Семейство процессоров x88/x86

Первый микропроцессор — i4004 — был изготовлен 1971 году и с тех пор фирма Intel (INTegrated Electronics) прочно удерживает лидирующее положение на данном сегменте рынка.

Стоит, пожалуй, напомнить, что максимальная тактовая чистота этого прапрадедушки современных «числодробилок» составляла всего 750 кГц.

Реализация ряда следующих проектов фирмы Intel по разработке однокристаллических микропроцессоров (i4040, i8008) возвестила о наступлении новой эры персональных компьютеров. Наиболее успешным был, пожалуй, проект разработки микропроцессора i8080.

Кстати, впоследствии именно на этом микропроцессоре был основан компьютер «Альтаир», для которого молодой Бил Гейтс написал свой первый интерпретатор Бейсика. Этот 8-разрядный микропроцессор был выполнен по n-канальной. МОПтехнологии (n-MOS), а его тактовая частота не превышала 2 МГц. Не будет преувеличением сказать, что классическая архитектура i8080 оказала огромное влияние на дальнейшее развитие однокристальных микропроцессоров. Несмотря на заслуженный успех i8080, настоящим промышленным стандартом для персональных компьютеров стал другой микропроцессор фирмы Intel.

Микропроцессор i8088 был анонсирован Intel в июне 1979 года, а в 1981;м «Голубой Гигант» (фирма IBM) выбрал этот микропроцессор для своего первого персонального компьютера и, надо сказать не ошибся. Новый чип содержал примерно 29 тысяч транзисторов. Одним из существенных достоинств микропроцессора i8088 была возможность (благодаря 20 адресным линиям) физически адресовать область памяти в 1 Мбайт.

Здесь следует, правда, отметит, что для IBM PC в этом пространстве было отведено всего лишь 640 Кбайт. Хотя с внешними периферийными устройствами (дисками, видео) i8088 был связан внешнюю 8-разрядную шину данных, его внутренняя структура (адресуемые регистры) позволяла работать с16-разрядными словами.

Как известно, на системной шине IBM PC для передачи данных было отведено8 линий (1 байт). Первоначально микропроцессор i8088 работал на частоте 4,77 МГц и имел быстродействие 0,33 MIPS (Million Instruction Per Second), однако впоследствии были разработаны его клоны, рассчитанные на более высокую тактовую частоту (например, 8 МГц).

Чип 8086, появившийся ровно на год раньше своего счастливого последователя (в июне 1978 года), стал популярен благодаря компьютеру Compaq DeskPro. Программная модель (доступные регистры) этого микропроцессора полностью совпадает с моделью i8088.

Основное отличие данных микропроцессора состоит в различной разрядности внешней шины данных: 8 разрядов у i8088 и 16 у i8086. Понятно, что более высокой производительности с новым микропроцессором можно было достичь при использовании компьютера, на системной шине которого под данные предусмотрено 16 линий. Адресная шина микропроцессора i8086 по-прежнему позволяла адресовать 1 Мбайт памяти.

Опираясь на архитектуру i8086 и учитывая запросы рынка, в феврале1982 года фирма Intel выпустила свой новый микропроцессор — i80286. На кристалле было реализовано около 130 тысяч транзисторов.

Надо сказать, что этот чип появился практически одновременно с новым компьютером фирмы IBM — PC/AT. Наряду с увеличением производительности этот микропроцессор (i80286) мог теперь работать в двух режимах — реальном и защищённом. Если первый режим был (за рядом исключений) похож на обычный режим работы i8088/86, то второй использовал более изощрённую технику управления памятью. В частности, защищённый режим работы позволял, например, таким программным продуктам, как Windows 3.0 и OS/2, работать с оперативной памятью свыше 1 Мбайта.

