадачном режиме. Однако механизм защи­ты памяти пока реализован не был, и это в ряде случаев сущест­венно усложняло разработку программного обеспечения.

Наряду с поддержкой ввода-вывода по каналу ПДП допол­нительно обеспечивалась адресация до 64 К портов программ- но-управляемого ввода-вывода.

МП 8086 мог работать в двух режимах: минимальном (рас­считанном на использование в небольших системах без приме­нения БИС контроллера шины) и максимальном (ориентиро­ванном на применение МП в сложных системах с использовани­ем БИС контроллера шины). В систему команд входило 147 инструкций, позволяющих решать задачи управления прак­тически любой сложности. Появились операции умножения и деления 16-разрядных чисел со знаком и без знака, команды об­работки массивов данных, программно-управляемые прерыва­ния и др., что превратило чип в универсальный прибор, который мог успешно применяться как для построения сложных кон­троллеров, так и в качестве ЦП ЭВМ общего назначения. Кроме того, МП вышел в мощном сопровождении средств поддержки (вспомогательных БИС, средств разработки и отладки аппарату­ры и системного ПО и т. д.).

Наряду с этим фирмой Intel был выпущен процессор 8088 с 8-разрядной внешней шиной данных. Из-за применения эконо­мичных 8-разрядных микросхем появился ПК с МП 8088 (фир­ма IBM, ПК класса XT — Extended Technology — расширенная технология, тактовая частота 4,77 МГц). На базе 8086 были вы­пущены младшие модели 25 и 30 семейства PS/2.

Процессор i8088 также относится в настоящее время к про­цессорам первого поколения.

Использование чипов 8086 в IBM PC предопределило даль­нейшее развитие корпорации Intel как разработчика и изготови­теля универсальных процессоров общего назначения. Был изго­товлен 16-разрядный арифметический сопроцессор 8087, кото­рый позволил превратить ПК еще и в достаточно мощный инструмент для решения задач вычислительного характера.

Intel 80286 (1 февраля 1982 г.) — второе поколение. В этом про­цессоре было введено большое количество новшеств. В 1984 г. фирма IBM использовала этот МП в PC АТ (АТ — Advanced Technology — улучшенная технология). Вот основные новшества этого чипа:

• адресное пространство составляло 16 Мбайт (вместо Мбайт у предшественников), так как использовалась 24-разрядная шина адресов;

• поддержка виртуальной памяти (это позволяло использо­вать внешнюю память для имитации большой реальной внутренней памяти емкостью до 1 Гбайт);

• аппаратная мультизадачность (эта архитектурная новинка позволяла в ПК одновременно выполнять несколько задач с большой скоростью переключения с одной на другую);

• повышенное быстродействие (4 МГц, однако вскоре рабо­чая частота была повышена до 8 МГц и стала стандартной, хотя производители клонов эту частоту довели до 10; 12,5; 16 и 20 МГц);

• встроенная система управления памятью и средства ее за­щиты (открывали широкие возможности использования МП в многозадачных средах);

• дополнение системы команд 16 новыми инструкциями;

• размещение в одном кристалле контроллеров прерываний и ГЩП, а также таймера и системного генератора.

МП мог работать в двух режимах — реальном (МП действо­вал как 8086, что обеспечивало совместимость с DOS и сущест­вующим ПО) и защищенном (в этом режиме МП реализовывал режим виртуальной памяти, аппаратную мультизадачность и ад­ресацию к большему пространству памяти).

Операционная система MS DOS может работать только в реальном режиме. Другие операционные системы, например, OS/2 (предложенная фирмой IBM — альтернатива DOS) и UNIX (XENIX и AIX), могут использовать защищенный режим и, следовательно, расширенные возможности 80286. Многие новшества, введенные в этот чип, впоследствии переходили от поколения к поколению МП фирмы Intel. Имелись и опреде­ленные нерешенные проблемы, связанные с многозадачностью, повышением производительности, совершенствованием тракта процессор-память и устройства управления памятью (для эф­фективного функционирования ПК под управлением многоза­дачных ОС).

Архитектура IA-32. Intel 80386 (17 октября 1985 г.) — третье поколение. Архитектура IA-32 (иногда называемая х86-32) являет­ся архитектурой 32-битовой системы команд семейства микро­процессоров Intel (предыдущая архитектура была 16-битовой) и появляется с Intel80386SX.

Данный МП был процессором для ЭВМ общего назначения. Размещение на кристалле 275 тыс. транзисторов дало возмож­ность полностью реализовать 32-разрядную архитектуру.

