80386

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
<<   Intel 80386   >>
Центральный процессор
Ic-photo-intel-A80386DX-33-IV-(386DX).png
Микропроцессор Intel 80386
Производство: с 17 октября 1985 по сентябрь 2007[1][2]
Производители:
Частота ЦП: 12—40 МГц
Технология производства:
1.5—1.0 мкм
Наборы инструкций: x86
Разъём: PGA132, PQFP132, TQFP144
Клон микропроцессора Intel 80386, изготовленный фирмой AMD

Intel 80386 (также известный как i386 или просто 386) — 32-битный x86-совместимый процессор третьего поколения фирмы Intel, выпущенный 17 октября 1985 года. Данный процессор был первым 32-разрядным процессором для IBM PC-совместимых ПК. Применялся, преимущественно, в настольных ПК и портативных ПК (ноутбуки и лэптопы). В настоящее время в основном используются в контроллерах, а также в бытовой технике.

Описание[править | править вики-текст]

Архитектура микропроцессора Intel 80386DX

Процессор i386 полностью совместим со своими предшественниками — процессорами 808680286. Он выполняет программы, предназначенные для них, без необходимости модификации кода и перекомпиляции (или с минимальными модификациями) и делает это более эффективно:

  • затрачивает на выполнение меньшее число тактов синхронизации;
  • имеет более высокие тактовые частоты, за счёт использования новых технологий;
  • имеет увеличенный, по сравнению с предыдущими процессорами, буфер предвыборки команд — 16 байт (которых хватает примерно на пять команд); буфер предвыборки обеспечивает меньшее количество обращений за командами и исключает лишние обращения в память в коротких циклах и выполнении строковых команд.

Вместе с тем i386 является серьёзной переработкой процессора 80286. По некоторым оценкам, ни до, ни после i386 архитектура процессоров x86 ни разу не переделывалась столь кардинально. В процессорах этой архитектуры впервые были введены основные механизмы поддержки современных 32-разрядных операционных систем для PC-совместимых платформ.

Основные изменения:

32 бита[править | править вики-текст]

Вся архитектура x86 была расширена до 32 бит — все регистры (за исключением сегментных) стали 32-битными, получив в названии префикс «E» (EAX, EBX, EIP, EFLAGS и т. п.), с сохранением полного набора команд для работы с ними. В том числе:

  • регистр флагов, получивший множество новых флагов для управления многозадачностью
  • регистр управления процессором MSW процессора 80286, названный в i386 «CR0»

32-битной стала и адресация в защищенном режиме (с возможностью создания 16-битных сегментов, для совместимости с 80286). Она позволила впервые со времени появления 8086 забыть о сегментации, а точнее, ограничении размера сегмента 64 килобайтами (ограничение 16-битного адреса), которое давно перестало устраивать программистов.

До появления i386 программы и операционные системы использовали несколько головоломных моделей организации памяти (крохотная — tiny, малая — small, большая — large, огромная — huge), различающихся по организации в памяти сегментов кода, стека и данных. 32-битный адрес позволил использовать вместо них одну простую плоскую модель (англ. flat) — 32-битный вариант крохотной модели, в которой все сегменты задачи находятся в одном адресном пространстве. Плоская модель обеспечивает размер такого «общего» сегмента до почти 4 гигабайт, которых по тем временам хватало для любой мыслимой задачи.

Плоская модель имеет и недостатки:

  • в ней появляются проблемы перемещаемости машинного кода, которые ранее легко обходились сегментацией, обеспечение перемещаемости легло на плечи операционных систем, с новыми форматами дискового образа программы.
  • плоская модель практически сводит на нет управление памятью в защищенном режиме (ограничение доступа и поддержка виртуальной памяти), которое до i386 могло выполняться только на уровне сегментации. Только появление новой модели управления памятью — страничного преобразования — обеспечило плоской модели её сегодняшнюю популярность.

Плоская модель вошла в обиход столь широко, что современные программисты зачастую и не подозревают, что программы обращаются в память через сегменты.

Страничное преобразование[править | править вики-текст]

В i386 был введён новый механизм управления памятью — адресное пространство, к которому обращается процессор за данными и кодом, в котором располагаются сегменты (названное линейным адресным пространством) может не соответствовать реальной физической памяти. Физическая память (включая буферы внешних устройств, например видеобуфер) может быть отображена в линейное адресное пространство произвольным образом — каждая страница (размером 4 килобайта) линейного пространства может быть переадресована на любую страницу физической памяти через каталог страниц, располагающийся в оперативной памяти (адрес каталога страниц определяется значением нового регистра управления «CR3»).

