Семейство процессоров INTEL
Первый микропроцессор — I4004 — был изготовлен в 1971 году, и с тех пор фирма Intel (INTegrated ELectronics) прочно удерживает лидирующее положение на данном сегменте рынка. Стоит, пожалуй, напомнить, что максимальная тактовая частота этого прапрадедушки современных "числодробилок" составляла всего 750 кГц.
Реализация ряда следующих проектов фирмы Intel по разработке однокристальных микропроцессоров (i4040, i8008) возвестила о наступлении эры персональных компьютеров. Наиболее успешным был, пожалуй, проект разработки микропроцессора i8080. Кстати, впоследствии именно на этом микропроцессоре был основан компьютер "Альтаир", для которого молодой Билл Гейтс написал свой первый интерпретатор Бейсика. Этот 8-разрядный микропроцессор был выполнен по n - канальной МОП - технологии (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.
i8088
Микропроцессор i8088 был анонсирован Intel в июне 1979 года, а в 1981-м "Голубой Гигант", как иногда называют 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, отметить, что для IBM PC в этом пространстве программам было отведено всего лишь 640 Кбайт. Хотя с внешними периферийными устройствами (дисками, видео) i8088 был связан через свою внешнюю 8-разрядную шину данных, его внутренняя структура (адресуемые регистры) позволяла работать с 16-разрядными словами. Как известно, на системной шине IBM PC для передачи данных было отведено 8 линий (1 байт).
Первоначально микропроцессор i8088 работал на частоте 4,77 МГц и имел быстродействие около 0,33 MIPS (Million Instruction Per Second), однако впоследствии были разработаны его модификации, рассчитанные на более высокую тактовую частоту (например, 8 МГц).
Но ровно на год раньше своего счастливого последователя, появился процессор 8086 (в июне 1978 года), ставший популярным в основном благодаря компьютеру Compaq DeskPro. Программная модель (доступные регистры) этого микропроцессора полностью совпадала с моделью i8088. Основное отличие данных микропроцессоров состоит в различной разрядности внешней шины данных: 8 разрядов у i8088 и 16 разрядов у i8086. Понятно, что более высокой производительности с новым микропроцессором можно было достичь только 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 феврале 1982 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 защищенном. Если первый режим был (за рядом исключений) похож на обычный режим работы 18088/86, то второй использовал более изощренную технику управления памятью. В частности, защищенный режим работы позволял, например, таким программным продуктам, как Windows 3.0 и OS/2, работать с оперативной памятью выше 1 Мбайта. Благодаря 16 разрядам данных на новой системной шине, которая была впервые использована в IBM PC/ АТ286, микропроцессор i80286 мог обмениваться с периферийными устройствами 2-байтными сообщениями. 24 адресные линии позволяли в защищенном режиме обращаться уже к 16 Мбайтам памяти. В микропроцессоре i80286 впервые на уровне микросхем были реализованы мультизадачность и управление виртуальной памятью.
При тактовой частоте 8 МГц достигалась производительность 1,2 MIPS.
В октябре 1985 года фирмой Intel был анонсирован первый 32-разрядный микропроцессор i80386. Новый чип содержал примерно 275 тысяч транзисторов. Полностью 32-разрядная архитектура (32-разрядные регистры и 32-разрядная внешняя шина данных) в новом микропроцессоре была дополнена расширенным устройством управления памятью MMU (Memory Management Unit), которое помимо блока сегментации (Segmentation Unit) было дополнено блоком 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 составило примерно 6 MIPS.
В реальном режиме (после включения питания) микропроцессор i80386 работал как "быстрый 18088" (адресное пространство 1 Мбайт, 16-разрядные регистры). Защищенный режим был полностью совместим с аналогичным режимом в i80286. Тем не менее, в этом же режиме i80386 мог выполнять и свои "естественные" (native) 32-разрядные программы. Вспомним, что 32 адресные линии микропроцессора позволяют физически адресовать 4 Гбайта памяти. Кроме того, был введен новый режим — виртуального процессора (V86). В этом режиме могли одновременно выполняться несколько задач, предназначенных для i8086.
Более дешевая альтернатива 32-разрядному процессору i80386, который впоследствии получил окончание DX, появилась только в июне 1988 года. Это был микропроцессор i80386SX. В отличие от своего старшего "собрата" новый микропроцессор использовал 16-разрядную внешнюю шину данных и 24-разрядную адресную (адресуемое пространство — 16 Мбайт). Это было особенно удобно для стандартных PC/AT, системная шина которых использует, как известно, только 16 линий данных. Благодаря дешевизне нового изделия многие производители "железа" стали заменять теперь 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 180386SX выпускался в количествах, существенно превосходящих рекордные показатели для 180386DX. Кстати, говорят, что индекс SX произошел 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 486DX, который содержал более миллиона транзисторов (а точнее, 1,2 миллиона) на одном кристалле и был полностью совместим с процессорами 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 четырехкратной производительности обычных 32-разрядных систем. Это связано с уменьшением количества тактов для реализации каждой команды. 8-Кбайтная встроенная кэш-память ускоряет выполнение программ за счет 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 еще на 50%. Встроенный математический сопроцессор существенно облегчил и ускорил математические вычисления. Однако впоследствии стало ясно, что подобный сопроцессор необходим всего лишь 30% пользователей.
Появление нового микропроцессора i486SX фирмы Intel вполне можно было 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 на i80386DX с тактовой частотой 33 МГц. Микропроцессор i486SX, подобно оригинальному i486DX, содержал на кристалле кэш-контроллер и кэш-память, а вот математический сопроцессор у него был 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 i80486SX послужил отправной точкой для создания мощных настольных компьютеров. Вообще говоря, в семействе микропроцессоров i486 предусматривалось 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 допускалась адресация физической памяти размером 4 Гбайта и виртуальной памяти размером 64 Тбайта.
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 представлял собой интегрированный вариант микропроцессора i80386SX, базовая архитектура которого была дополнена еще несколькими вспомогательными контроллерами. По существу, все компоненты, необходимые для построения портативного компьютера, сосредоточены в двух микросхемах: микропроцессоре i80386SL и периферийном контроллере i82360SL.В набор i386SL впервые было введено новое прерывание, называемое System Management Interrupt (SMI), которое использовалось для обработки событий, связанных, например, с управлением потребляемой мощностью. Вместе с математическим сопроцессором i80387SL данный набор микросхем позволял создать 32-разрядный компьютер на площади, не намного превышающей размер игральной карты.
