На осенней выставке Comdex в 1989 году фирма Intel впервые анонсировала микропроцессор 486DX, который содержал более 1,2 млн. транзисторов на одном кристалле и был полностью совместим с процессорами ряда х86. Новая микросхема впервые объединила на одном чипе такие устройства, как центральный процессор, математический сопроцессор и кэш-память.
Микропроцессор i80486SX, представленный в 1991 году, подобно оригинальному i80486DX содержит на кристалле кэш-контроллер и кэш-память, а вот математический сопроцессор у него заблокирован. Исключение затрат на тестирование сопроцессора позволило фирме Intel существенно снизить цены на новый микропроцессор. Для микропроцессоров семейства i80486 допускается адресация физической памяти размером 4 Гбайта (32 разряда адреса) и виртуальной памяти размером 64 Тбайта.
Для портативных компьютеров в 1990 году фирмой Intel был разработан микропроцессор i80386SL, который содержал примерно 855 тысяч транзисторов. Данный микропроцессор представляет собой интегрированный вариант микропроцессора i80386SX, базовая архитектура которого дополнена еще несколькими вспомогательными контроллерами. Все компоненты, необходимые для построения портативного компьютера, сосредоточены в двух микросхемах: микропроцессоре i80386SL и периферийном контроллере i82360SL. В набор i80386SL впервые введено новое прерывание, называемое System Management Interrupt (SMI), которое может быть использовано, например, для управления потребляемой мощностью.
Микросхема i80486SL, анонсированная в 1992 году, объединяет характерные черты двух представителей процессорных семейств Intel: i80486DX и i80386SL. По производительности новый процессор не уступает i80486DX, но благодаря пониженному напряжению питания (3,3 В) и развитой технологии управления энергопотреблением (как в i80386SL) он может эффективно использоваться в портативных компьютерах.
Микропроцессоры с умножением частоты
В 1992 году фирма Intel объявила о создании второго поколения микропроцессоров 486, названных i80486DX2(SX2). Скорость работы их внутренних блоков была в 2 раза выше скорости остальной части системы. Тем самым появилась возможность объединения высокой производительности микропроцессора с внутренней тактовой частотой 50/66 МГц и эффективной по стоимости 25/33 МГц системной платы. Одновременно с процессорами DX2 были выпущены процессоры OverDrive, предназначенные для замены устаревших процессоров. Основное различие между процессорами серии DX2 и OverDrive Intel DX2 состоит в том, что первые монтируются на системных платах еще при сборке компьютеров, а вторые могут устанавливаться самими пользователями. Внутренние функциональные узлы подобных микросхем (математический сопроцессор, кэш, устройство управления памятью, арифметико-логическое устройство) используют удвоенную тактовую частоту, в то время как остальные элементы системной платы (системная и внешняя кэш-память, вспомогательные микросхемы) работают с обычной скоростью.
Умножение тактовой частоты (не только в два, но и, например, в полтора, два с половиной или три раза) с тех пор находит широкое применение практически во всех известных процессорах. Так, после DX2 фирма Intel выпустила серию микропроцессоров с умножением частоты в три раза — DX4.
До недавнего времени математический сопроцессор, называемый также арифметическим сопроцессором, представлял собой специализированную интегральную схему, работавшую во взаимодействии с центральным микропроцессором. Данная микросхема была предназначена только для выполнения математических операций с плавающей точкой. Во всех микропроцессорах Intel от 486DX и выше сопроцессор интегрирован на кристалл основного процессора.
Математический сопроцессор необходим при работе с векторной графикой (особенно трехмерной), электронными таблицами, пакетами САПР, специальными математическими пакетами и т. п. При работе же с базами данных или обычными текстовыми редакторами использование сопроцессора не дает ощутимых результатов. Он бесполезен и при работе с сетевыми операционными системами.
Первым математическим сопроцессором для персональных компьютеров IBM был i8087 компании Intel. Далее последовали i80287, i80387, i487SX. Клоны сопроцессоров Intel выпускали такие фирмы, как ULSI, AMD, Cyrix (Texas Instruments), IIT, Chips&Technologies. Кроме того, фирмой Weitek выпускались сопроцессоры, программно не совместимые с продукцией Intel.
Начиная с процессоров пятого поколения (за исключением быстро исчезнувших с рынка NexGen Nx586), сопроцессор стал стандартным компонентом ядра процессора, и поэтому в настоящее время сопроцессоры общего назначения не выпускаются.
Среди путей повышения вычислительной мощности системы наиболее простой заключается в замене базового микропроцессора. Для этой цели предназначены процессоры OverDrive компании Intel, использующие технологию процессоров DX2, DX4 (см. Семейство МП х88/х86), Pentium и Pentium II. Процессоры OverDrive могут различаться математическим сопроцессором (SX или DX), реализацией встроенной кэш-памяти (сквозная или обратная запись), коэффициентами умножения частоты, напряжением питания, возможностью управления энергосбережением. Помимо компании Intel процессорные модули аналогичного назначения выпускает ряд фирм (например, Kingston Technology).