Как и сегменты, страницы линейного адресного пространства могут быть объявлены неприсутствующими (обращение к таким страницам вызывает обработчик страничного нарушения операционной системы). Неприсутствующие страницы, в первую очередь, используются, для организации виртуальной памяти — обработчик страничного нарушения осуществляет свопинг страниц памяти с внешними запоминающими устройствами. Также, неприсутствующие страницы используются в плоской модели памяти (где размер сегмента обычно имеет размер от 2 до 4 гигабайт, даже если у компьютера не имеется столько физической памяти) для маркировки страниц сегмента, в которые операционная система не выделила памяти. В этом случае, страничное нарушение, обычно, завершает задачу или начинает её отладку.

Через страничное преобразование i386 может адресовать до 4 Гбайт физической памяти и до 64 Тбайт виртуальной памяти.

Улучшенная поддержка многозадачности и защиты[править | править вики-текст]

Поддержка многозадачности в процессорах x86 обозначает аппаратную поддержку «прозрачного» переключения с одной обычной программы (задачи) на другую. При переключении процессор сохраняет свое состояние (включая адрес следующей команды, селекторы сегментов) в сегменте состояния (TSS; сегмент памяти, с селектором из регистра TR) одной задачи, после чего восстанавливает состояние другой задачи из её сегмента состояния (селектор сегмента состояния новой задачи загружается из дескриптора её сегмента кода).

Переключение между задачами обычно осуществляется:

  • прерыванием таймера; время, на которое настроен таймер, называется квантом времени для задачи
  • системным вызовом (вызовом функции операционной системы)
  • исключением — например, при попытке выполнить недопустимую команду или обращении к неприсутствующей памяти
  • отладкой

В i386 механизмы защиты и многозадачности были значительно расширены и улучшены. В зависимости от характера нарушений, они могут тихо игнорироваться (например, некоторые биты регистра EFLAGS нельзя изменить загрузкой флагов из стека), вызывать обработчик исключения (операционной системы). Серьёзные ошибки на уровне операционной системы (или в реальном режиме) могут привести процессор в режим аварийной остановки (например, при нарушении в обработчике двойного нарушения), из которого можно выйти только аппаратным сбросом (англ. reset) процессора.

Например, i386 поддерживает ограничение доступа к портам ввода-вывода и флагу запрещения прерываний через:

  • назначение необходимого уровня привилегий для выполнения таких команд (двухбитным полем IOPL регистра флагов)
  • разрешением задаче выборочного доступа к портам ввода-вывода через битовую карту в сегменте состояния задачи

Попытка исполнения неразрешенной команды ввода-вывода, приводит к исключению, обработчик которого (принадлежащий операционной системе) может завершить задачу по ошибке, игнорировать (возобновить выполнение со следующей команды) или эмулировать ввод-вывод.

Кроме всего многозадачность i386 полностью поддерживает все новые возможности — для 32-битных задач сегмент состояния содержит все 32-битные и необходимые новые регистры (например, регистр CR3 с адресом каталога страниц для этой задачи).

Виртуальный режим[править | править вики-текст]

В процессоре i386 компания Intel учла необходимость лучшей поддержки реального режима, потому что программное обеспечение времени его появления не было готово полностью работать в защищенном режиме. Поэтому, например, в i386 возможно переключение из защищенного режима обратно в реальный (при разработке 80286 считалось, что это не потребуется, поэтому на компьютерах с процессором 80286 возврат в реальный режим осуществляется схемно — через сброс процессора).

В качестве расширенной поддержки реального режима, i386 позволяет одной или нескольким задачам работать в виртуальном режиме — режиме эмуляции режима реального адреса.

Важно понимать что «виртуальный режим», несмотря на похожесть названия является не «третьим режимом работы процессора» (то есть реальный, защищенный и виртуальный), а лишь режимом работы задачи в многозадачном окружении защищенного режима.

Виртуальный режим предназначается для одновременного выполнения программ реального режима (например, программы для DOS) под многозадачной операционной системой защищенного режима.

