Какого поколения процессоры i8080 i8086 i80286

Обновлено: 02.07.2024

Микропроцессоры подразделяются на пять поколений: первое, второе, третье, четвертое и пятое. Их характеристики описаны ниже:

Первое поколение

Микропроцессоры, представленные в 1971–1972 годах, назывались системами первого поколения. Микропроцессоры первого поколения обрабатывали свои инструкции последовательно — они извлекали инструкцию, расшифровывали ее, а затем выполняли. Когда инструкция была завершена, микропроцессор обновлял указатель инструкции и извлекал следующую инструкцию, выполняя это последовательное сверление для каждой инструкции по очереди.

Второе поколение

К концу 1970-х годов в ИС было достаточно транзисторов, чтобы открыть второе поколение сложных микропроцессоров: 16-разрядные арифметические операции и конвейерная обработка инструкций.
Микропроцессор Motorola MC68000, представленный в 1979 году, является примером. Другим примером является Intel 8080. Это поколение определяется перекрывающимися шагами выборки, декодирования и выполнения (Computer 1996). Когда первая инструкция обрабатывается исполнительным блоком, вторая инструкция декодируется и извлекается третья инструкция.
Различие между устройствами первого и второго поколения заключалось прежде всего в использовании более новой полупроводниковой технологии для изготовления микросхем. Эта новая технология привела к пятикратному увеличению количества инструкций, производительности, скорости и более высокой плотности микросхем.

Третье поколение

Третье поколение, представленное в 1978 году, представлено 16-разрядными процессорами Intel 8086 и Zilog Z8000 с производительностью, близкой к миникомпьютеру. Третье поколение появилось, когда количество транзисторов ИС приблизилось к 250 000.
Моторола MC68020, например, впервые включает кэш-память на кристалле, а глубина конвейера увеличена до пяти или более этапов. Это поколение микропроцессоров отличалось от предыдущих тем, что все основные производители рабочих станций начали разработку собственных микропроцессорных архитектур на основе RISC (Computer, 1996).

Четвертое поколение

По мере того, как производители рабочих станций перешли от коммерческих микропроцессоров к собственным разработкам, появилось четвертое поколение микропроцессоров с конструкциями, превышающими миллион транзисторов. Передовые микропроцессоры, такие как Intel 80960CA и Motorola 88100, могут выполнять и удалять более одной инструкции за такт.

Пятое поколение

Микропроцессоры пятого поколения использовали развязанную суперскалярную обработку, и вскоре их конструкция превысила 10 миллионов транзисторов. В этом поколении ПК — это низкодоходный крупномасштабный бизнес, в котором доминирует один микропроцессор.

Сорок два года назад в этот день Intel выпустила оригинальный микропроцессор 8086 — дедушку всех когда-либо созданных процессоров x86, включая те, которые мы используем сейчас. Следует отметить, что это более или менее противоположный результат тому, что все ожидали в то время, включая Intel.

По словам Стивена П. Морса, руководившего разработкой 8086, новый ЦП «предназначался, что он будет недолговечным и не будет иметь преемников». Первоначальная цель Intel с 8086 состояла в том, чтобы улучшить общую производительность по сравнению с предыдущими продуктами, сохранив при этом исходную совместимость с более ранними продуктами (это означает, что язык ассемблера для 8008, 8080 или 8085 можно было запускать на 8086 после перекомпиляции). Он предлагал более высокую общую производительность, чем 8080 или 8085, и мог адресовать до 1 МБ ОЗУ (максимум 8085 - 64 КБ). Он содержал восемь 16-разрядных регистров, откуда и произошло сокращение x86, и первоначально предлагался с тактовой частотой 5 МГц (более поздние версии работали с тактовой частотой до 10 МГц).

8086 умирает процессор. Изображение из Википедии

Учитывая историческое доминирование архитектуры x86 в компьютерной индустрии, можно было бы ожидать, что чип, запустивший революцию, станет выдающимся достижением или квантовым скачком над конкурентами. Правда более прозаична. 8086 был надежным процессорным ядром, созданным интеллектуальными архитекторами и подкрепленным мощной маркетинговой кампанией. С другой стороны, компьютерная революция, которую он помог начать, изменила мир.

С учетом сказанного, есть еще один момент, который мы хотим затронуть.

Прошло 40 лет. Почему мы до сих пор используем процессоры x86?

Это простой вопрос с довольно сложным ответом. Во-первых, во многих смыслах мы на самом деле больше не используем процессоры x86. Первоначальный 8086 был чипом с 29 000 транзисторов.В современных чипах количество транзисторов исчисляется миллиардами. Современный производственный процесс ЦП мало похож на производственный процесс nMOS, использовавшийся для реализации оригинальной конструкции в 1978 году. Материалы, используемые для изготовления ЦП, сами по себе очень разные, и появление EUV (Extreme Ultraviolet Lithography) изменит этот процесс еще больше.

