Третье поколение процессоров

🕛 24.09.2009, 13:55

Третье поколение процессоров - это, возможно, наиболее значимый шаг вперед в истории процессоров с момента появления ПК. Ведь это первые 32-разрядные процессоры. Это поколение процессоров настолько опередило время, что потребовалось 10 лет, прежде чем 32-разрядные операционные системы получили широкое распространение.

Процессор 80386 (или просто 386) стал настоящей сенсацией в мире компьютеров благодаря исключительно высокой производительности по сравнению с предшественниками.
Создатели этого полностью 32-разрядного процессора стремились добиться максимальной производительности и возможности работать с многозадачными операционными системами. Intel выпустила процессор 386 в 1985 году, а системы на его основе, например Compaq Deskpro 386 и некоторые другие, появились в конце 1986 - начале 1987 года; несколько позже IBM выпустила компьютер класса PS/2 модели 80.
В реальном режиме процессор 386 может выполнять команды процессоров 8086 и 8088, затрачивая на них меньше тактов. Среднее количество тактов на команду, как и у 286-го, равно 4,5. Таким образом, “чистая” производительность компьютеров с процессорами 386 и 286 при равных тактовых частотах одинакова. Многие производители компьютеров на базе процессора 286 утверждали, что быстродействие их систем с тактовыми частотами 16 и 20 МГц и аналогичных компьютеров на основе процессора 386 одинаково. И они были правы! Повышение реальной производительности процессора 386 было достигнуто за счет введения дополнительных программных возможностей (режимов) и значительного усовершенствования диспетчера памяти MMU (Memory Management Unit). Кристалл процессора 386. Процессор 386. Фотография публикуется с разрешения Intel
Процессор 386 может программно переключаться в защищенный режим и обратно без общей перезагрузки компьютера. Кроме того, в нем предусмотрен виртуальный режим (virtual real mode), в котором может выполняться сразу несколько защищенных одна от другой программ в реальных режимах.
Защищенный режим процессора 386 полностью совместим с защищенным режимом 286-го. Его часто называют естественным (native mode), поскольку оба процессора разрабатывались для операционных систем OS/2 и Windows NT, работающих только в защищенном
режиме. Дополнительные возможности адресации памяти в защищенном режиме появились благодаря разработке нового диспетчера памяти MMU, в котором реализованы более эффективная страничная организация памяти и программные переключения. Поскольку новый MMU создавался на базе аналогичного узла процессора 286, система команд процессора 386 полностью совместима с 286-м.
Нововведение, появившееся в процессоре 386, - виртуальный режим, в котором имитируется работа процессора 8086. При этом несколько экземпляров DOS или других операционных систем могут работать одновременно, используя свои защищенные области памяти. Сбой или зависание программы в одной области не влияет на отдельные части системы. Испорченный экземпляр можно перезагрузить.
Существует довольно много разновидностей процессоров 386, отличающихся производительностью, потребляемой мощностью и т.п. В следующих разделах некоторые из них рассматриваются подробнее.

Процессор 386DX

Микросхема 386DX была первым процессором этого семейства. Она представляет собой полностью 32-разрядный процессор, у которого внутренние регистры, а также внутренняя и внешняя шины данных 32-разрядные. На кристалле процессора размещается 275 тыс. транзисторов, т.е. она относится к сверхбольшим интегральным схемам. Процессор выпускается в 132-контактном корпусе и потребляет ток около 400 мА (значительно меньше, чем 8086). Столь низкое потребление мощности связано с тем, что процессор выполнен по технологии CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor - комплиментарная МОП-структура, КМОП-структура), допускающей потребление крайне низких уровней энергии.
Тактовая частота процессоров 386, выпускаемых Intel, колебалась от 16 до 33 МГц, в микросхемах других производителей она достигала 40 МГц.
Процессор может адресовать память объемом до 4 Гбайт. Встроенный администратор памяти позволяет программам работать так, как будто в их распоряжении есть практически неограниченная виртуальная память объемом 64 Тбайт (1 Тбайт = 1 024 Гбайт = 1 099 511 627 776 байт).

