Processador
Característiques
Velocitat
Caché
Bus de dades i direccions
Microprocessadors de PC
Els microprocessadors de PC són CPUs molt complexes ja que tenen que funcionar bé en una gran varietat de funcionalitats. Actualment són molt potents i consumeixen poca potència.
L'estàndard sobre el que s'han construït tots aquests anys és el joc d'instruccions x86, del processador 8086 i 8088.
Prehistòria
Abans de parlar els processadors en el PC tal com el coneguem, cal mencionar els precursors.
4004 Intel (1971)
Aquenst va ser el primer microprocessador integrat de la història. Fins a aquests moments, el circuits integrats existien, però per a fer un processador calia muntar molts d'ells en una placa.
El Intel 4004 va ser un encarreg per a fer calculadores. El client, Busicom, volia el de sempre, però Federico Faggin, un empleat de Intel, va pensar que seria millor fer un únic circuit integrat multipropòsit. Va ser un èxit quant altres fabricants va poder aprofitar-lo per a màquines molt distintes.
El 4004 era poc potent, sols tenia 4 bits de bus de dades i podia direccionar fins a 640 bytes de memòria. La seua velocitat inicial era de 108KHz i va arribar a 740KHz.
8008 Intel (1972)
El 8008 ja tenia 8 bits de transferència i podia direccionar fins a 16KB. LA seua velocitat inicial eren 200KHz. Era un processador per a calculadores i terminals. Era un poc més lent que el 4004, però al poder accedir a més memòria i manipular 8 bits feia que fora molt més ràpid.
Les instruccions del 8008 van formar part de l'estàndar x86.
8080 Intel (1974)
2MHz, 8bits, 64KB de RAM. Va se considerat el primer microprocessador realment utilitzable. Molts fabricants van produir 8080, entre ells, AMD.
Tenía un encapsulat més gran i, pre tant, podia tindre un bus de 16 bits per a direccions de memòria i un de 8 per a les dades. Comptava amb 7 registres de 8 bits, 6 dels quals es podien combinar en per fer registres de 16 bits. Els altres registres eren un punter de pila de 16 bits i un comptador de programa de 16 bits.
Tenia 256 ports de E/S. No utilitzava el mapeig de memòria, com es fa actualment. Alliberava memòria, però requeria instruccions especials de E/S.
Z80 Zilog (1975)
Es tracta d'una versió millorada del 8080. Més capaç i més ràpid que el Intel, va aconseguir un gran èxit en els primers microcomputadors.
Es tracta d'un dels processadors amb més èxit de la història. S'han fet moltes versions posteriors i encara s'utilitza en molts dispositius. Moltes de les consoles dels 90 el tenien instal·lat. Ha arribat a tindre 3.8MHz.
8085 Intel (1977)
Compatible amb el 8080, aquest necessitava menys suport de hardware per a funcionar. No va tindre molta popularitat perquè va ser superat per el Z80.
MOS 6502 MOS Technology (1976)
Era la CPU més barata de l'època. Tenia un preu de uns 25$ front als 179$ del 8080. Amés, era més ràpid que ells. Va ser un processador molt popular per ser utilitzat en els Apple II, Atari 2600, Nintendo NES i en el Commodore.
La seua velocitat inicial era de 1MHz, un poc més lent que els competidors. Però realment anava més ràpid, ja que era un processador pipelined o segmentat. Això vol dir que anava fent varies instruccions al mateix temps al dividir les seues fases. Els competidors eren CISC microprogramats que utilitzaven més cicles per instrucció. Els processadors no tenien multiplicador, per tant, tota la circuiteria anava a la velocitat de la CPU. El 6502 era més lent en MHz i, per tant, necessitava una circuiteria més lenta i més barata.
Era un processador amb molt pocs registres. La memòria RAM era més ràpida que el processador. Per tant, la utilitzava per als registres.
8086 Intel (1978)
El van fer compatible amb els 8008 i 8080. Però el joc d'instruccions va ser ampliat i millorat considerablement. Un de les millores més importants va ser el suport complet al processament amb 16 bits.
La herència del 8086 és el joc d'instruccions bàsic. De fet el 286, 386, 486 i posteriors són compatibles amb ell.
El processador 8086 tenía 20 bits de direcció i podia direccionar fins 1MB. La seua velocitat era de 5MHz a 10MHz. No tenia instruccions de coma flotant. Per tant, necessitava d'un coprocesador matemàtic, en aquest cas el 8087.
Era un processador molt potent però molt car i no va tindre gran èxit comercial.
8088 Intel (1979)
Era una versió retallada del 8086 i més barat. Aquest tenia el bus de dades de 8 bits.
És el processador utilitzat per IBM per al seu primer PC.
IBM PC
Els primer IBM PC va eixir amb el processador 8088 de Intel. Aquest tenía fins 1MB de memòria, 640KB per aplicacions i 384 per al sistema operatiu. En Aquest cas el PC DOS.