Современные чипы x86 преобразуют микрокод x86 во внутренние микрооперации для более эффективного выполнения. Они реализуют такие функции, как неупорядоченное выполнение и спекулятивное выполнение, чтобы повысить производительность и ограничить влияние медленных шин памяти (по сравнению с тактовой частотой ЦП) с многоуровневым кэшем и такими возможностями, как прогнозирование ветвлений. Люди часто спрашивают: «Почему мы все еще используем процессоры x86?» как если бы это было похоже на «Почему мы все еще используем 8086?» Честный ответ: мы не такие. И 8086 1978 года, и Core i7-8700K – это процессоры, так же как Model T и Toyota 2018 года — это автомобили, но между ними мало общего, кроме этой базовой классификации

Кроме того, Intel несколько раз пыталась заменить или вытеснить архитектуру x86. iAPX 432, Intel i960, Intel i860 и Intel Itanium предназначались для замены x86. Intel вовсе не отказывалась рассматривать альтернативы, Intel буквально потратила миллиарды долларов в течение нескольких десятилетий, чтобы воплотить эти альтернативные концепции в жизнь. Архитектура x86 выиграла эти бои, и не только потому, что предлагала обратную совместимость. Для этой статьи мы поговорили с сотрудником Intel Ронаком Сингалом, который указал на аспект проблемы, который я, честно говоря, раньше не рассматривал. В каждом случае x86 продолжал побеждать архитектуры, которые Intel намеревалась заменить, потому что инженеры, работавшие над этими процессорами x86, нашли способы расширить и улучшить производительность существующих микроархитектур Intel, часто превосходящие возможности Intel. инженеры думали, что это возможно много лет назад.

Существует ли наказание за продолжение поддержки оригинальной версии x86 ISA? Есть, но сегодня он крошечный. Оригинальный Pentium, возможно, выделил до 30 процентов своих транзисторов для обратной совместимости, а ставка Pentium Pro на неупорядоченное выполнение и внутренние микрооперации потребляла огромное количество места на кристалле и мощности, но эти ставки окупились. . Сегодня возможности, которые потребляли огромные ресурсы на старых чипах, составляют однозначные проценты или меньше от бюджета мощности или площади кристалла современного микропроцессора. Сравнение различных ISA показало, что архитектурные решения оказывают гораздо большее влияние на производительность и энергопотребление, чем ISA, по крайней мере, выше уровня микроконтроллера.

Будем ли мы использовать чипы x86 через 40 лет? Не имею представления. Я сомневаюсь, что кто-либо из разработчиков процессоров Intel, создавших 8086 еще в 1978 году, думал, что их ядро будет использоваться в большинстве революций персональных компьютеров 1980-х и 1990-х годов. Но недавние шаги Intel в таких областях, как искусственный интеллект, машинное обучение и облачные центры обработки данных, доказывают, что семейство процессоров x86 еще не закончило свое развитие. Что бы ни случилось в будущем, 40 лет успеха — это огромное наследие для одной маленькой микросхемы, особенно для той, которая, как говорит Стивен Морс, «должна была быть недолгой и не иметь преемников».

1947: в Bell Labs изобретен транзистор.

1965: Гордон Мур из Fairchild Semiconductor отмечает в статье для журнала Electronics, что количество транзисторов на полупроводниковом кристалле удваивается каждый год (скачать PDF). Для микропроцессоров он будет удваиваться примерно каждые два года на протяжении более трех десятилетий.

1968: Мур, Роберт Нойс и Энди Гроув основали Intel Corp., чтобы заняться бизнесом "Интегрированная электроника".

1969: Intel объявляет о выпуске своего первого продукта, первого в мире статического ОЗУ на основе оксидов металлов и полупроводников (MOS) 1101. Это знаменует конец памяти на магнитных сердечниках.

1971: Intel выпускает первый в мире 4-битный микропроцессор 4004, разработанный Федерико Фаггином.

Чип на 2000 транзисторов создан для японского калькулятора, но в дальновидной рекламе Intel он назван "микропрограммируемым компьютером на чипе".

1975: Чип 8080 находит свое первое применение на ПК в Altair 8800, положив начало революции ПК. Гейтсу и Аллену удалось разработать язык Altair Basic, который позже станет Microsoft Basic, для 8080.

1978: Intel представляет 16-разрядный микропроцессор 8086. Он станет отраслевым стандартом.

1980: Intel представляет математический сопроцессор 8087.