Благодаря 16 разрядам данных на новой системной шине, которая была впервые использована в IBM PC/AT286,мог обмениваться с периферийными устройствами 2-байтными сообщениями. 24адресные линии нового микропроцессора позволяли в защищённом режиме обращаться уже к 16 Мбайтам памяти. В микропроцессоре i80286 впервые на уровне микро схем были реализованы многозадачность и управление виртуальной памятью. При тактовой частоте 8 МГц достигалась производительность 1,2 MIPS.

В октябре 1985 года фирмой Intel был анонсирован (представлен) первый 32-разрядный микропроцессор i80386. Новый чип содержал примерно 275 тысяч транзисторов. Первым компьютером, использующий этот процессор, был Compaq Desk Pro 386 (другие источники говорят о лидерстве фирмы ALR).Полностью 32-разрядная архитектура (32-разрядные регистры и32-разрядная внешняя шина данных) в новом микропроцессоре была дополнена расширенным устройством управления памятью MMU (Memory Management Unit), которая помимо блока сегментации (Segmentation Unit) было дополнено блоками управления страницами (Paging Unit). Это устройство позволяло легко переставлять сегменты из одного места памяти в другое (свопинг) и освобождать драгоценные килобайты памяти. На тактовой частоте 16 МГц быстродействие нового процессора составляло примерно 6 MIPS.

В реальном режиме (после включения питания) микропроцессор i80386работал как «быстрый i8088 «(адресное пространство 1 Мбайт, 16-разрядные регистры). Защищённый режим был полностью совместим с аналогичным режимом в i80286. Тем не менее в этом режиме i80386 мог выполнять и свои «естественные (native) 32-разрядные программы. Напомним, что 32 адресные линии микропроцессора позволяли физически адресовать 4 Гбайта памяти. Кроме того был введён новый режим — виртуального процессора (V86). В этом режиме могли одновременно выполняться несколько задач, предназначенных для i8086.

Более дешёвая альтернатива 32-разрядному процессору i80386, который в последствии получил окончание DX, появился только в июне 1988 года. То был процессор i80386SX. В отличие от своего старшего «собрата «новы микропроцессор использовал 16-разрядную шину внешних данных и 24-разрядную адресную (адресуемое пространство — 16 Мбайт). Это было особенно удобно для стандарта PC/AT, системная шина которых использует, как известно, только 16 линий данных. Благодаря дешевизне нового изделия многие производители «железа» стали заменять уже устаревший микропроцессор i80286 на более производительный i80386SX. Одним из решающих факторов для замены была полная совместимость 32-разрядных микропроцессоров: программное обеспечение, написанное для i80386DX, корректно работало и на i80386SX. Дело в том, что внутренние регистры их были полностью идентичны. Надо отметить, что уже к концу 1988 года микропроцессор i80386SX выпускался в количестве, существенно превосходящих рекордные показатели для i80386DX. Кстати, говорят, что индекс SX произошёл от слова SiXteen (шестнадцать), поскольку разрядность внешней шины данных нового тогда процессора была именно такой. В дальнейшем, правда, для 486-х процессоров SX стал означать отсутствие математического сопроцессора.

На осенней выставке Comdex в 1989 году фирма Intel впервые анонсировала микропроцессор i486DX, который содержал более миллиона транзисторов (а точнее, 1,2 миллиона) на одном кристалле и был полностью совместим с процессором ряда х86. Напомним, что на кристалле первого члена этого семейства микропроцессора i8088 — насчитывалось около 29 тысяч транзисторов. В борьбе с микропроцессорами-клонами фирма Intel намеренно убрала из названия нового устройства число 80.

Новая микросхема впервые объединила на одном чипе такие устройства, как центральный процессор, математический сопроцессор и кэш-память. Использование конвейерной архитектуры, присущей RISC-процессорам, позволило достичь четырёхкратной производительности обычных 32-разрядныхсистем. Это связано с уменьшением количества тактов для реализации каждой команды. 8-Кбайтная встроенная кэш память ускоряет выполнение программ за счёт промежуточного хранения часто используемых команд и данных. На тактовой частоте 25 МГц микропроцессор показал производительность 16,5 MIPS. Созданная в июне 1991 года версия микропроцессора с тактовой частотой 50 МГц позволила увеличить производительность ещё на 50%. Встроенный математический сопроцессор существенно облегчал и ускорял математические вычисления. Однако впоследствии стало ясно, что подобный сопроцессор необходим только 30% пользователей.

