Procesory INTEL 80x86



Procesor INTEL 8086

Procesor Intel 8086 byl uveden na trh v letech 1979 - 1980. Jedná se o plně 16bitový procesor. Je vybaven 16bitovou vnitřní architekturou, která mu umožňuje během jediné instrukce zpracovat maximálně 16bitové číslo (tj. číslo v rozmezí 0 až 216-1 neboli 0 až 65535). Kromě toho 8086 disponuje 16bitovou datovou sběrnicí, která dovoluje přenášet data do (z) čipu po 16 bitech. Dále je vybaven 20bitovou adresovou sběrnicí, pomocí které dokáže adresovat paměťový prostor o kapapcitě max. 1 MB (odpovídá 220 B = 1048576 B). Tato adresa je tvořena ze dvou šestnáctibitových složek označovaných segment a offset, které se sečtou posunuty o 4 bity. Tím je vytvořena výsledná 20bitová adresa.

Schéma adresace procesoru 8086

Velikost jednoho segmentu, v jehož rámci je možné se pohybovat pouze pomocí změny hodnoty offsetu, je 64 kB. Adresa se zapisuje ve tvaru segment:offset. Např. 4000:B000 značí adresu 4B000 (hexadecimálně), tj. 307200 (dekadicky).

Intel 8086 byl vyráběn v pouzdře DIP (DIL) se 40 vývody a na svém čipu integruje asi 29000 tranzistorů. Procesor Intel 8086 byl osazován hlavně v počítačích označených IBM PC a IBM PC / XT




Procesor INTEL 8088

Procesor Intel 8088 byl velmi podobný procesoru 8086. Byl osazován ve stejných typech počítačů jako procesor 8086. Nejednalo se o plně 16bitový procesor, ale o procesor, který měl 16bitové jádro a pouze 8bitovou datovou sběrnici. Tato 8bitová sběrnice snižovala výkon procesoru, ale dovolovala jednodušší návrh a jednodušší základní desku, která mohla vzniknout pouze menšími úpravami základní desky pro procesor 8080. Díky těmto vlastnostem pak počítač s procesorem 8088 vyšel levněji než počítač s procesorem 8086. Pro vytváření adresy používá stejného modelu jako procesor 8086.

Z hlediska uživatele a programátora se jedná o plně kompatibilní procesor s procesorem Intel 8086, který při stejné frekvenci poskytuje asi o 15% nižší výkon.

Starší typy tohoto procesoru byly označovány 8088-1 a mohly pracovat s frekvencí do 5 MHz. Naopak novější verze tohoto procesoru nesly označení 8088-2 a byly určeny pro práci s frekvencí až 8 MHz.




Procesory INTEL 80186 a 80188

Tyto procesory byly velmi podobné procesorům 8086 a 8088. Neměly příliš mnoho nových možností. Používaly stejné modely pro tvorbu adresy a byly vybaveny stejně širokými sběrnicemi (80186 plně 16bitový a 80188 vnitřně 16bitový s 8bitovou datovou sběrnicí).

Hlavním rozdílem od předešlých procesorů byl výkonnější mikrokód, který dovoloval vyšší výkon. Tyto procesory byly dodávány v pouzdře PGA.

Vzhledem k tomu, že tyto procesory neposkytovaly žádné výrazné zlepšení, nezaznamenaly větší komerční úspěch a nedošlo k jejich většímu rozšíření.




Procesor INTEL 80286

Procesor 80286 byl uveden na trh v roce 1981. Představoval velký skok vpřed v technologii procesorů řady 80x86. Vyráběl se v zapouzdření PGA a později v levnějším pouzdru PLCC. Procesor 80286 poskytuje daleko větší výkon než procesor 8086 (8088) a na svém čipu integruje zhruba 130000 tranzistorů. Jedná se o plně 16bitový procesor, který dovoluje práci ve dvou různých režimech:

Počítače osazené tímto procesorem nesly označení PC/AT.