Процессор 386SX

Этот процессор предназначен для компьютеров с возможностями процессора 386, который стоил бы не больше системы 286. Как и в процессоре 286, для взаимодействия с остальными компонентами компьютера использовалась 16-разрядная шина данных. Однако внутренняя архитектура процессора 386SX аналогична архитектуре 386DX, т.е. он может обрабатывать одновременно 32 бит данных. Процессор 386SX оснащен 24-разрядной шиной адреса (в отличие от 32-разрядной в других модификациях процессора 386) и может адресовать только 16 Мбайт (а не 4 Гбайт) памяти, т.е. столько же, сколько 286-й. Процессоры 386 выпускаются с различными тактовыми частотами в пределах от 16 до 33 МГц.
Появление 386SX ознаменовало конец “карьеры” процессора 286 прежде всего благодаря более совершенному MMU и появлению виртуального режима. Под управлением операционных систем Windows или OS/2 процессор 386SX может одновременно выполнять несколько программ DOS. Кроме того, в отличие от 286-го и предшествующих, он может выполнять все программы, ориентированные на процессоры 386. Например, Windows 3.1 работает с 386SX почти так же хорошо, как с 386DX.

Процессор 386SL

Это еще одна версия процессоров 386. Процессор 386SL с малым потреблением мощности предназначен для портативных компьютеров, в которых это обстоятельство имеет решающее значение; при этом он обладает всеми возможностями процессора 386SX. В процессоре 386SL предусмотрены возможности снижения энергопотребления, что имеет важное значение при питании компьютера от аккумуляторов, и несколько дежурных режимов, в которых расход энергии уменьшается.

Структура процессора несколько усложнена за счет схем SMI (System Management Interrupt), обеспечивающих управление потребляемой мощностью. В процессоре 386SL также предусмотрена поддержка расширенной памяти стандарта LIM (Lotus Intel Microsoft) и встроен кэш-контроллер для управления внешней кэш-памятью объемом от 16 до 64 Кбайт.
В результате этих нововведений количество транзисторов в микросхеме возросло до 855 тыс., т.е. их стало больше, чем в 386DX. Тактовая частота центрального процессора 386SL равна 25 МГц.
Компания Intel разработала вспомогательную микросхему ввода-вывода 82360SL для совместного использования с центральным процессором 386SL в портативных компьютерах. В ней на одном кристалле объединены такие стандартные устройства, как последовательные и параллельные порты, контроллер прямого доступа к памяти, контроллер прерываний, а также схема управления потребляемой мощностью для процессора 386SL. Эта микросхема использовалась вместе с процессором в малогабаритных компьютерах с ограниченными ресурсами.

Сопроцессор 80387

Несмотря на то что микросхема 80387 работает асинхронно, компьютеры с процессором 386 спроектированы так, что сопроцессор работает на частоте процессора. В отличие от 80287 (который аналогичен 8087 во всем, кроме разводки выводов), сопроцессор 80387 с повышенной производительностью разрабатывался специально для работы с процессором 386.
Все микросхемы 387 производятся по CMOS-технологии и отличаются малым потреблением мощности. Существует две разновидности сопроцессора: 387DХ (работает с CPU 386DХ) и 387SХ (работает с CPU 386SХ, SL и SLC).
Сначала Intel выпускала несколько модификаций 387DХ с разными тактовыми частотами. Но при разработке сопроцессора на 33 МГц пришлось уменьшить длину сигнальных проводников (при этом, естественно, потребовались новые фотошаблоны). В результате размер структур на кристалле удалось уменьшить с 1,5 до 1 мкм, а площадь кристалла сократить на 50%. В конечном итоге производительность микросхемы увеличилась на 20%.
Замечание
Компания Intel запоздала с разработкой сопроцессора 387: гнездо для сопроцессора 287 устанавливалось еще в первых компьютерах с процессором 386. Разумеется, производительность такого комплекта оставляла желать лучшего.
Установка сопроцессора 387DX - задача довольно простая, однако необходимо обязательно сориентировать микросхему в ядре, в противном случае микросхема будет повреждена. Чаще всего микросхемы 387DX сгорали именно из-за неправильной установки. Поэтому при установке сопроцессора необходимо строго придерживаться инструкции. Если сопроцессор 387DX был поврежден из-за неправильной установки, гарантии Intel на такие случаи не распространяются.
Некоторые компании разработали собственные варианты сопроцессоров 387, рекламируемые как более быстродействующие по сравнению с микросхемами Intel. Все они полностью совместимы с упомянутыми сопроцессорами.