Обычно гнездо для установки процессора (Socket) на материнских платах для 486, Pentium и Pentium Pro конструктивно выполнено так, что позволяет удалять корпус микросхемы при помощи специального рычажка практически без усилий, отсюда и его название — ZIF (Zero Insertion Force). Для компьютеров, основанных на микропроцессоре i486SX, OverDrive-процессор может быть установлен либо в специальное гнездо OverDrive (возможно, ZIF), либо в гнездо, предназначенное для сопроцессора i487SX. Если оба эти гнезда отсутствуют, то для установки OverDrive надо использовать гнездо основного микропроцессора (предварительно удалив старый). Замена i486DX выполняется либо через гнездо OverDrive, либо через гнездо основного микропроцессора (см. Как установить процессор Pentium?). Системные платы на базе микропроцессоров i486DX2 могут иметь гнездо для процессоров OverDrive типа Pentium.
В настоящее время существует несколько типов гнезд OverDrive, отличающихся по количеству контактов и цвету ZIF. Для получения информации относительно способности компьютера поддерживать определенный процессор OverDrive следует обратиться к местному дилеру, изучить описание материнской платы компьютера или воспользоваться руководством «Intel OverDrive Processor Upgrade Guide», содержащим соответствующие данные по тысячам различных моделей.
Одним из новейших процессоров семейства Intel OverDrive является Pentium II OverDrive, предназначенный для замены Pentium Pro. Его можно устанавливать в системы Socket 8, заменяя процессоры Pentium Pro с частотами 150, 166, 180 и 200 МГц. При этом частота работы Pentium II OverDrive составляет 300 (для 150 и 180) и 333 (для 166 и 200) МГц. В Pentium II OverDrive использовано ядро процессора Pentium II Xeon, кэш-память второго уровня работает на частоте процессора, благодаря чему производительность модернизируемых систем увеличивается более чем на 40%.
Тем не менее, модернизация путем замены процессора в настоящее время оказывается все менее и менее эффективной. Во-первых, стоимость OverDrive, как правило, превышает совокупную стоимость нового процессора и материнской платы, а во-вторых, установка быстрого процессора на материнскую плату с устаревшей памятью и медленными контроллерами и напоминает установку дизельного двигателя на «Запорожец» — почти вся производительность мощного процессора будет расходоваться вхолостую во время ожидания отклика от более медленных компонентов.
В 1993 году фирма Intel объявила о начале промышленных поставок процессора Pentium с тактовой частотой 66 и 60 МГц. Системы, построенные на базе Pentium, полностью совместимы с персональными компьютерами, использующими микропроцессоры i8088, i80286, i80386, i80486 (см. Семейство МП х88/х86). Новая микросхема содержала около 3,1 млн. транзисторов и имела 32-разрядную адресную и 64-разрядную внешнюю шину данных.
Архитектура Pentium содержит два арифметико-логических устройства, благодаря чему две команды могут быть выполнены за один такт синхронизации. Pentium имеет также два раздельных кэша по 8 Кбайт: один для команд, другой — для данных. Pentium является первым массовым процессором Intel с суперскалярной архитектурой и динамическим предсказанием переходов в исполняемых программах. При разработке Pentium была существенно повышена производительность модуля вычислений с плавающей запятой, добавлена аппаратная поддержка самотестирования, текущего контроля производительности и расширенной отладки. Благодаря встроенному в Pentium контроллеру прерываний многопроцессорных систем получили распространение двухпроцессорные серверы и рабочие станции на его основе.
Pentium с тактовой частотой 66 МГц имеет производительность около 112 MIPS. Так как методика определения MIPS сильно зависит от особенностей архитектуры процессора и не всегда отражает реальную производительность, с 1992 года для оценки производительности процессоров стали применять интегральные тесты, разработанные некоммерческой ассоциацией SPEC — SPEC92, а затем SPEC95. SPEC95 состоит из двух наборов тестов: CINT95 — для измерения производительности при выполнении целочисленных операций и CFP95 — для измерения производительности при выполнении операций с плавающей точкой. Из входящих в SPEC95 параметров чаще всего применяют два: SPECint95 — среднее геометрическое нормализованных результатов выполнения восьми написанных на языке Си тестовых программ с интенсивным использованием целочисленной арифметики, откомпилированных с глубокой оптимизацией; SPECfp95 — среднее геометрическое нормализованных результатов выполнения десяти написанных на языке FORTRAN тестовых программ с интенсивным использованием операций с плавающей точкой, откомпилированных с глубокой оптимизацией.