Выполнение в виртуальном режиме практически идентично реальному, за несколькими исключениями, обусловленными тем, что виртуальная задача выполняется в защищенном режиме:

  • виртуальная задача не может выполнять привилегированные команды, потому что имеет низший уровень привилегий
  • все прерывания и исключения обрабатываются операционной системой защищённого режима (которая, впрочем, может инициировать обработчик прерывания виртуальной задачи)

вместе с тем, в задаче виртуального режима можно использовать:

  • страничное преобразование, например, для:
    • расширения памяти, путем включения страниц в неиспользуемое адресное пространство
    • эмуляции расширений с переключением банков (например, EMS-памяти)
    • виртуальной развертки или свертки буферов внешних устройств (видеопамять, аппаратная EMS-память)
  • эмуляцию внешних устройств через эмуляцию портов ввода-вывода
  • отладку
  • при выполнении нескольких задач виртуального режима, каждая из них может выполняться совершенно отдельно друг от друга, чего нельзя достигнуть в реальном режиме

Например, начиная с версий 4.01 — 5.0, при использовании менеджера памяти EMM386 (и его аналогов других разработчиков) операционная система MS-DOS работает как задача в виртуальном режиме. EMM386, в этом случае является подобием операционной системы защищенного режима (передавая большинство системных прерываний ядру MS-DOS в виртуальной задаче).

Режим виртуального 8086 поддерживается и в последующих 32-битных процессорах x86, вплоть до режима совместимости в x86-64.

Аппаратная отладка[править | править вики-текст]

Как и в предыдущих процессорах (начиная с 8086), отладка в i386 осуществляется вызовом отладочного прерывания, обработчик которого передает управление программе-отладчику. В предыдущих процессорах отладка могла быть вызвана двумя событиями:

  • пошаговое выполнение
  • программные точки останова

в i386 отладку также могут начать:

  • аппаратные точки останова
  • ловушка переключения задачи

Пошаговое выполнение[править | править вики-текст]

Пошаговое выполнение или трассировка (вызов отладочного прерывания после выполнения каждой команды при установленном флаге TF) в i386 осталось таким же как и в предыдущих процессорах, работая во всех новых режимах (32-битной адресации и режиме виртуальной задачи).

Точки останова[править | править вики-текст]

Точка останова (англ. breakpoint) — прерывание выполнения программы по достижении определенного адреса.

В ранних процессорах x86 для организации точки останова, было необходимо заменить первый байт команды на команду вызова отладочного прерывания (int 3), вызов прерывания возвращал управление отладчику, который возвращал исходное значение первого байта команды. Кроме всего, точки останова такого рода было невозможно устанавливать в ПЗУ. i386 поддерживает такие точки останова для совместимости.

Точки останова i386 определяются адресом в регистрах отладки. Обработчик отладки вызывается, если адрес следующей команды совпадает с адресом в регистре. В связи с тем, что такие точки останова не требуют записи в память, они могут использоваться для отладки программ в ПЗУ. i386 позволяет одновременно устанавливать до четырёх точек останова.

Точки останова i386, также могут быть установлены на обращение (чтение или запись) к переменной по заданному адресу в памяти. Процессор вызывает обработчик отладки при обращении команды к памяти по заданному адресу.

Ловушка переключения задачи[править | править вики-текст]

Отладочное прерывание может быть вызвано при переключении на задачу (для этого в сегменте состояния задачи предусмотрен специальный бит).

Другие изменения[править | править вики-текст]

Линии данных и адресов в процессоре 80386, как и в процессоре 80286, не мультиплексируются: имеется 32 линии данных и 32 независимых от них линии адреса.

Регистры[править | править вики-текст]

В составе микропроцессора имеются 8 32-битных регистров общего назначения (EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP). Младшая, 16-битная, половина каждого из этих регистров соответствует регистрам AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP в предыдущих процессорах семейства x86. Как и раньше возможна адресация младших и старших 8-битных половин, младшей 16-битной половины 32-разрядных регистров данных (AL и AH, BL и BH, CL и CH, DL и DH). Регистр указатель команды и регистр флагов также стали 32-битными (EIP и EFLAGS соответственно), причем в регистре флагов добавлены новая группа флажков. К 4-м 16-битным сегментным регистрам (ES, CS, SS, DS) прибавились ещё 2 16-битных регистра (FS и GS), теперь стало 6 сегментных регистров. Добавлены несколько новых групп регистров (каждый регистр размером 32 бит): 3 регистра управления (CR0 (MSW), CR2, CR3), 8 регистров отладки (DR0, DR1, DR2, DR3, DR6, DR7), 2 тестовых регистра (TR6, TR7).

Набор инструкций[править | править вики-текст]

Набор инструкций i386 был расширен, в основном, за счёт добавления 32-битных вариантов существующих инструкций (образованных 32-битными префиксами), включая те у которых 32-битные варианты имеют другие мнемоники (pushad/popad, pushfd/popfd, cwd*/cdq, movsd/cmpsd/scasd/lodsd/insd/outsd, iretd), а также команды mov для новых регистров. Другие новые инструкции:

  • установка байта по условию (set*)
  • команды переходов (jmp, j*) с относительным 16-битным смещением
  • команды загрузки полного адреса для новых сегментных регистров (lfs, lgs)

Средняя длина инструкций составляет 3,2 байта.