Procesor INTEL 80386

Procesor 80386 je prvním plně 32bitovým procesorem firmy Intel, který používá 32bitovou adresovou sběrnici. Na trh byl uveden v roce 1986 pod oficiálním názvem 80386DX. Tento procesor byl dodáván nejprve v pouzdře PGA a později v levnějším zapouzdření PQFP. V obou případech na svém čipu nesl asi 275000 tranzistorů. Zahrnuje v sobě velké bohatství programovacích možností včetně možnosti provádět programy systému MS-DOS v režimu souběžného zpracování úloh s pomocí programového vybavení, jako je např. OS/2 nebo Windows. Procesor 80386 může pracovat ve třech režimech:

Blokové schéma procesoru 80386




Procesor INTEL 80386SX

V případě procesoru 80386SX byl podobně jako u procesoru 8088 udělán jistý krok zpět. Procesor 80386SX není plně 32bitový, ale má pouze 32 bitovou vnitřní architekturu. Jeho datová sběrnice je pouze 16bitová. Tento ústupek dovoluje jednodušší návrh procesoru a jeho snazší začlenění do již existujících základních desek pro procesory 80286. Na procesoru 80386 tak může pracovat 32bitové programové vybavení, ale vykazuje výkon zhruba procesoru 80286 při stejné frekvenci. Hlavním důvodem zavedení tohoto procesoru byla vysoká cena počítače s procesorem 80386. Procesor 80386SX byl vyráběn v pouzdrech PLCC a PQFP.




Procesor INTEL 80486

Procesor 80486 je v roce 1989 uveden na trh pod oficiálním názvem 80486DX. Jedná se v podstatě o vylepšený čip 80386. Je kombinací vyladěného procesoru 80386 a dvou čipů, které urychlují systém 80386:

Jedná se opět o plně 32bitový procesor, který pracuje ve stejných třech režimech jako procesor 80386 a používá stejný adresovací mechanismus. Procesor 80486 je tedy schopen také adresovat maximálně 4 GB paměti a logická adresa může být transformována až dvěma mechanismy - segmentováním a stránkováním.

Jeho mikrokód je rozsáhlejší a rychlejší. Procesor 80486 je ekvivalentem asi 1,25 milionu tranzistorů, takže čip 80486 25 MHz někdy provede za jednu sekundu dvojnásobek instrukcí ve srovnání s čipy 80386, 80386 a 80387 při stejné frekvenci. Na svém čipu kromě výše zmíněných komponent obsahuje ještě rychlou vyrovnávací cache paměť o kapacitě 8 kB. Je dodáván výhradně v pouzdře PGA se 168 vývody.

Procesor 80486 provádí zřetězené zpracování instrukcí (pipelining). Toto zpracování je uskutečňováno v jedné frontě (pipeline). Jedná se tedy o skalární procesor.

Blokové schéma procesoru 80486




Procesor INTEL 80486SX

Procesor 80486SX uvedený trh krátce po procesoru 80486 je spíše marketingovým tahem firmy Intel než novým procesorem. Na tomto čipu Intel vyřadil z činnosti numerický koprocesor 80387. Procesor 80486SX je tedy opět plně 32bitovým procesorem s 8kB interní cache paměti a vlastnostmi procesoru 80486, ale při náročných výpočtech, obzvláště v pohyblivé desetinné čárce, je jeho výkon nižší.

K tomuto procesoru je prodáván numerický koprocesor označovaný 80487SX, který je v podstatě plně funkční čip 80486 (tj. CPU s koprocesorem a vším ostatním). Poté, co je 80487SX zasunut do patice, prakticky umrtví čip 80486SX a sám převezeme jeho činnost; nahradí procesor i matematický koprocesor, jako by se jednalo o systém s procesorem 80486. Vývody procesoru 80487SX jsou však uspořádány jinak, než je tomu u procesoru 80486, takže není možno tento koprocesor použít místo procesoru 80486.




Procesor INTEL 80486DX2

Procesor 80486DX2 patří mezi procesory, které pracují se se dvěma různými frekvencemi. Tento procesor má opět všechny vlastnosti procesoru 80486. Čip navenek pracuje s frekvencí x MHz, ale uvnitř pracuje s frekvencí dvojnásobnou. Například procesor 80486DX2 66 MHz pracuje vnitřně s frekvencí 66 MHz, ale navenek je jeho frekvence poloviční, tj. 33 MHz. Díky tomuto řešení je možné, aby všechny operace, které probíhají uvnitř procesoru (např.: numerický výpočet nebo přesun dat z jedné části procesoru do druhé), proběhly s dvojnásobnou rychlostí. Externí operace, jako jsou např. přesuny dat do (z) operační paměti, probíhají rychlostí stejnou jako u procesoru 80486. Výhoda tohoto řešení spočívá v tom, že je možné použít základní desku určenou pro dřívější procesory pracující s frekvencí 33 MHz a do ní umístit tento nový procesor. Výkon procesoru 80486DX2 odpovídá asi 2/3 rychlosti, jakou by měl procesor 80486DX se stejnou frekvencí.