1981: IBM выбирает процессор Intel 8088 для питания своего ПК. Позже один из руководителей Intel назвал это «самой большой победой Intel в истории».

1982: IBM подписывает контракт с Advanced Micro Devices в качестве второго поставщика для Intel микропроцессоров 8086 и 8088.

1982: Intel представляет 16-разрядный процессор 80286 со 134 000 транзисторов.

1984: IBM разрабатывает ПК второго поколения — PC-AT на базе 80286. PC-AT под управлением MS-DOS станет стандартом де-факто для ПК почти на 10 лет.

1985: Intel выходит из бизнеса динамической оперативной памяти, чтобы сосредоточиться на микропроцессорах, и выпускает процессор 80386, 32-разрядный чип с 275 000 транзисторов и возможностью одновременного запуска нескольких программ.

Intel 80386

1986: Compaq Computer опережает IBM, выпуская ПК на базе 80386.

1987: VIA Technologies основана во Фремонте, штат Калифорния, для продажи наборов логических микросхем x86.

1989: Выпущен процессор 80486 с 1,2 миллионами транзисторов и встроенным математическим сопроцессором. Intel прогнозирует появление чипов многоядерных процессоров где-то после 2000 года.

Конец 1980-х. Архитектура вычислений со сложным набором команд (CISC) процессора x86 подвергается резкой критике со стороны конкурирующих архитектур вычислений с сокращенным набором команд (RISC) процессоров Sun Sparc, IBM/Apple/Motorola PowerPC и MIPS. Intel отвечает собственным RISC-процессором i860.

AMD Am486, конкурент Intel 486

1990: Compaq представляет первые в отрасли серверы для ПК на базе процессора 80486.

1993 г. Представлен процессор Pentium с частотой 66 МГц, состоящий из 3,1 млн транзисторов, и суперскалярной технологией.

1994 г.: AMD и Compaq объединяются, чтобы оснащать компьютеры Compaq микропроцессорами Am486.

Intel Pentium Pro

1995: Pentium Pro, убийца RISC, дебютирует с радикально новыми функциями, которые позволяют предвосхищать выполнение инструкций и выполнять их не по порядку. Это, а также чрезвычайно быстрая встроенная кэш-память и две независимые шины обеспечивают значительный прирост производительности в некоторых приложениях.

1997: Intel запускает 64-разрядную процессорную технологию Epic. Он также представляет MMX Pentium для приложений обработки цифровых сигналов, включая обработку графики, звука и голоса.

1998: Intel представляет бюджетный процессор Celeron.

AMD64, ребрендинг x86-64

1999: VIA приобретает Cyrix Corp. и Centaur Technology, производителей процессоров x86 и сопроцессоров x87.

2000: Дебют Pentium 4 с 42 миллионами транзисторов.

2003: AMD представляет x86-64, 64-разрядный расширенный набор инструкций x86.

2004: AMD демонстрирует двухъядерный процессор x86.

2005: Intel выпускает свой первый двухъядерный процессор.

2005: Apple объявляет о переводе своих компьютеров Macintosh с PowerPC производства Freescale (ранее Motorola) и IBM на семейство процессоров Intel x86.

2005: AMD подает в суд на антимонопольное законодательство, обвиняя Intel в злоупотреблении «монополией» для исключения и ограничения конкуренции. (Дело все еще находится на рассмотрении в 2008 г.)

2006: Dell Inc. объявляет о выпуске систем на базе процессоров AMD.

Исправление

В этой статье изначально упоминался процессор Motorola 6502; однако компания MOS Technology создала модель 6502, основанную на Motorola 6800.

Intel 80286 [ 1 ] (также называемый iAPX 286), представленный 1 февраля 1982 г., представлял собой 16-разрядный микропроцессор x86 со 134 000 транзисторов. Подобно своему современному более простому родственнику 80186, он мог корректно выполнять большую часть программного обеспечения, написанного для более ранних процессоров Intel 8086 и 8088. [2] совместимые компьютеры до начала 1990-х годов. 80286 — первый представитель семейства усовершенствованных микропроцессоров с управлением памятью и широкими возможностями защиты.