Математический сопроцессор[править | править вики-текст]

Так же, как и в случае связки 80286-80287, обмен данными процессора 80386 с его сопроцессором шёл через порты с адресами 0F0H-0FFH, и, в принципе, небольшим дополнением схемы можно было подключить сопроцессор 80287 к процессору 80386DX[3][4], это предлагалось в качестве дешёвой альтернативы использованию сопроцессора 80387.

Специально для микропроцессоров Intel 80386 были разработаны математические сопроцессоры 387SX и 387DX, объединяемые единым наименованием Intel 80387. Эти сопроцессоры совместимы с процессорами 386SX и 386DX соответственно; так, сопроцессор 387DX возможно подключить к 32-разрядной шине процессора. В остальном, обе модели аналогичны математическому сопроцессору 80287, который также можно использовать вместе с процессором 80386.

Модели[править | править вики-текст]

С 1985 года было выпущено множество модификаций процессора i386, отличающихся между собой производительностью, потребляемой мощностью, разъёмами и корпусами и прочими характеристиками.

386DX[править | править вики-текст]

Первый процессор семейства 386 выпущен 13 октября 1985 года и имел тактовую частоту 16 МГц. После выпуска процессоров 386SX процессоры этой серии получили индекс ‘’DX’’ — ‘’D’’ouble-word e’’X’’ternal, что указывало на его 32-разрядную внешнюю шину. Процессор позиционировался как производительное решение для настольных систем. Производился процессор по CHMOS IV технологии и потреблял 400 мА, что значительно меньше, чем Intel 8086. 16 февраля 1987 года анонсирована модель с частотой 20 МГц; 4 апреля 1988 года с частотой 25 МГц и 10 апреля 1989 года с частотой 33 МГц. Процессор выпускался в корпусах PQFP-132 (такие процессоры имели литеру «NG» в начале названия, например, NG80386DX25) или в керамическом PGA-132 (такие процессоры имели литеру «A» в начале названия, например, A80386DX25)

Первые процессоры 386DX имели ошибку, которая иногда приводила к неверным результатам при работе с 32-разрядными числами в таких программах, как OS/2 2.x, UNIX/386, или Windows в расширенном режиме. Ошибка приводила к тому, что система зависала. Вследствие некоторых проблем, в том числе из-за отсутствия 32-битных операционных систем устранить ошибку удалось лишь в апреле 1987 года. Уже вышедшие процессоры прошли проверку, в результате которой процессоры, не имеющие ошибку, были промаркированы двойным символом «сигма» и/или одним символом «IV».

386SX[править | править вики-текст]

Первая модель этого семейства была представлена 16 июня 1988 года и имела частоту 16 МГц, позже были представлены и более быстрые модели: 20 МГц (25 января 1989 года), 25 МГц и 33 МГц (оба процессора представлены 26 октября 1992 года). Процессоры позиционировались как решения для настольных ПК начального уровня и портативных ПК. Семейство SX отличалось от семейства DX тем, что у него разрядность внешней шины данных составляла 16 бит, а разрядность внешней шины адреса 24 бит. В результате чего процессор мог адресовать только 16 Мбайт физической памяти, что делало вычислительные системы построенные на его основе аппаратно совместимым со предыдущими процессорами Intel 80286. В то же время, процессор 386SX мог выполнять все программы, написанные для 386DX и это сделало его популярным для изготовления «Турбо-плат», например, Cumulus 386SX, Intel InBoard или Orchid Tiny Turbo.

В рамках серии SX были выпущены процессоры с маркировками 80386SXTA, 80386SXSA, 80386SXLP, которые представляли собой встраиваемые (embedded) процессоры (серия SXSA), процессоры низкого потребления (Low Power), а также использовались в других целях.

386SL[править | править вики-текст]

Первая модель этого семейства была представлена 15 октября 1990 года и имела частоту 20 МГц, позже была представлена модель 25 МГц (30 сентября 1991 года). Процессоры позиционировались как первые энергоэффективные микропроцессоры, специально предназначенные для портативных ПК. Семейство SL отличалось от семейства SX тем, что имело на кристалле также контроллер оперативной памяти, контроллер внешней кэш-памяти объёмом от 16 до 64Кбайт и контроллер шины.

