Dipl.Ing(FH) Wolfgang Spieß
25.12.2000

In Bearbeitung!

Die x86-Prozessoren und der Personal Computer

Der 8086/88 (der XT)

Der für den Aufstieg der Firma INTEL wichtigste Meilenstein war ein Produkt der Firma IBM, das 1981 auf dem Markt plaziert wurde. Es war dies der Personal Computer, ( = eigenständiger, unabhängiger Rechner). Im Vorfeld bedeutete dies, das sich IBM für einen Mikroprozessor, etwa von Motorola oder INTEL entscheiden musste.
Die Wahl fiel schließlich auf den 8088 Prozessor(Vergleichstabelle) von INTEL.
(Anmerkung: Ein IBM-PC kostete bei seiner Markteinführung ca. 15000.-DM.)

Dieser Prozessor arbeitete intern mit 16-Bit Datenwortbreite und hatte extern einen 8-Bit Datenbus. Dies vereinfachte die Realsierung des Arbeitspeichers, halbierte aber natürlich auch den Datendurchsatz.

8088/(86)-Systemarchitektur

IBM entschied sich wahrscheinlich aus Spargründen gegen die 16-Bit Version, dem 8086.
Für den 8086/88 stand (steht) neben einem Arithmetik Coprozessor 8087, zur schnellen Gleit-kommaberechnung bzw. Ausführung trigonometrische Funktionen auch ein I/O-Prozessor 8089, für DMA-Zugriffe, zur Verfügung.
Der Coprozessor 8087 führt komplexe mathematische Operationen etwa 100 mal schneller aus, als es dies die entsprechenden Floating-Point-Emulationbibliotheken der Compiler ermöglichen.

Charakteristische Daten der 8086/88-Prozessoren ist die 16-Bit Datenwortbreite. (Bei 8088/80188 intern 16Bit , extern 8 Bit)

Der IBM-PC arbeitete mit einem Takt von 4,77MHz und war mit einem Arbeitsspeicher von 128kB ausgerüstet. Spätere Nachbauten (auch IBM-Kompatible genannt) erhielten zur Leistungssteigerung einen 8086 mit 10MHz Taktfrequenz oder die Prozessoren V20/V30 von NEC. Damit begann auch die Geschichte x86-kompatiblen Prozessoren. Diese ersten "non-intel"-Chip von NEC enthielten einen verbesserten Adressverarbeitungsmechanismus in Hardware realisiert, während INTEL-Prozessoren die Adressbildung in einer zeitauf-wendigeren Mikrocodeprogramm-Abarbeitung erledigten. Damit war ein NEC V20/V30, bei der gleichen Taktfrequenz um etwa 10% schneller, als ein vergleichbarer INTEL-Typ.


 
 

Der 80286 (der AT =avanced technology)

Wieder war es im Jahre 1984 IBM, die einen neuen Typ von PC, den AT (Advanced Technologie) vorstellten. (Anmerkung: Zum Zeitpunkt seiner Markteinführung kostete ein IBM-AT ca 10000.- DM)
Das auf dem Motherboard eines AT verwirklichte Hardwarekonzept schrieb die Strukturen des IBM-PC fort, sodass immer eine Aufwärtskompatibiltät der Rechnerhardware gewähr-leistet war. Als Herz dieses Systems diente ein 80286 Prozessor(Vergleichstabelle) von INTEL mit einer Takt-frequenz von 12,5Mhz. Der stark verbesserte Prozessorkern des 80286 arbeitete ungefähr dreimal so schnell, wie ein vergleichbarer 8086. Der 80286-Prozessor kann mit 24 Adress-leitungen 16MByte adressieren. Zum Zugriff auf diesen vergrößerten Adressraum bedarf es aber der besonderen Betriebart, dem sogenannten Protected Mode. Das lange dominierende PC-Betriebssystem IBM/MS-DOS unterstützte aber im Gegensatz dazu nur den sogenannten Real Mode. Im Real Mode kann nur ein Speicher von einem MByte direkt adressiert werden. Zum anderen ist auch die Unterstützung der CPU für ein Multi-Tasking Betriebs-system in diesem Modus beschränkt. Der IBM-AT und auch alle nachfolgenden Modelle wurden deshalb lange Zeit (auf Grund des Betriebsystem DOS) nur mit "angezogener Handbremse" betrieben.

 

Der 80386/486

Die Einführung des 386-PC’s wurde im Gegensatz zur früheren Entwicklung nicht von IBM sondern von der Firma Compaq im Jahre 1986 vollzogen. Der 32-Bit Prozessor stand zu-nächst nur mit einer Taktfrequenz von 16MHz zur Verfügung. Der ebenfalls 32-Bit breite Adressbus kann 4GByte direkt adressieren. Mit den in dieser Zeit vorgestellten Betriebssystemen wie Windows386 und OS/2 sollte endlich Leistungsfähigkeit der Prozessoren nutzbar gemacht werden.
Der 80386 Prozessor(Vergleichstabelle) unterstützt den vom 80286 her bekannten Protected Mode dazugefügt wurde aber noch der sogenannte Virtual Mode. In dieser Protected-Mode Betriebsart kann ein Prozessor der 386-Klasse einen oder mehrere 8086 Prozessoren nachbilden (emulieren).
386-Prozessorclone der Firma AMD waren bis zu einer Taktfrequenz von 40MHhz verfügbar.
Im Jahre 1991 stellte Intel den 80486 Prozessor(Vergleichstabelle) vor. Der 80486 war im wesentlichen ein verbesserter 80386 Mikroprozessor, mit 8kB Cache und in der DX-Version mit einem mathematischen Co-Prozessor auf dem Chip integriert. Die Taktfrequenz wurde bis auf 50MHz gesteigert. Deshalb kämpften Board- und Chipsatzhersteller in der Anfangsphase zunehmend mit thermischen Problemen der CPU und der übrigen Boardhardware. Die Prozessortaktfrequenz , jetzt in Richtung UKW-Bereich gesteigert, äußert sich durch Problemen wie Signalreflexionen und Übersprechen auf den Leiterbahnen der Boards.
Um den Boardherstellern das Design zu vereinfachen produzierten Intel, AMD oder Cyrix Prozessoren, die z.B. mit einem externen Takt von 33MHz und einer internen Frequenz-vervielfachung (2- oder 3-fach) intern mit 66 bzw. 100MHz arbeiteten.
 

Die Pentiumklasse P5

Auch heute (1999) ist es noch die Firma INTEL, welche eine dominierende Stellung als Schrittmacher bei der Entwicklung von "PC-Prozessoren" inne hat. Der Grundtyp der momentan (noch) aktuellen Pentiumfamilie ist ein 64-Bit Prozessor, der P5 Prozessor(Vergleichstabelle). Er besteht aus ca. 3,3 Millionen Transistoren und ist in 0,35m m-Technologie auf einer Chipfläche von xxxx mm realisiert. Der on-Chip Cache wurde auf 16kB erweitert.
Der 1993 auf dem Markt eingeführte Pentium hat eine superscalare Architektur. Dies be-deutet, dass ein derartiger Prozessor ein Rechenwerk enthält, welches im Idealfall zwei Befehle gleichzeitig ausführen kann. Dazu beinhaltet der Pentium ausserdem eine Branch-Prediction-Unit (BPU). Diese Einheit führt eine gewisse Vorverarbeitung des Programmablaufes durch. Das Ziel ist, keine Wartezeiten für die CPU dadurch entstehen zu lassen, dass in der sogenannten Instruction Queue (IQ) keine neuen Befehle zur Verarbeitung mehr anstehen. Die BPU versucht also den Programmablauf in gewisserweise vorherzusagen und lädt die so ermittelten Instruktionen vorsorglich in die IQ.
Dies bedeutet, dass der Pentium, verglichen mit einem 80486 Prozessor bei, gleicher Taktfrequenz, mit einer doppelten Verarbeitungsgeschwindigkeit aufwartet.
Blickt man zurück auf den i4004, so nahm die Anzahl der Transistoren mit dem PII-Prozessor um den Faktor 3300 zu. Ein der Gründerväter von Intel, Gordon Moore, postulierte anfang der 70er Jahre das nach ihm benannte Moore’sche Gesetz.(Abb.: 10 Moores Law) Dies sagt aus, dass sich etwa alle 2 Jahre die Anzahl der Transistoren pro Chipfläche verdoppelt. Bis heute (1998) hat er damit recht behalten.
 

Moores Law

P5 60/66- der mit dem Floating-Point-Error

Pentium P5
Merkmal
 Beschreibung
Gehäuse
 Sockel 7
Produktionstechnologie
 0.8µ
System-Takt/CPU-Takt
 60, 66 MHz / 60, 66 MHz
Transistoren (CPU)
 3.2 Millionen
I/O-Spannung
 5V
Core-Spannung
 5V
Cache
 1-level 16kB 8kB Daten / 8kB Code
2-level/Takt nicht integriert (Motherboard)/ 
60, 66 MHz 

Um die diversen Weiterentwicklung des P5 unterscheiden zu können, hat INTEL eine spezielle Spezifikationsliste dafür bereitgestellt.

P54C

Pentium P54C
Merkmal
 Beschreibung
Gehäuse
 Sockel 7
Produktionstechnologie
 0.8µ
System-Takt/CPU-Takt
 50, 60, 66 MHz / 75...200 MHz
Transistoren (CPU)
 3.2 Millionen
I/O-Spannung
 bis P54C-120 3.5V, schnellere 3,3V
Core-Spannung
 bis P54C-120 3.5V, schnellere 3,3V
Cache
 1-level 16kB 8kB Daten / 8kB Code
2-level/Takt nicht integriert (Motherboard)/ 
50, 60, 66 MHz 

P55C mit MMX -Erweiterung

Der P55C Prozessor(Vergleichstabelle)ist ein Sockel 7 Prozessor (1997) mit dualer Spannungsversorgung für Core und I/O. Durch die MMX-Erweiterung werden vorallen Arithmetik-Operationen beschleunigt, da diese nicht im MikroCode sondern in Hardwarerechenwerken verwirklicht wurden.Damit stieß INTEL auch in die Rechendomäne der digitalen Signalprozessoren vor. Mehr über den Prozessor ist von Intel unter Pentium Prozessor mit MMX -Technologie zu erfahren
 
Pentium P55C-MMX
Merkmal
 Beschreibung
Gehäuse
 Sockel 7
Produktionstechnologie
 0.35µ
System-Takt/CPU-Takt
 66 MHz / 166...233 MHz
Transistoren (CPU)
 4.5 Millionen
I/O-Spannung
 3,3V
Core-Spannung
 2.8V
Cache
 1-level 32kB 16kB Daten /16kB Code
2-level/Takt nicht integriert (Motherboard)/ 
66 MHz 

P6-Pentium Pro

DerPentium Pro (Vergleichstabelle) ist ein Sockel 7 Prozessor (1997), der ohne Rücksicht auf Kompatibilität zum 8086-Segmentierungsmodell entworfen wurde.
 
 
 
Pentium Pro
Merkmal
 Beschreibung
Gehäuse
 Sockel 8
Produktionstechnologie
 0.35µ
Takt
 150..200 MHz
Transistoren (CPU)
 5.5 Millionen
I/O-Spannung
 bis P6-150 3.1V, schnellere 3,3V
Core-Spannung
 bis P6 -150 3.1V, schnellere 3,3V
Cache
 1-level 16kB 8kB Daten / 8kB Code
2-level/Takt 1024kB/ bei vollem Prozessortakt
60, 66 MHz

PentiumII MMX - Klamath

Der PentiumII MMX-Klamath Prozessor(Vergleichstabelle) (1997) ist die erste für den Slot1 entworfen und gebaute CPU von INTEL.
 
Pentium PII MMX- Klamath
Merkmal
 Beschreibung
Gehäuse
 Slot1
Produktionstechnologie
 0.35µ
System-Takt/CPU-Takt
 66 MHz / 233, 266, 300 MHz
Transistoren (CPU)
 7.5 Millionen
I/O-Spannung
 3.5V
Core-Spannung
 2.8V
Cache
 1-level 32kB 16kB Daten /16kB Code
2-level/ Takt 512kB/ halber CPU-Takt 

PentiumII-Deschutes

Der Pentium II Deschutes (Vergleichstabelle)(1998) im Slot1 Gehäuse ist mit einem 32kByte 1-Level-Cache ausgerüstet.
 
Pentium PII-Deschutes
Merkmal
 Beschreibung
Gehäuse
 Slot1
Produktionstechnologie
 0.25µ
System-Takt/CPU-Takt
 66, 100 MHz / 333...450 MHz
Transistoren (CPU)
 7.5 Millionen
I/O-Spannung
 3.5V
Core-Spannung
 2.8V
Cache
 1-level 32kB 16kB Daten /16kB Code
2-level/ Takt 512kB/ halber CPU-Takt 

Celeron Deschutes

Auf grund des fehlenden L2-Cache haben Rechnersysteme mit dem Celeron 266/300 Prozessor (Vergleichstabelle), verglichen mit gleich schnellen AMD-K6 Prozessoren, eine deutlich schlechtere (Rechen-)Leistung. Intel ersetzte diese "Einsteiger-" CPU recht bald durch den deutlich leistungsfähigeren Celeron300A
 
Celeron-Deschutes
Merkmal
 Beschreibung
Gehäuse
 Slot1
Produktionstechnologie
 0.25µ
System-Takt/CPU-Takt
 66 MHz / 266...300 MHz
Transistoren (CPU)
 7.5 Millionen
I/O-Spannung
 3.3V
Core-Spannung
 2.0V
Cache
 1-level 32kB 16kB Daten /16kB Code
2-level/ Takt nicht integriert (Motherboard)

Celeron Mendocino- 300A

Der Prozessorkern des Celeron 300/333A (Vergleichstabelle) (Anfang 1999) ist identisch mit dem PII Mendocino.
 
Celeron-Mendocino
Merkmal
 Beschreibung
Gehäuse
 Slot1 oder PGA Sockel 370
Produktionstechnologie
 0.25µ
System-Takt/CPU-Takt
 66 MHz / 266...300 MHz
Transistoren (CPU)
 7.5 Millionen
I/O-Spannung
 3.3V
Core-Spannung
 2.0V
Cache
 1-level 32kB 16kB Daten /16kB Code
2-level/ Takt 128 kB/ voller CPU-Takt

Pentium III Katmai

Der Pentium III Katmai (Vergleichstabelle) wurde zur selben Zeit (April 1999), wie der AMD Athlon K7 am Markt eingeführt. Der AMD Prozessor war diesem in seiner Rechenleistung deutlich überlegen. Da der Prozessorkern für 600MHz ausgelegt ist wurde zunächst die Corespannung um 0,05V erhöht. INTEL entwickelte deshalb den Pentium III mit dem Coppermine-Kern mit Hochdruck zur Marktreife weiter.
 
Pentium III Katmai
Merkmal
 Beschreibung
Gehäuse
 Slot
Produktionstechnologie
 0.2375µ
System-Takt/CPU-Takt
 100 MHz / 450...600 MHz
Transistoren (CPU)
 9.5 Millionen
I/O-Spannung
 3.3V
Core-Spannung
 1.8V
Cache
 1-level 32kB 16kB Daten /16kB Code
2-level/ Takt 512 kB/ halber CPU-Takt

Pentium III XEON

Der Pentium-XEON (Vergleichstabelle)(Anfang 1999) wird mit verschiedenen 2-Level-Cache Größen ausgeliefert (512kB, 1024 kB und 2048kB) und ist zunächst einmal für Serveranwendungen gedacht.
 
Pentium III XEON
Merkmal
 Beschreibung
Gehäuse
 Slot2
Produktionstechnologie
 0.25µ
System-Takt/CPU-Takt
 100 MHz / 400...450 MHz
Transistoren (CPU)
 7.5 Millionen
I/O-Spannung
 3.3V
Core-Spannung
 2.0V
Cache
 1-level 32kB 16kB Daten /16kB Code
2-level/ Takt 2048 kB/ voller CPU-Takt

Pentium III Coppermine

Nachfolger des Pentium III Katmai Prozessors. Auch wenn der Codename Pentium III Coppermine (Vergleichstabelle) etwas anderes suggeriert, verwendet INTEL für den immer noch Metallverbindungen auf Basis von Aluminium.
Durch die, im Vergleich zum Pentium III Katmai, kleineren Strukturen, ist die Größe des Prozessorkerns beinahe halbiert worden. Dadurch wurde Platz frei für den vergr
 
 
 
Pentium III Coppermine
Merkmal
 Beschreibung
Gehäuse
 Slot1
Produktionstechnologie
 0.18µ
System-Takt/CPU-Takt
 133 MHz / 667...733 MHz
Transistoren (CPU)
 28 Millionen
I/O-Spannung
 3.3V
Core-Spannung
 1.1-1.7V
Cache
 1-level 32kB 16kB Daten /16kB Code
2-level/ Takt 256 kB/ voller CPU-Takt

 

PC on-chip

Einige Halbleiterhersteller komponieren um den eigentlichen Prozessor eine ganze Fülle von Funktionen auf einen Chip (System on chip). So hat z.B. die Fa. Signetics Tompson den Chip STPC Industrial (siehe Abb: 11 PC on-chip,1998) vorgestellt, der laut Hersteller in der P5 Leistungsklasse angesiedelt ist.

PC on-chip der STPC von STMicroelectronics
Der Chip, im 388 poligen PBGA Gehäuse, vereinigt die Peripherie eines kompletten Industrie PC. Folgende Komponenten kennzeichnen den STPC:
 
Komponente
 Beschreibung
CPU
  • vollstatischer x86 CPU-Kern 100 MHz mit 
  • 3,3V Core Spannung 
Datenpfade
  • 66 MHz 64Bit interner Bus
Memory
  • 8kB Cache Memory 
  • DRAM-Controller verwaltet 128MB DRAM Fast-Page/EDO
Bus Connection
  • ISA Bus Master-Slave
  • PCI Master-Slave-Arbiter 
Schnittstellen
    Video, Grafik
    SVGA Controller Windows Beschleuniger
    CRT Controller 135MHz RAMDAC Monitor Auflösung 1280x1024 bei 75Hz non-interl. 
    TFT Display Controller für 9,10,12,18 Bit -Interface
    Zoom Video Unterstützung 
  • Cardbus PCMCIA Schnittstelle nach PCMCIA-2.0
  • Tastatur Controller
  • PS/2 Maus Controller
  • Parallel Port nach IEEE 1284 Nibble, Byte, EPP und ECP Modus 
integrierte Chipsatzeigenschaften
  • DMA Controller Interrupt Controller
  • Timer/Counter
  • Power Management
 
Temperaturbereich
  • -40 bis +85 Grad C