Главные особенности:

• обеспечивает 32-разрядный ввод-вывод, 32-битовую адреса­цию основной памяти (адресуемая реальная память — до 4 Гбайт, т. е. 2³² = 4 294 967 296 байт) и емкостью до 64 Тбайт (64 х 2⁴⁰ байт) виртуальной памяти;

• рабочая тактовая частота равнялась 33 МГц;

• в МП были встроены система управления памятью и защи­ты (регистры преобразования адреса, механизмы защиты оперативной памяти, улучшенные аппаратные средства под­держки многозадачных ОС), средства работы с виртуальной памятью со страничной организацией памяти (в устройство менеджера памяти — MMU (memory management unit) поми­мо блока сегментации — SU (segmentation unit) был включен блок управления страницами — PU (Paging Unit), благодаря этому относительно просто реализовывались процессы сво­пинга (перестановка сегментов из одного места памяти в другое).

Предварительная выборка команд, буфер для команд (внут­ренняя кэш-память) 16 байт, конвейер команд и механизмы вы­полнения функций преобразования адреса значительно умень­шили среднее время выполнения команды (3—4 млн команд в секунду, что в 6—8 раз превышало аналогичный показатель 8086). Как и раньше, новый чип был совместим со своими пред­шественниками на уровне объектных кодов.

Наиболее существенной особенностью 80386 было использо­вание кэш-памяти, значительно повышающей производитель­ность системы (еще один атрибут универсальных ЭВМ, который начал применяться в МП-системах). Для управления этой памя­тью был разработан специальный контроллер, с помощью кото­рого формировался двухходовый множественный ассоциативный кэш (обеспечивал буфер емкостью до 32 Кбайт и высокий коэф­фициент удачных обращений). Но математический сопроцессор был еще автономным на отдельном кристалле (80387).

Реализованы три режима работы 80386: реальный, защищен­ный и виртуальный МП 8086. Процессор 80386 как бы включает в себя три разных процессора.

В рабочем режиме — Real Mode (реальный режим — старто­вый) — он ведет себя как 8086, т. е. тот же 8086 с расширенным набором команд и имеющий доступ к первому Мбайту памяти (при этом возможности 80386 используются не полностью, но на ней могут выполняться все программы, написанные для 8086/8088 и причем значительно быстрее).

Защищенный режим (Protected Mode) 80386 соответствует аналогичному режиму 80286, имеет доступ к 16 Мбайт памяти и расширенному набору команд, а также имеет возможность ис­пользовать систему мультипрограммирования (в основном могут выполняться несколько прикладных программ, чаще работаю­щих в среде Windows и поддерживающих защищенный режим). Если заменить ОС на OS/2 (разработка специально для защи­щенного режима), то появится возможность полностью исполь­зовать функциональные возможности этого режима.

Последний, третий режим 80386 — Virtual Real Mode. В этом режиме он одновременно заменяет некоторое количество парал­лельно работающих 8086/8088, т. е. одновременно могут быть за­действованы несколько программ, которые выполняются соот­ветствующими процессорами 8086/8088. Здесь нет ограничения 1Мбайт на память. Ядром многозадачности является основная программа, переключающая процессор в виртуальный режим и контролирующая текущие процессы выполнения различных про­грамм (например, система Windows).

80386 внутренне одновременно оперирует 32 битами и имеет внешний 32-битовый интерфейс, но к тому времени большинст­во устройств и микросхем были 16-битовыми и не могли ис­пользовать эту возможность МП. Intel повторила опыт МП 8088 (8086 — 16 бит внутренние и внешние, а 8088 — 16 бит внутрен­ние и 8 бит внешние) и создала 80386 с 16-битовым интерфей­сом (он получил название 80386 SX), который оказался меньше и дешевле. Полноразрядный 80386 получил название 80386 DX.

Intel 80386 SX (февраль 1989 г.) имел 16-разрядную шину данных и 24-разрядную адресную шину (память 2²⁴ = = 16 777 200 байт), он считал так же быстро, как и 80386 DX, од­нако при обращениях к имеющимся периферийным устройствам или платам расширения, а также к оперативной памяти он огра­ничивался 16 разрядами. Поэтому 80386 SX примерно на 10 % медленнее 80386 DX с той же тактовой частотой. Истинные пре­имущества процессора заключались в возможностях, связанных с многозадачностью.

Intel 80386 SL (20 МГц — октябрь 1990 г.) по сравнению с 80386 SX имел большую производительность за счет: кэш-кон­троллера на чипе; усовершенствованного диспетчера памяти MMU; увеличенной адресной шины, позволяющей осуществ­лять управление памятью 32 Мбайт; аппаратных средств EMS 4.0 (Expanded Memory Specification 4.0 — спецификация дополни­тельной памяти), позволяющей расширение основной памяти за пределы 640 Кбайт; малого расхода электроэнергии (за счет при­менения КМОП-структур); оптимального режима питания (ко­торое подается только на компоненты, которые в данный мо­мент времени задействованы в выполнении основных функций процессора, а остальные компоненты до начала своей активной работы функционируют в «спящем» режиме). Этот процессор по ряду параметров идеально подходил для ПК типа Laptop или Notebook, работающих на батареях. Он удовлетворяет требова­ниям программы экономии энергии Агентства защиты окружаю­щей среды (ЕРА — Environmental Protection Agency).