386EX[править | править вики-текст]

Представляет собой модификацию процессора 386SX. Процессор предназначался для встраиваемых приложений с высокой интеграцией и малой потребляемой мощностью. Ключевые особенности этого процессора — низкое энергопотребление, пониженное напряжение питания, расположенные на кристалле контроллер прерываний, микросхема выбора чипа, счётчики и таймеры, логика тестирования JTAG. Эта серия процессоров имела несколько модификаций: EXSA, EXTA, EXTB, EXTC. Максимальный ток потребляемый процессорами составляет 320 мА для процессоров серии EXTC и 140 мА для процессоров серии EXTB.

Использовался на борту различных орбитальных спутников и микроспутников и в NASA-овском проекте FlightLinux.

Компьютеры на базе процессора Intel 80386[править | править вики-текст]

На основе микропроцессоров 80386 фирмой IBM были созданы персональные компьютеры IBM AT 386 (семейство PC) и IBM PS/2-80 (семейство PS/2). В первом применялась ОС PC-DOS, а во втором — OS/2.

Команда разработчиков[править | править вики-текст]

  • John Crawford, главный архитектор
  • Jim Slager, главный инженер
  • Patrick Gelsinger
  • Khaled El-Ayat
  • Riaz Haq
  • Gene Hill
  • Jan Wiliam L. Prak
  • David Vannier
  • Joseph «Chip» Krauskopf
  • Ken Shoemaker
  • Paul Ries
  • Saurabha Radhika

Технические характеристики различных моделей[править | править вики-текст]

Данные, относящиеся ко всем моделям[править | править вики-текст]

Характерисика, параметр 386DX 386SX 386SL 386EX
Дата анонса первой модели 13 октября 1985 года 16 июня 1988 года 15 октября 1990 года август 1994 года
Тактовые частоты (МГц) 16, 20, 25, 33, 40 12(серия SXSA), 16, 20, 25, 33, 40(серии SXSA и SXTA) 20, 25 16, 20, 25, 33 (возможно существовали и другие модели)
Разрядность внешней шины данных 32 бит 16 бит 16 бит 16 бит
Разрядность внешней шины адреса 32 бит 24 бит 24 бит 26 бит
Объём физической адресуемой памяти 4 ГБ 16 Мбайт 16 Мбайт[источник не указан 1706 дней] 64 Мбайт (для серий EXTB, EXTC)
Напряжение питания, вольт 5 5 5 2,7~3,6 В (серия EXTB)
4,5~5,5В (серия EXTC)
Количество транзисторов 275 000 275 000 855 000 275 000
Техпроцесс (нм) 1500 и 1000 (модель 33 МГц) 1500 и 1000 1000 800
Площадь кристалла 42 мм² (для модели 33 МГц) Нет данных Нет данных Нет данных
Максимально потребляемый ток 0,39 А (модель 33 МГц) 0,38 А (модель 33 МГц) Нет данных Нет данных
Максимально потребляемая мощность, Вт 1,95 (модель 33 МГц) 1,9 (модель 33 МГц) Нет данных Нет данных
Разъём Гнездо типа «Socket» или припаивался к плате Процессор припаивался к плате Процессор припаивался к плате Процессор припаивался к плате
Корпус 132-контактный керамический PGA, или 132-контактный PQFP 100-контактный PQFP 196-контактный PQFP 132-контактный PQFP, 144-контактный TQFP
Набор инструкций x86 (150 инструкций, не считая модификаций) x86 (150 инструкций, не считая модификаций) x86 x86

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Intel cashes in ancient chips (англ.). Проверено 10 апреля 2010. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011.
  2. Product Change Notification #106013 - 00
  3. краткое описание 80287 на cadcenter
  4. BootPrompt-HOWTO в Linux: «Параметр загрузки ядра 'no387': В некоторых сопроцессорах i387 есть ошибки, вылезающие в 32-битовом защищенном режиме. Например, некоторые ранние чипы ULSI-387 вызывают жесткое зависание при вычислениях с плавающей запятой, очевидно из-за ошибки в командах FRSAV/FRRESTOR. Параметр загрузки `no387' позволяет Linux игнорировать мат. сопроцессор, даже если он имеется. Конечно, у вас тогда должно быть ядро с поддержкой математической эмуляции. Это может быть также полезным, если у вас действительно одна из старых 386 машин с 80287 FPU, так как Linux не может использовать 80287.»; оригинал на английском
  5. Intel 80386 - www.lycos.com (англ.). Проверено 10 апреля 2010. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011.

Ссылки[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Intel 80386 Programmer's Reference Manual
  • Intel 80387 Programmer's Reference Manual (1987 год)