Procesor INTEL Pentium

Procesor Intel Pentium vyrobený v roce 1993 má integrovány všechny vlastnosti procesoru 80486. Je dodáván v pouzdře PGA s 273 vývody a na svém čipu o rozměrech 12,8 x 12,8 mm integruje asi 3,1 milionu tranzistorů. Vzhledem k velmi vysokému počtu integrovaných součástek docházelo u Pentia k poměrně velkému zahřívání se. Z tohoto důvodu bylo u pozdějších verzí sníženo napájecí napětí z 5 V na 3.3 V.

Procesor Intel Pentium

Procesor Pentium je vnitřně 32bitový procesor, který má 64bitovou datovou sběrnici dovolující procesoru přenášet data do (z) čipu po 64 bitech. Pro procesor Pentium byly také zkonstruovány další podpůrné obvody:

Pentium je také prvním superskalárním procesorem firmy Intel. Jedná se o procesor, který má více než jednu frontu pro zřetězené zpracování instrukcí. Konkrétně Pentium má dvě takovéto fronty označované jako U, V. Tato vlastnost umožňuje procesoru tzv. superskalární zpracování instrukcí>. Toto superskalární zpracování dovoluje během jednoho taktu dokončit až dvě instrukce zároveň, díky čemuž procesor Pentium dosahuje při stejné frekvenci vyššího výkonu než procesory 80486. Při superskalárním zpracování není však obecně možné zpracovávat všechny instrukce v obou frontách. Aby se tak mohlo dít, musí být splněny jisté předpoklady:

U tohoto způsobu zpracování instrukcí se objevuje stále problém v případě, že prováděná instrukce způsobí skok. V ten moment je opět nutné provést pipeline flush a pokračovat ve zpracování na místě, kam byl skok proveden. Aby k těmto situacím docházelo co možná nejméně, má procesor Intel Pentium zabudováno tzv. dynamické předvídání skoků (dynamic branch prediction), pomocí kterého se podle dosavadního chování programu snaží odhadnout, zda při dalším průchodu skoková instrukce skok způsobí nebo ne. K této činnosti Pentium používá paměť označovanou jako BTB (Branch Target Buffer), v níž jsou uchovány poslední instrukce, které způsobily skok, spolu s dvoubitovou informací, jež určuje dosavadní chování těchto instrukcí. Podle hodnot těchto bitů je také dána předpověď, zda instrukce skok způsobí či ne.

Schéma funkce předvídání větvení procesoru Pentium

Instrukce, která způsobila skok, je uložena do BTB spolu se dvěma bity, jejichž hodnoty jsou rovny 1. Tyto hodnoty při příštím průchodu přes tuto instrukci signalizují předpověď, že skok bude. Pokud skok skutečně byl, hodnoty bitů zůstanou nezmodifikovány. Pokud byla předpověď mylná a skok nebyl, jsou bity nastaveny na hodnotu 10, která opět signalizuje, že skok bude. Podle toho, zda skok skutečně následuje nebo ne, jsou pak příslušným způsobem bity modifikovány (viz obrázek) a jejich hodnota signalizuje předpověď skoku.

Procesor Pentium má podobně jako 80486 na svém čipu integrovánu jednotku pro numerické výpočty (numerický koprocesor). Dále je vybaven 16 kB interní cache paměti, která je rozdělena na dvě části:

Oproti procesoru 80486 má ještě výkonnější mikrokód, díky kterému dochází ke zkrácení doby provádění instrukcí, a vestavěnou podporu pro multiprocesorové počítače se dvěma procesory Intel Pentium.

Blokové schéma procesoru Pentium




Procesor INTEL 80486DX4

Procesor, který přichází na trh po procesoru Pentium jako levnější procesor, avšak výkonnější než 80486DX2. Tento procesor je velmi podobný procesoru 80486DX2. Jeho nejvýraznějším rozdílem je trojnásobná vnitřní frekvence a 16 kB interní cache paměť. Procesor 80486DX4 100 MHz resp. 75 MHz pracuje vnitřně s frekvencí 100 MHz resp. 75 MHz, avšak externě s frekvencí 33 MHz resp. 25 MHz. Dalším rozdílem je snížené napájecí napětí na 3,3 V.