80386 SL могли работать с диском на базе флэш-памяти (так фирма Intel называет энергонезависимую память с произволь­ным доступом относительно медленного действия). Она могла образовывать диск 16 Мбайт на базе флэш-памяти с применени­ем, конечно, специального интерфейса. В 80386 SL можно было уменьшить потребление электроэнергии путем снижения часто­ты системной синхронизации при выполнении операций, в ко­торых высокая частота не требуется (так как чем выше частота синхронизации, тем больше потребляемая энергия). Например, при вводе данных с клавиатуры частоту можно снизить в 2, 4 или 8 раз. При выполнении программы возобновляется обычная работа ПК.

80386 SLC представляет собой маломощный МП с внут­ренней кэш-памятью на 8 Кбайт, работающий на базе системы команд 80486 SX (см. далее) с оптимизацией наиболее часто встречающихся в современных сложных приложениях команд, которые выполняются за меньшее число тактов синхронизации по сравнению с обычными 80386.

Intel 80486 (10 апреля 1989 г.) — четвертое поколение. Здесь в результате повышения степени интеграции в 1,2 млн транзисто­ров открылась возможность реализовать на одном кристалле не только кэш-память, но и математический сопроцессор. Для кэш-памяти использовался более эффективный четырехвходо­вый статический буфер, который, будучи размещенным в чипе, мог работать на тактовой частоте МП (намного быстрее, чем ОП). Здесь применялся «групповой режим» — самый скоростной режим доступа к шине, обеспечивающий быстрое заполнение кэш-памяти МП. Интегрированное в чип МП 8 Кбайт кэш­памяти, управляемой через контроллер, называется внутрен­ней (Internal Cache), т. е. Level 1 (L1). Имеется также внешняя кэш-память (External Cache), т. е. Level 2 (L2). 80 % команд мо­гут выполняться за один такт (применяется конвейерная обра­ботка). Этот прибор так же, как и предыдущие МП, функциони­ровал в трех режимах и был ориентирован на многозадачные среды. Производительность в задачах вычислительного характе­ра возросла в 3—4 раза (за счет интеграции МП и сопроцессора).

В зависимости от режима 80486 работает с различной час­тотой.

Intel 80486 DX, основное отличие — отсутствие внут­реннего математического сопроцессора, рабочие частоты — 25 и 33 МГц.

Intel 80486 SL (ноябрь 1992 г.) предназначен для laptop и портативных ПК (напряжение питания 3,3 В, имеет внутрен­нюю схему выключения, предусмотрена схема снижения частоты синхронизации в определенных условиях и т. д.

МП 80486 SLC2 разработан фирмой IBM (применена схе­ма удвоения частоты — на внешнем уровне она работает с обыч­ной тактовой частотой, а на внутреннем уровне — с удвоенной частотой; используется напряжение питания 3,3 В; по сравнению с 80386 SLC удвоена емкость внутреннего кэша до 16 Кбайт).

Intel Rapid CAD — модифицированный процессор 80486, который с дополнительным чипом работает в любом вычисли­тельном устройстве, рассчитанном на ЦП 80386. Этот специаль­ный набор микросхем делает из ПК с ЦП 80386 почти полно­ценный ПК 486 (скорость, как у 80486, плюс дополнительная производительность сопроцессора).

Intel 80486 DX2 (март 1992 г.) — усовершенствованный вариант 80486 DX (он на внешнем уровне представляет собой МП с тактовой частотой 25 или 33 МГц, который, однако, на внутреннем уровне работает с тактовой частотой 50 или, соот­ветственно, 66 МГц). Тогда команды, которые не используют передачу данных на внешнюю шину, выполняются почти в 2 раза быстрее (это на практике означает повышение эффектив­ности от 50 до 95 %). Эти МП обеспечили новую технологию, при которой скорость работы внутренних блоков МП в 2 раза выше скорости остальной части системы (появилась возмож­ность объединения высокой производительности МП с внутрен­ней тактовой частотой 50 (66) МГц и эффективной по стоимости системой на 25/33 МГц).

Intel 80486 SX2. Процессор 486SX с внутренним удвое­нием частоты. Тактовая частота 50 МГц.

Intel 80486 DX4 (март 1994 г.). Процессор 486DX с внут­ренним утроением частоты совместим с 486DX, кэш объемом 16 Кб, 1,6 млн транзисторов, технология 0,6 мкм, 75 МГц, 53 млн операций в секунду, 100 МГц, 70 млн операций в секунду.