Появление нового микропроцессора i486SX фирмы Intel вполне можно считать одним из важнейших событий 1991 года. Уже предварительные испытания показали, что компьютеры на базе i486SX с тактовой частотой 20 МГц работают быстрее (примерно на 40%) компьютеров, основанных наi80386DX с тактовой частотой 33 МГц. Микропроцессор i486SX, подобно оригинальному i486DX, содержит на кристалле и кэш-память, а вот математический сопроцессор у него заблокирован. Значительная экономия (благодаря исключению затрат на тестирование сопроцессора) позволила фирме Intel существенно снизить цены на новый микропроцессор. Надо сказать, что если микропроцессор i486DX был ориентирован на применение в сетевых серверах и рабочих станциях, то i486SX послужил отправной точкой для создания мощных настольных компьютеров. Вообще говоря, в семействе микропроцессоров i486 предусматривается несколько новых возможностей для построения мультипроцессорных систем: соответствующие команды поддерживают механизм семафоров памяти, аппаратно-реализованное выявление недостоверности строки кэш-памяти обеспечивает согласованность между несколькими модулями кэш-памяти и т. д. Для микропроцессоров семейства i486 допускается адресация физической памяти размером 64Тбайт.

К концу 1991 года 32-разрядные микропроцессоры стали стандартными для компьютеров типа лэптоп и ноутбук, однако обычные микросхемы.

i80386DX/SX не полностью отвечали требованиям разработчиков портативных компьютеров. Для удовлетворения потребностей этого сегмента рынка в 1990 году фирмой Intel был разработан микропроцессор i80386SL, который содержал примерно 855 тысяч транзисторов. Данный микропроцессор представляет собой интегрированный вариант микропроцессора i80386SX, базовая архитектура которого дополнена ещё несколькими вспомогательными контролерами. По существу, все компоненты, необходимые для построения портативного компьютера, сосредоточены в двух микросхемах: микропроцессоре i80386SL и периферийном контролере i82360SL. В наборi82360SL впервые введено новое прерывание, называемое System Management Interrupt (SMI), которое может быть использовано для обработки событий, связанных, например, с управлением потребляемой мощностью. Вместе с математическим сопроцессором i80386SL данный набор микросхем позволяет создать 32-разрядный компьютер на площади, не намного превышающий размер игральной карты.

Микросхема i486SL представляет собой самый производительный процессор серии SL, разработанный фирмой Intel. Анонсированная в конце1992 года, эта микросхема объединяет характерные черты двух представителей процессорных семейств Intel: i486DX и i80386SL. По производительности новый процессор не уступает i486DX, но благодаря пониженному напряжению питания (3,3 В) и развитой технологией управления энергоснабжения (как в i80386SL) он может эффективно использоваться в портативных компьютерах. Производительность системы на базе i486SL можно существенно улучшиться благодаря 16-разрядной шине высокоскоростного периферийного интерфейса PI, которая поддерживает быстрый интерфейс графического дисплея и устройств хранения информации на основе флэш-памяти. По некоторым оценкам, системная плата компьютера на базеi486SL примерно на 60% меньше, чем при использовании i80386SL, а среднее время автономной работы компьютера-блокнота (около 3 часов) может увеличится на один час только за счёт использования нового микропроцессора.

Кстати, с конца 1993 года фирма Intel начала выпускать новую серию микропроцессоров 486SL Enhanced, которая заменила 5-вольтовые 486SX, 486DX, 486DX2, и Over Drive-процессоры. Подобные процессоры имеют напряжение питания 3,3 В и развитую технологию энергосбережения, что полностью соответствует американской национальной программе Energy Star.