Procesor INTEL Pentium Pro

Koncem roku 1995 uvádí firma Intel na trh další generaci procesorů řady 80x86. Tento procesor dostává označení Intel Pentium Pro. Novinkou jeho architektury je integrace externí cache paměti o kapacitě 256 kB (512 kB) přímo do pouzdra procesoru. Tato cache není součástí čipu procesoru, ale je tvořena samostatným čipem umístěným v jednom pouzdru s čipem procesoru.

Procesor Intel Pentium Pro

Dalším přínosem procesoru Pentium Pro je možnost spekulativního provádění instrukcí mimo pořadí, které mu dovoluje např. v případě zjištění, že jím požadovaná data nejsou ještě v cache paměti, nečekat až budou načtena z pomalejší operační paměti, ale začne provádět další instrukce do té doby, než budou informace přístupné. Takto může Pentium Pro odložit provádění až čtyř instrukcí. Podobně procesor postupuje i v případě závislosti instrukcí, kdy provádí instrukce mimo pořadí, dokud nedojde k výpočtu požadovaného operandu.

Zatímco Pentium obsahuje dvojici pětistupňově zřetězených celočíselných jednotek a devíti stupňově zřetězenou jednotku pro výpočty v pohyblivé desetinné čárce (spojenou s jednou z celočíselných jednotek), procesor Pentium Pro obsahuje již tři celočíselné jednotky, které jsou čtrnáctistupňově zřetězeny a jednu (také čtrnáctisupňově zřetězenou) jednotku pro pohyblivé řádové čárky spojenou s jednou celočíselnou prováděcí jednotkou. Během jediného taktu tak mohou být dokončeny až 3 instrukce a je-li procesor plně vytížen, může být v jednom okamžiku rozpracováno až 42 (3*14) instrukcí.

Výrazným způsobem byl také zdokonalen algoritmus pro předvídání větvení ve spolupráci s BTB, který dosahuje více než devadesátiprocentní úspěšnosti.

Jednotlivé jednotky nezpracovávají již přímo instrukce instrukčního souboru 80x86, ale pracují se svým vlastním souborem instrukcí označovaných jako mikrooperace (micro-ops). Jednotlivé instrukce souboru instrukcí 80x86 jsou tak překládány do jedné nebo několika mikrooperací, které jsou předávány ke zpracování jednotlivým prováděcím jednotkám. Při provádění mikrooperací se využívá techniky zvané přejmenování registrů (register renaming). Procesor Pentium Pro obsahuje 40 záložních 32bitových registrů, které mohou být přejmenovány na libovolný z 8 univerzálních registrů.

Procesor Pentium Pro má také podporu pro multiprocesorové počítače, která dovoluje osazení až čtyř těchto procesorů do jednoho počítače.

Blokové schéma procesoru Pentium Pro




Procesor INTEL Pentium MMX

Počátkem roku 1997 uvádí firma Intel na trh další zdokonalenou verzi procesoru Intel Pentium, která dostává označení Intel Pentium MMX. Tento procesor se od původního Pentia liší především doplněním instrukčního souboru o skupinu instrukcí multimediálního rozšíření. Tyto instrukce jsou určeny především na podporu multimediálního rozšíření systémů s procesory řady 80x86, mohou však být použity pro libovolné jiné aplikace.

Procesor Intel Pentium MMX

Instrukce MMX využívají osmi 64bitových MMX registrů. Ve skutečnosti se nejedná o nové registry, ale o registry, které jsou tvořeny nižšími bity registrů numerické jednotky. Kromě tohoto MMX zahrnuje ještě 57 nových instrukcí a 4 nové datové typy.

Technologie MMX využívá techniky SIMD (Single Instruction Multiple Data), která dovoluje zpracovat mnoho informací během jediné instrukce. Možnosti MMX technologie využívají především aplikace pro práci s:

Procesory s touto technologií jsou plně kompatibilní se všemi předchůdci řady Intel 80x86




Procesor INTEL Penium II

V roce 1997 začíná firma Intel vyrábět poslední procesor řady 80x86. Tento procesor nese označení Intel Pentium II. Je vyráběn v novém pouzdře S.E.C. a jedná se o procesor podobných vlastností jako procesor Intel Pentium Pro. Navíc je tento procesor vybaven rozšířením o technologii MMX.

Procesor Intel Pentium II

Procesory Intel: strana 2