Микроархитектура Р5. Представленный в 1993 г., ЦП Pentium (рис. 3.16) был преемником линий 486 Intel и позицио­нировался как процессор пятого поколения.

Первый Pentium имел внутреннее кодовое наименование Р5, использовал конвейеризацию (суперскаляризацию) и произво­дился с использованием процесса 0,8 мкм. Затем появились ЦП Р54, производившиеся по технологии 0,6 мкм и имевшие внут­реннюю тактовую частоту, отличную от частоты первичной сис­темной шины (FSB) (оказалось намного более трудным увели-

Рис. 3.16. Основные компоненты процессора Pentium

чить частоту шины, чем процессора). В дальнейшем вышли ЦП Р54С, где использовался технологический процесс 0,35 мкм — чистый процесс CMOS, в отличие от «биполярного процесса» CMOS, который применялся в более ранних Pentium.

Основные архитектурные отличия, которые привели к суще­ственному повышению эффективности Pentium по сравнению с ЦП 486, состояли в следующем:

• суперскалярная архитектура — Pentium имел два конвейе­ра: первый («U-конвейер») мог обрабатывать любые ко­манды, в то время как второй («V-конвейер») — только простые команды. Использование более чем одного кон­вейера характерно для RISC-процессоров, и это стало на­чалом применения Intel RISC-методов на семействе про­цессоров Pentium;

• шина данных на 64 бита — каждое обращение к памяти по­зволяло получать вдвое большее количество информации, чем это было в предыдущих чипах.

Следующий процессор Р55С Pentium MMX базировался на ядре Р5 и процессе изготовления 0,35 мкм. Здесь также был уд­воен размер до 32 Кбайт и расширен набор команд, чтобы опти­мизировать обработку мультимедиа-данных.

Микроархитектура Р6. Р6 — шестое поколение х86 архитек­туры процессора Intel, первоначально осуществленной в дизайне Pentium Pro (рис. 3.17), представленного в 1995 г. в качестве пре­емника исходного Pentium Р5.

Рис. 3.17. Процессор Pentium Pro

Pentium Pro (1 ноября 1995 г.) имеет три конвейера, каждый из которых включает 14 ступеней. Для постоянной за­грузки имеется высокоэффективный четырехвходовый кэш ко­манд и высококачественная система предсказания ветвлений на 512 входов. Дополнительно для повышения производительности была применена буферная память (кэш) второго уровня емко­стью 256 Кбайт, расположенная в отдельном чипе и смонтиро­ванная в корпусе ЦП. В результате стала возможной эффектив­ная разгрузка пяти исполнительных устройств: два блока цело­численной арифметики; блок чтения (load); блок записи (store); FPU (Floating-Point Unit — устройство арифметических опера­ций с плавающей точкой).

Pentium Р55 (Pentium MMX), 8 января 1997 г. Pentium MMX — версия Pentium с дополнительными возможно­стями. Технология ММХ должна была добавить/расширить мультимедийные возможности компьютеров. ММХ объявлен в январе 1997 г., тактовая частота 166 и 200 МГц, в июне того же года появилась версия 233 МГц. Технологический процесс 0,35 мкм, 4,5 млн транзисторов.

Pentium II (7 мая 1997 г.). Процессор представляет собой модификацию Pentium Pro с поддержкой возможностей ММХ. Была изменена конструкция корпуса — кремниевую пла­стину с контактами заменили на картридж, увеличена частота шины и тактовая частота, расширены MMX-команды. Первые модели (233—300 МГц), производились по технологии 0,35 мкм, следующие — по 0,25 мкм. Модели с частотой 333 МГц выпуще­ны в январе 1998 г. и содержали 7,5 млн транзисторов. В апреле того же года появились версии 350 и 400 МГц, а в августе — 450 МГц. Все Р2 имеют кэш второго уровня объемом 512 Кбайт. Есть также модель для ноутбуков — Pentium 11 РЕ, и для рабочих станций — Pentium II Хеоп 450 МГц.

Pentium III (26 февраля 1999г.). РЗ — один из самых мощных и производительных процессоров Intel, но в своей кон­струкции он мало чем отличается от Р2, увеличена частота и до­бавлено около 70 новых команд (SSE). Первые модели объявлены в феврале 1999 г., тактовые частоты — 450, 500, 550 и 600 МГц. Частота системной шины 100 МГц, 512 Кбайт кэша второго уров­ня, технологический процесс 0,25 мкм, 9,5 млн транзисторов. В октябре 1999 г. также выпущена версия для мобильных ком­пьютеров, выполненная по 0,18-мкм технологии с частотами 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700 и 733 МГц. Для рабочих станций и сер­веров существует РЗ Хеоп, ориентированный на системную логи­ку GX с объемом кэша второго уровня 512 Кбайт, 1 Мбайт или