Intel 80486 (также известный как i486, Intel 486 или просто 486-й) — 32- битный скалярный x86 -совместимый микропроцессор четвёртого поколения, построенный на гибридном CISC - RISC -ядре и выпущенный фирмой Intel 10 апреля 1989 года . Этот микропроцессор является усовершенствованной версией микропроцессора 80386 . Впервые он был продемонстрирован на выставке Comdex Fall, осенью 1989 года . Это был первый микропроцессор со встроенным математическим сопроцессором (FPU). Применялся преимущественно в настольных ПК, в высокопроизводительных рабочих станциях , в серверах и портативных ПК ( ноутбуки и лэптопы).

Руководителем проекта по разработке микропроцессора Intel 486 был Патрик Гелсинджер .

История

Intel 80486 был анонсирован на весенней выставке Comdex в апреле 1989 года. Во время анонса Intel заявила, что образцы будут доступны в третьем квартале 1989 года, а серийные партии будут поставляться в четвертом квартале 1989 года . Первые ПК на базе 80486 были анонсированы в конце 1989 года, но некоторые советовали подождать до 1990 года, чтобы приобрести ПК на базе 80486, поскольку ранее поступали сообщения об ошибках и несовместимости программного обеспечения .

Первое серьезное обновление архитектуры 80486 произошло в марте 1992 года с выпуском серии 486DX2 с интегрированным математическим сопроцессором и кэшем первого уровня . Впервые тактовая частота ядра процессора была отделена от тактовой частоты системной шины с помощью двойного тактового множителя, что привело к выпуску чипов 486DX2 с частотой 40 и 50 МГц . Более быстрый 66-МГц 486DX2-66 был выпущен позже, в августе того же года .

Несмотря на выпуск в 1993 году нового процессора Pentium пятого поколения, Intel продолжала выпускать процессоры i486, что привело к выпуску с тройным множителем, тактовой частотой 100 МГц и кэшем L1, удвоенным до 16 КБ .

Ранее Intel решила не делиться своими технологиями 80386 и 80486 с AMD . Однако AMD считала, что их совместное использование технологий распространяется и на 80386 как производную от 80286 . Поэтому AMD провела самостоятельную обратную разработку чипа 386 и выпустила 40-МГц чип Am386DX-40 , который был дешевле и имел меньшее энергопотребление, чем лучшая 33-МГц версия 386 от Intel . Intel попыталась помешать AMD продавать процессор, но AMD выиграла судебное разбирательство, что позволило ей выпустить процессор и утвердиться в качестве конкурента Intel .

AMD продолжала создавать клоны, в результате чего в апреле 1993 года был выпущен чип первого поколения Am486 с тактовыми частотами 25, 33 и 40 МГц . Последующие чипы второго поколения Am486DX2 с тактовыми частотами 50, 66 и 80 МГц были выпущены в следующем году. Серия Am486 была завершена 120-МГц чипом DX4 в 1995 году .

В 1995 году после восьмилетней судебной тяжбы AMD против Intel был урегулирован арбитражный иск 1987 года, и AMD получила доступ к микрокоду Intel 80486 . Как сообщается, это привело к созданию двух версий процессора 486 от AMD — одна была создана на основе микрокода Intel, а другая использовала микрокод AMD в процессе разработки в чистом помещении . Тем не менее, в соглашении также указано, что процессор 80486 станет последним процессором Intel, который будет клонирован AMD .

Другим производителем клонов 486 была компания Cyrix , которая была безфабричным производителем микросхем сопроцессоров для систем 80286/386. Первые процессоры Cyrix 486, 486SLC и 486DLC были выпущены в 1992 году и использовали пакет 80386 . Оба процессора Cyrix производства Texas Instruments были совместимы по контактам с системами 386SX/DX, что позволило им стать вариантом модернизации для старых систем . Однако эти чипы не могли сравниться с процессорами Intel 486, имея всего 1 КБ кэш-памяти и не имея встроенного математического сопроцессора. В 1993 году Cyrix выпустила собственные процессоры Cx486DX и DX2, которые по производительности были ближе к аналогам Intel. Это привело к тому, что Intel и Cyrix подали друг на друга в суд, причем Intel обвинила Cyrix в нарушении патентов, а Cyrix выдвинула встречно антимонопольные претензии. Судебное разбирательство закончилось в 1994 году победой Cyrix и снятием антимонопольного иска .

В 1995 году и Cyrix, и AMD обратили внимание на готовый рынок пользователей, желающих обновить свои процессоры. Cyrix выпустила производный 486-й процессор под названием 5x86, основанный на ядре Cyrix M1, который работал на тактовой частоте 120 МГц и был опцией для материнских плат 486 Socket 3 . AMD также выпустила 133-МГц Am5x86 , который по сути был улучшенным 80486 с удвоенным кэшем и четырехкратным множителем, который также работал с оригинальными материнскими платами 486DX . Am5x86 был первым процессором, который использовал рейтинг производительности AMD и продавался как Am5x86-P75, с утверждениями, что он эквивалентен Pentium 75 . Компания Kingston Technology также выпустила модуль 'TurboChip' 486, в котором использовался 133-МГц Am5x86 .

В результате Intel выпустила чип обновления Pentium OverDrive для материнских плат 486, который представлял собой модифицированное ядро Pentium, работающее на частоте до 83 МГц на платах с тактовой частотой системной шины 25 или 33 МГц. OverDrive не был популярен из-за низкой производительности и высокой цены. После того, как процессоры серии Pentium закрепились на рынке, Intel продолжила выпуск ядер 486-х для промышленных встраиваемых приложений, а затем в конце 2007 года прекратила производство процессоров серии 80486 .

Описание

Технические характеристики (сводно)

• Дата анонса первой модели: 10 апреля 1989 года
• Разрядность регистров : 32 бита
• Разрядность внешней шины данных : 32 бита
• Разрядность внешней шины адреса : 32 бита
• Объём виртуальной адресуемой памяти: 64 Тб (2 ⁴⁶ )
• Максимальный объём сегмента : 4 Гбайт
• Объём физической адресуемой памяти: 4 Гбайт
• Кэш L1 : 8 Кбайт, DX4 — 16 Кбайт
• Кэш L2 : на материнской плате (на частоте FSB )
• FPU : на кристалле, у SX отключён
• Тактовые частоты процессора, МГц : 16—100 (DX4)
• Тактовые частоты FSB , МГц: 16—50
• Напряжение питания: 5—3,3 В
• Количество транзисторов: 1,185 млн, SX2 — 0,9 млн, SL — 1,4 млн, DX4 — 1,6 млн
• Техпроцесс, нм: 1000, 800 и 600 для DX4
• Площадь кристалла: 81 мм² для 1,185 млн транзисторов и технологии 1000 нм, 67 мм² для 1,185 млн транзисторов и 800-нм технологии, 76 мм² для DX4
• Максимально потребляемый ток: нет данных
• Максимально потребляемая мощность: нет данных
• Разъём: гнездо типа Socket
• Корпус: 168- и 169-контактный керамический PGA , 132- и 208-контактный пластиковый PQFP
• Инструкции: x86 (150 инструкций, не считая модификаций)

Процессор обладал 32-битными шинами адреса и данных. Это требовало наличия памяти в виде четырёх 30-контактных или одного 72-контактного модуля SIMM .

Различия между Intel 486DX и Intel 386

Intel 486DX, 486DX2 и 486DX4 представляют собой кристалл, содержащий центральный процессор, математический сопроцессор и контроллер кэша. Полностью совместимые на уровне предпроцессора с процессорами Intel 386, тем не менее, они имеют следующие различия:

• процессоры Intel 486, в отличие от Intel ULP486GX, который имеет поддержку только 16-битной шины данных, обеспечивают динамическое изменение размера используемой шины для поддержки 8-, 16- и 32-битных транзакций. Intel 386 поддерживают только два размера ширины шины, 16 и 32 бита, и не требуют внешней логики для организации смены ширины шины.
• Процессоры Intel 486 имеют режим укороченной передачи, который позволяет за одну транзакцию передать по шине четыре 32-битных слова из внешней памяти в кэш, используя всего пять циклов. Intel 386 для передачи того же объёма данных требуется минимум восемь циклов.
• Процессор Intel 486 имеет сигнал BREQ, используемый для поддержки мультипроцессорных систем.
• Шина процессора Intel 486 значительно мощнее шины процессора Intel 386. Новые возможности в виде умножения частоты шины, проверки чётности (отсутствует в ULP486SX и ULP486GX), укороченный цикл передачи данных, кэшируемые циклы, в том числе кэшируемый цикл без проверки данных, поддержка транзакций по 8-битной шине.
• Для поддержки кэша на кристалле введены новые управляющие регистры (CD и NW), добавлены новые выводы для шины, новые типы циклов обмена по шине.
• Набор инструкций математического процессора Intel 387 не только поддерживается в полном объёме, но и расширен. Во время выполнения команды по обработке данных с плавающей точкой не выполняются никакие циклы ввода-вывода. Не задействовано прерывание 9, происходит прерывание 13.
• Процессор Intel 486 поддерживает новые режимы выявления ошибок, что гарантирует совместимость с DOS . Эти новые режимы требуют нового бита в управляющем регистре 0 (NE).
• К набору команд добавлено шесть новых: BSWAP (Byte Swap), XADD (Exchange and Add), CMPXCHG (Compare and Exchange), INVD (Invalidate data cache), WBINVD (Write-back and Invalidate data cache) и INVLPG (Invalidate TLB Entry).
• В управляющем регистре 3 назначены два новых бита, отвечающих за кэширование текущего каталога страниц.
• Добавлены новые возможности защиты страниц, требующие нового бита в управляющем регистре 0.
• Добавлены новые возможности проверки выравнивания, требующие нового бита в регистре флагов и управляющем регистре 0.
• Заменён алгоритм для TLB на алгоритм псевдо-LRU (PLRU), подобно используемому в кэше на кристалле.
• Для тестирования кэша на кристалле добавлены три новых тестовых регистра: TR5, TR6 и TR7. Повышена стабильность работы TLB.
• Очередь предварительной выборки увеличена с 16 до 32 байт. Для гарантированного правильного выполнения новых инструкций всегда выполняются переходы после модификации кода.
• После сброса в верх байта ID записывается значение <04>.

Микроархитектура

• 
  Микроархитектура i486DX2/DX4
• 
  Микроархитектура Ultra Low Power i486SX и i486GX
• 
  Микроархитектура i486SX

Математическая модель и набор инструкций

Набор инструкций не претерпел существенных изменений, но были добавлены дополнительные инструкции для работы со внутренней кэш-памятью (INVD, INVLPG, WBINVD), одна инструкция (BSWAP) для обеспечения совместимости с процессорами Motorola, две инструкции для атомарных операций с памятью: CMPXCHG (для сравнения с обменом — новое значение записывалось только если старое совпадало с заданным, старое запоминалось) и XADD (инструкция для сложения двух операндов с помещением результата во второй операнд, а не в первый, как в ADD). Инструкция CPUID позволяла впервые в семействе x86 напрямую получить детальную информацию о версии и свойствах процессора. Помимо этого, к набору инструкций добавилось 75 инструкций FPU.

Длина очереди инструкций была увеличена до 32 байт.

Блоки и реализация интерфейсов

• 
  Организация интерфейса с устройствами ввода-вывода
• 
  Организация интерфейса с 32-битными устройствами ввода-вывода
• 
  Организация интерфейса с переменным размером шины данных: 16 бит
• 
  Организация интерфейса с 8-битными устройствами ввода-вывода

Регистры

В процессоре имеется расширенный, по сравнению с в 80386, набор инструкций, в который добавлено несколько дополнительных регистров , а именно, три 32-битных тестовых регистра (TR5, TR4, TR3). Также были добавлены новые флаги в регистре флагов (EFLAGS) и в других управляющих регистрах (CR0, CR3).

Вследствие включения сопроцессора в кристалл процессора, в Intel 486 можно обращаться и к регистрам FPU: регистры данных, регистр тегов, регистр состояния, указатели команд и данных FPU, регистр управления FPU.

Конвейерная обработка инструкций

В Intel 486 был усовершенствован механизм выполнения инструкций в несколько этапов. Конвейер процессоров серии Intel 486 состоял из 5 ступеней: выборка инструкции, декодирование инструкции, декодирование адресов операндов инструкции, выполнение команды, запись результата выполнения инструкции. Использование конвейера позволило во время выполнения одной инструкции производить подготовительные операции над другой инструкцией. Это в значительной степени позволило увеличить производительность процессора.

Кэш процессора

• 
  Иерархия памяти
• 
  Буфер ассоциативной трансляции
• 
  Организация кэша в системах, построенных с использованием процессора Intel 486
• 
  Direct Mapped Cache
• 
  Two-Way Set Associative Cache
• 
  Fully Associative Cache

Intel 486 имел расположенную на кристалле кэш-память объёмом 8 Кбайт, позднее — 16 Кбайт, работающую на частоте ядра. Наличие кэша позволило существенно увеличить скорость выполнения операций микропроцессором. Изначально кэш Intel 486 работал по принципу сквозной записи ( англ. write-through, WT ), но позже, в рамках семейства Intel 486, были выпущены модели со внутренним кэшем, работающим по принципу обратной записи ( англ. write-back, WB ). Процессор мог использовать и внешний кэш, скорость чтения-записи которого, однако, была заметно ниже, чем у внутреннего кэша. При этом внутренний кэш стали называть кэшем первого уровня (Level 1 Cache), а внешний кэш, расположенный на материнской плате, кэшем второго уровня (Level 2 Cache). Кэш имел 4-канальную наборно-ассоциативную архитектуру и работал на уровне физических адресов памяти.

Однако в результате использования интегрированной кэш-памяти существенно возросло количество транзисторов в процессоре и, как следствие, увеличилась площадь кристалла. Увеличение количества транзисторов привело к существенному увеличению рассеиваемой мощности. В среднем, рассеиваемая мощность увеличилась в 2 раза по сравнению с аналогичными моделями серии 80386. Во многом этому способствовала интеграция кэш-памяти, хотя были и другие факторы, но они не столь существенны. По этой причине процессоры Intel 486 старших моделей уже требовали принудительного (активного) охлаждения.

Математический сопроцессор

В Intel 486 был использован встроенный математический сопроцессор ( англ. Floating Point Unit, FPU ).

Это был первый микропроцессор семейства x86 со встроенным FPU. Встроенный FPU был программно совместим с микросхемой Intel 80387 — математическим сопроцессором, применявшимся в системах с процессором 80386. Благодаря использованию встроенного сопроцессора удешевлялась и ускорялась система за счёт уменьшения общего числа контактов и корпусов микросхем.

Изначально все выпускавшиеся микропроцессоры Intel 486 оснащались работающим сопроцессором, эти процессоры получили имя Intel486DX . Позже, в 1991 году , Intel решает выпустить процессоры с отключённым сопроцессором, и эти процессоры получили наименование Intel486SX . Системы, построенные на этих процессорах, могли оснащаться отдельным сопроцессором, например, Intel487SX или сопроцессором других производителей.

Построение вычислительной системы

Первоначально системы на базе Intel 486 были оборудованы только 8- и/или 16-битными шинами ISA . Более поздние материнские платы совмещали в себе медленную шину ISA с высокоскоростной шиной VESA (или VLB — англ. Vesa Local Bus ), предназначавшуюся прежде всего для видеоплат и контроллеров жёсткого диска. Последние материнские платы для процессоров i486 были оборудованы шинами PCI и ISA, а иногда и VESA . Быстродействие шины ISA определялось множителями, а рабочая частота шин PCI и VLB была равна частоте шины процессора i486 (хотя некоторые материнские платы имели множители также и для них).

Позже материнские платы для i486 обрели поддержку технологии Plug-and-Play , которая использовалась в Windows 95 и позволяла компьютерам автоматически обнаруживать и настраивать периферийные устройства и устанавливать соответствующие драйверы.

• 
  Построение контроллера системы Intel 486
• 
  Организация системы арбитража
• 
  Организация контроллера шины EISA
• 
  Организация интерфейса (моста) PCI-ISA
• 
  Построение системы с использованием контроллера прерываний 82C59A
• 
  Построение системы с использованием каскадирования контроллеров прерываний
• 
  Построение типовой конфигурации с использованием шины EISA
• 
  Построение типовой конфигурации с использованием шины PCI
• 
  Построение дешифратора адреса
• 
  Построение дешифратора сигналов A1, BHE# и BLE#
• 
  Построение схем управления и таблица истинности на примере использования ИМС 74S138

Модели

С момента появления первого процессора Intel 486DX было выпущено множество других моделей семейства 486 с суффиксами SX, SL, DX2, DX4, GX. Они различались функциональным предназначением и некоторыми технологическими параметрами (напряжение питания, тактовая частота, размер кэш-памяти, отсутствие или наличие сопроцессора и др.).

Процессоры 486DX2 имели коэффициент умножения 2 — то есть, например, при частоте системной шины 33 МГц рабочая частота самого процессора составляла 66 МГц. Позже появились процессоры Intel DX4 — однако коэффициент умножения у них был не 4, а 3. В результате введения множителей в широкий обиход впервые вошло такое понятие, как разгон ( англ. overclocking ) — повышение производительности процессора путём увеличения тактовой частоты шины или коэффициента умножения. Так, известно, что в России даже в открытую продажу поступали системы, в которых процессоры i486 работали на частотах до 160 МГц.

Конкурентные решения

Ко времени выпуска 486 Intel лишилась прав собственности на товарные знаки x86 и подобные наименования использовало множество производителей. Основным лозунгом конкурентов Intel был «Практически то же, что и у Intel, только за меньшие деньги».

486-совместимые процессоры производились и такими компаниями, как IBM , Texas Instruments , AMD , Cyrix , UMC и . Некоторые из них были почти точными копиями как по производительности, так и по техническим характеристикам, другие же, наоборот, отличались от оригинала.

Уже после ухода с массового рынка 486-х процессоров производства Intel компания AMD выпустила процессоры -120 и Am5x86-133.

В мае 2006 года Intel заявила, что производство чипов 80486 прекратится в конце сентября 2007 года . И хотя для прикладных программ на персональных компьютерах этот чип уже долгое время являлся устаревшим, Intel продолжала производить его для использования во встраиваемых системах .

• 
  486 процессоры AMD Cyrix IBM Intel ST Texas Instruments
• 
  Процессоры i486 в окружении процессоров других производителей
• 
  UMC Green CPU

Примечания

Литература

• Документация, выпущенная Intel:
  • Order No: 271329-002 «MILITARY Intel486 PROCESSOR FAMILY»
  • Order No: 272755-001 «Embedded Ultra-Low Power Intel486 GX Processor»
  • Order No: 272731-002 «Embedded Ultra-Low Power Intel486 SX Processor»
  • Order No: 272731-001 «Embedded Ultra-Low Power Intel486 SX Processor»
  • Order No: 271329-003 «MILITARY Intel486 PROCESSOR FAMILY»
  • Order No: 241199-002 «Intel486 Family of Microprocessors. Low Power Version. Data Sheet»
  • Order No: 273025-001 «EMBEDDED Intel486 PROCESSOR. HARDWARE REFERENCE MANUAL»
  • Order No: 273021-001 «EMBEDDED Intel486 PROCESSOR FAMILY. DEVELOPER’S MANUAL»
  • Order No: 272815-001 «Ultra-Low Power Intel486 SX PROCESSOR. EVALUATION BOARD MANUAL»
  • Order No: 272771-002 «Embedded Write-Back Enhanced IntelDX4 Processor»
  • Order No: 272771-001 «Embedded Write-Back Enhanced IntelDX4 Processor»
  • Order No: 272770-002 «Embedded IntelDX2 Processor»
  • Order No: 272770-001 «Embedded IntelDX2 Processor»
  • Order No: 272769-002 «Embedded Intel486 SX Processor»
  • Order No: 272769-001 «Embedded Intel486 SX Processor»
  • Order No: 272755-002 «Embedded Ultra-Low Power Intel486 GX Processor»
  • Order No: 240440-006 «Intel486DX MICROPROCESSOR»
• В.Л. Григорьев. Микропроцессор i486. Архитектура и программирование. — М. : Гранал. — Т. Книга 1. Программная архитектура. — 346 с. — ISBN 5-900676-01-3 .
• В.Л. Григорьев. Микропроцессор i486. Архитектура и программирование. — М. : Гранал. — Т. Книга 2-4. — 382 с. — ISBN 5-900676-02-1 .

Ссылки

• на сайте bitsavers.org (англ.)
• (англ.)