Anem a repasar els processadors posteriors per a PC:
80186 i 80188 Intel (1982)
Es tracta de versions millorades del 8086 i 8088.
Integraven DMA, tenien un controlador de interrupcions, i més instruccions. Va arrivar a tindre 6MHz.
Les millores anaven dirigides a reduir la necessitat de circuit externs al processador.
No va ser molt utilitzat en PC, però es va integrar com a processadors empotrats.
80286 Intel (1982)
El 80286 es caracteritza per el seu funcionament en mode real o protegit. Al entrar en mode protegit (si el SO es capaç) permet multiprocés i protecció de memòria, amés de memòria virtual. Quant el processador està en mode protegit, no deixa als programes executar instruccions del mode real.
El bus de dades és de 16 bits i el de direccions de 24 bits. D'aquesta manera es poden direccionar fins a 16MB de RAM.
Amplía el joc d'instruccions del 8086 en 25 més. Té 8 modes de direccionament i en mode virtual pot accedir fins 1GB. Va arribar a tindre de 6MHz a 25MHz.
La quantitat de cicles per instrucció va ser millorada. Es necessiten 4,5 de mitja i la instrucció més llarga té 29 cicles (206 la més llarga del 8086).
Va ser el processador del IBM Personal Computer/AT en 1984.
Un dels problemes més importants és que no podia passar de mode protegit a real sense un reinici. Es van fer instruccions de BIOS per a provocar un reinici sols del processador. Però el rendiment baixava molt. Aquest problema va provocar crítiques de Microsoft, ja que era impossible correr varies aplicacions en Windows sobre MS/DOS.
80386 Intel (1985)
El 386 va ser el primer de 32 bits. Tenía un bus de 32 bits per a dades i el bus de direccions també era de 32bits. Per tant, era teòricament capaç de direccionar fins 4GB de RAM.
Comptava amb 3 modes de funcionament:
- Mode Real compatible amb 8086
- Mode protegit fins a 4GB.
- Mode virtual 8086. Que permet varis programes 8086 en mode real en un entorn protegit.
A diferència del 286, aquest podia fer el canvi de mode sense reiniciar.
La seua velocitat va ser de 12 a 40 MHz.
Millorava la MMU per a permetre una millor gestió de de les pàgines i permitia fer sistemes operatius amb memòria virtual.
Els canvis en el joc d'instruccions des del 386 han sigut mínims i és molt fàcil adaptar un programa més modern per a funcionar en aquests processadors. Per això, el joc d'instruccions es considera un estandar, el IA-32. Va eixir una variant, el 386SX amb 16 bits de bus que el fa més lent i més barat.
Van eixir varis processadors compatibles d'altres marques. Entre ells el AMD386, pràcticament un clon més barat i més ràpid.
80486 Intel (1989)
El 486 junta en un sol xip el 386 i el coprocessador matemàtic 80387, amés d'una memòria caché de 8KB.
El 486 executa les instruccions en mode ràfega o pipeline. Per això baixa 2 cicles per instrucció. El 486 a la mateixa velocitat, té un rendiment de més del doble que el 386.
La seua velocitat va anar de 16 a 100MHz.
Introdueix també la multipicació de la freqüencia de la placa. Per tal de no tindre que fer plaques mès ràpides, el que fa es fer que el processador tinga una velocitat muĺtiplo de la de la placa. Aquest va més ràpid però continuen sincronitzades. En el cas del 486, se duplicava o triplicava la velocitat del bus.
La variant DX2 duplicava la freqüència del sistema i tenia 32KB de caché L1.
S'han fabricat processadors 486 fins el 2007.
Pentium Intel (1993)
La novetat principal del Pentium és la microarquitectura P5 amb funcionament superescalar. Això vol dir que pot anar executant varies instruccions a la vegada. No es tracta de varis nuclis complets, però pot tindre unitats funcionals duplicades. No és el mateix que el pipeline, però normalment van junts. De fet, el Pentium té dos pipelines de sencers i una unitat de coma flotant més potent. Amés, dos nivells de caché. La L1 amb 8KB per a codi i 8KB per a dades i la L2 de 512KB
Amb velocitats de bus de 50MHz a 66MHz, la velocitat del Pentium multiplicava aquestes arrivant a ser de 60MHz a 300MHz.
La primera generació dels Pentium eren massa grans i consumien molt. La segona generació va millorar açò en 1994. Aquesta segona generació tenía un voltage de 3.3v.
Pentium-MMX Intel (1997)
La velocitat del MMX arribava a ser de 233MHz. Però la veritable millora era la introducció del joc d'instruccions MMX. Aquest joc d'instruccions estaven preparades per a millorar els cálculs en aplicacions multimèdia per a la decodificació del audio i vídeo o els jocs. Amés, duplicava fins els 32KB la caché L1.