Содержание

История

< /p>

После первоначальных выпусков с частотой 6 и 8 МГц частота была увеличена до 12,5 МГц. (AMD и Harris позже довели архитектуру до скоростей до 20 МГц и 25 МГц соответственно.) В среднем процессор 80286 имел скорость около 0,21 инструкции за такт. [ 3 ] Модель с частотой 6 МГц работала со скоростью 0,9 млн операций в секунду, модель с частотой 10 МГц — со скоростью 1,5 млн операций в секунду, а модель с частотой 12 МГц — со скоростью 2,66 млн операций в секунду. [ 4 ]

Последний уровень E-степпинга 80286 был свободен от нескольких существенных ошибок, которые вызывали проблемы у программистов и разработчиков операционных систем в более ранних процессорах B-step и C-step (распространенных в AT и клонах AT). [ 5 ]

Архитектура

< /p>

У процессора Intel 80286 была 24-битная адресная шина, и он мог адресовать до 16 МБ ОЗУ по сравнению с 1 МБ у его предшественника. Однако стоимость и первоначальная редкость программного обеспечения, использующего память выше 1 МБ, означала, что компьютеры 80286 редко поставлялись с оперативной памятью более одного мегабайта. [ 6 ] Кроме того, доступ к расширенной памяти из реального режима приводил к снижению производительности, как указано ниже.

Возможности

< /p>

Защищенный режим

Еще одной важной функцией 80286 является предотвращение несанкционированного доступа. Это достигается за счет:

Формирование разных сегментов для данных, кода и стека и предотвращение их перекрытия.
Назначение уровней привилегий для каждого сегмента. Сегмент с более низким уровнем привилегий не может получить доступ к сегменту с более высоким уровнем привилегий.

В процессоре 80286 предусмотрены встроенные механизмы защиты памяти, которые были почти исключительными для мейнфреймов и мини-компьютеров (процессоры, такие как NS320xx и M68000, нуждались в дополнительных компонентах для реализации функций MMU), а также значительные улучшения производительности, представленные процессором 80286 и многими его функциями. преемники проложат путь архитектуре x86 и IBM PC, чтобы перейти от малопроизводительных персональных компьютеров к высокопроизводительным рабочим станциям и серверам и даже стимулировать рынок для других архитектур.

В 80286 (и в его сопроцессоре Intel 80287) арифметические операции могут выполняться над следующими различными типами чисел:

беззнаковое упакованное десятичное число,
неподписанный двоичный файл,
беззнаковое неупакованное десятичное число,
подписанный двоичный файл и
числа с плавающей запятой.

Конструктивно 286 не может вернуться из защищенного режима в базовый, совместимый с 8086, «реальный режим» без аппаратного сброса. В ПК / AT, представленном в 1984 году, IBM добавила внешнюю схему, а также специализированный код в ПЗУ BIOS, чтобы позволить специальной серии программных инструкций вызывать сброс, позволяя повторный вход в реальном режиме (при сохранении активной памяти и управления). Несмотря на то, что он работал правильно, этот метод сильно снижал производительность.

Теоретически приложения реального режима могут выполняться напрямую в 16-битном защищенном режиме при соблюдении определенных правил; однако, поскольку многие программы для DOS нарушали эти правила, защищенный режим не использовался широко до появления его преемника, 32-разрядного Intel 80386, который был разработан для легкого переключения между режимами. Когда Intel разработала 286, он не был предназначен для многозадачных приложений реального режима; реальный режим был задуман как простой способ для загрузчика начальной загрузки подготовить систему и затем переключиться в защищенный режим.

Поддержка ОС

После появления в 1982 году защищенный режим 80286 не использовался в течение многих лет. Например, в 1986 году единственной программой, которая его использовала, был VDISK, драйвер RAM-диска, входящий в состав PC-DOS 3.0 и 3.1. (DOS могла использовать дополнительную оперативную память, доступную в защищенном режиме — расширенную память либо через вызов BIOS (INT 15h, AH=87h), либо в виде RAM-диска, либо как эмуляцию расширенной памяти. [6]) Трудность заключалась в том, несовместимость старых программ DOS (реальный режим) с защищенным режимом.Они просто не могли изначально работать в этом новом режиме без значительных изменений. В защищенном режиме управление памятью и обработка прерываний выполнялись иначе, чем в реальном режиме. Кроме того, программам DOS не разрешалось бы получать доступ или изменять данные и сегменты кода, которые им не принадлежали, как они могли бы в реальном режиме. Перед разработчиками операционных систем стоял выбор: либо начать с нуля и создать ОС, которая не будет запускать подавляющее большинство старых программ, либо придумать версию DOS, которая была бы медленной и уродливой, но все же могла бы запускать большинство старые программы. [ 8 ]

Проблемы привели к тому, что Билл Гейтс назвал 80286 «чипом с мертвым мозгом» [ 11 ], поскольку было ясно, что новая среда Microsoft Windows не сможет запускать несколько приложений MS-DOS с 286. Возможно, это было причиной раскола между Microsoft и IBM, поскольку IBM настаивала на том, чтобы OS/2, изначально совместное предприятие между IBM и Microsoft, работала на 286 (и в текстовом режиме).

Читайте также: