Intel-Prozessoren - der i80486 Text zum Verständnis: mc-modular 486-Mega Station |
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... aus heutiger Sicht - wir schreiben justament den 18. November 2013 - ist das nachfolgende in der Beschreibung seines Geschwindigkeitsrausches fast ein wenig naiv - klingt zumindest so. Wichtig für uns "Gegenwärtige" ist es, sich klar zu machen, das auch unsere modernen Prozessoren nach grundlegend immer noch diesem Prinzip arbeiten - eigentlich sogar ganz genau so. Die einzigen Kenngrößen, welche sich verändert haben sind: die Taktfrequenz (gut diese nicht ganz unwesentlich - wir haben hier im "High End-Fall" von 40 MHz gesprochen - das sind heute GHz, die BUS-Breite ist von vormals 32 auf physische 128 Bit gestiegen, Cache sowie Zugriffspunkte zu den "Bridges" sind verbessert worden. Aber noch immer haben wir eigentlich den alten Computer von Zuse sowie den von John von Neumann (... ist auch nicht abzusehen, dass wir das demnächst ändern werden!!!). Der "486" ist auch heute noch die Architektur, von welcher irgend welch Zukunftsbestrebungen in Sachen "Intel-Prozessoren" abgeleitet werden ... | ||||||||
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1. 486-Technologie für Anspruchsvolle 2. Architektur des i486-Prozessors 3. Der Registersatz 4. Verwandte Themen |
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1. 486-Technologie für Anspruchsvolle ... |
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Wir schreiben das Jahr 1990 - die Entwicklung der PC-Klassen verläuft rasant. Und dennoch ist sie zu einem gewissen Abschlug gekommen: Die 386er-Architektur ist heute der Standard - wenn ein PC viel Power haben soll. Innerhalb dieser Klasse ist der 486er wiederum die absolute Spitze, was seinen Integrationsgrad und sein Programmiermodell betrifft. Für alle, die modernste PC-Technologie kennenlernen wollen (oder müssen) hier der Auftakt einer Serie, die auch dann Gewinn bringt, wenn man noch keinen 486er besitzt. |
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... von der Benchmark-Front werden die unglaublichsten Ergebnisse vermeldet, wenn 486er getestet werden. Landmark signalisiert Lichtgeschwindigkeit und Dhry- oder Whetstones zeigen Großcomputerwerte. So steht es in den Magazinen und Gazetten. Also ist es Zeit, die Dinge genau zu betrachten. Der 486er ist, was die Chip-Technologie bei Intel betrifft, ein großer Sprung nach vorn. Die PC-Industrie macht diesen Innovationssprung mit, denn der 486er ist als Softwareplattform im wesentlichen ein 386er mit raffinierten Ergänzungen. mc zeigt, was anspruchsvolle Computerleute an Technik erwartet, falls sie noch keinen 486er besitzen - oder wie sie den 486er besser verstehen und nutzen können, falls sie schon in der glücklichen Lage sind, konkret an einem solchen PC zu arbeiten. Auch, wer nie einen 486er besitzen möchte, muss wissen, wie PC-Spitzenmodelle funktionieren - schon allein um mitreden zu können. mc hat deshalb ein 486er-Board ausgesucht, das in die mc-modular-Linie paßt, damit die 486er-Technologie am konkreten Beispiel studiert werden kann. Denn nur am konkreten Design können Einzelheiten diskutiert werden, die später in der Praxis eine große Rolle spielen. |
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Modulares 486-Motherboard
Bild 1. Der interne Aufbau des i486 Den 1486 hat Intel im November 1989 vorgestellt. Dieser Prozessor besteht im
Prinzip aus einem kompletten 80386Prozessor, dem 80387-Fließkomma-Prozessor
sowie dem 82385 Cache-Controller. Hier wurden nicht nur alle Vorteile der
80386-Serie in einen einzigen Baustein implementiert, der Leistungsumfang konnte
durch zusätzliche Befehle darüber hinaus noch erhöht werden. Was das heißt, das
wird im Laufe der Serie klar werden. Rund um diesen Chip haben viele Firmen eine
CPU aufgebaut. Wir bei mc
haben uns für ein Design entschieden, das schnellen Hauptspeicher auf der
Prozessorplatine enthält und deshalb intern wirklich mit Power arbeiten kann.
Über einen passiven Bus werden die Peripherie-Karten bedient. Neben dem
Hauptspeicher sind auch der Festplatten-Controller und der Grafik-Controller für
höchsten Datendurchsatz konzipiert. Dieses System, die
mc-modular-486-MegaStation,
soll ihren Namen auch in Zukunft zu Recht tragen. Deshalb wurde das bewährte
modular-Konzept gewählt. Hier in unserem System wird das modular-486-Motherboard
als Zentralrechner eingesetzt. Der interne Cache des i486 bewirkt sehr schnelle
Verarbeitungszeit, da einmal aus dem Speicher gelesene Daten sofort in den Cache
übernommen werden und weitere Speicherzugriffe danach aus dem Cache-Speicher
bedient werden. Der i486 stellt dazu 8 KByte Cache-Speicher zur Verfügung. Auf
dem Motherboard der Mega-Station stehen 8 Megabyte Hauptspeicher zur Verfügung. |
2. Architektur des i486-Prozessors |
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Der 1486 vereinigt die komplette
Speicherverwaltungs-Einheit (MMU), den Fließkomma-Arithmetik-Prozessor (FPU)
sowie einen Cache-Controller der 386er-Linie (Bild 1). Der 1486 beinhaltet
alle Eigenschaften des 386-Prozessors, jedoch sind Erweiterungen eingebaut,
die eine deutliche Leistungssteigerung gegenüber dem 386 bewirken. Der
Befehlssatz des 1486 beinhaltet neben zusätzlichen Anweisungen den gesamten
Befehlssatz des 386. Die MMU ist voll kompatibel zu der des 386 Prozessors.
Der integrierte Gleitkomma-Prozessor entspricht dem 80387. Das heißt, alle
für den 386/ 387 und frühere Prozessoren aus der 80x86/80x87-Familie
geschriebene Software läuft ohne Änderungen auf dem.i486. Verschiedene
Erweiterungen wurden zur Leistungssteigerung direkt in den Prozessor
integriert. So erlaubt der Cache-Speicher häufig benutzte Daten direkt in der CPU zu halten und damit die Speicherzugriffe über den externen Bus zu reduzieren. Um Ausführungszeiten zu verringern, wurden RISC- (=Reduced Instruction Set Computers) Design-Techniken verwendet. Durch einen internen Burst-BUS kann der CacheSpeicher schneller bedient werden. Alle diese Eigenschaften kombiniert sorgen dafür, dass die Leistung des 1486 weit höher ist als die des 80386. Die Speicherverwaltungseinheit besteht aus Segmentiereinheit und Paging Unit. Bei der Segmentierung kann die Verwaltung des logischen Adressbereiches durch Verschieben von Programm- und Datenbereichen beliebig aufgeteilt werden. Der Paging-Mechanismus arbeitet mit Segmentierung und ist auch transparent zum Segmentierungsprozeß. Das Paging kann über Software abgeschaltet werden. Jedes Segment kann in einen oder mehrere 4 KByte große Blöcke aufgeteilt werden. Der Speicher ist in einem oder mehreren Segmenten von variabler Länge organisiert, wobei jedes Segment bis zu 2 hoch 32 Byte (= 4 Gigabyte) betragen kann. Einem Segment können Attribute zugeordnet werden, die dessen Lage im Speicher, die Größe, die Art (Stack, Code, Daten) sowie die Schutzcharakteristika kennzeichnen. Jede Task auf dem 1486 darf maximal 16 381 Segmente beinhalten, jedes bis zu 4 Gigabyte groß. Damit stehen jeder Task rein rechnerisch 64 Terabyte (!) zur Verfügung. Die Segmentiereinheit unterstützt vier Mechanismen zum Schutz von Anwendungen und Betriebssystemen gegeneinander. So können. höchst sichere Systeme gestaltet werden. |
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Der 1486 Prozessor besitzt zwei Betriebsarten: den Real Mode (8086-Modus) und
den Protected Mode (Schutzmodus). Im Real Mode verhält sich der 1486 wie ein
sehr schneller 8086. Vom Real Mode aus kann der Prozessor in den Protected Mode
geschaltet werden. Im Protected Mode kann auf die anspruchsvolleren
Möglichkeiten der Speicherverwaltung zugegriffen werden. Innerhalb des Protected
Mode kann im Programm von einer Task auf eine andere Task, die als virtuelle
8086-Mode-Task arbeitet, umgeschaltet werden. Jede virtuelle 8086-Task verhält
sich nach den Regeln des 8086, somit können dort Anwendungen ausgeführt werden
oder sogar ganze Betriebssysteme ablaufen. Die Fließkomma-Einheit des 1486 arbeitet parallel zur ALU und unterstützt eine Vielzahl von arithmetischen Befehlen für verschiedene numerische Datentypen. Zahlreiche transzendente Funktionen wie z.B. Sinus, Cosinus, Tangens und Logarithmus sind integriert. Die FPU unterstützt den ANSI/IEEE 754-1985 Standard für Gleitkomma-Arithmetik. Der Cache-Speicher beträgt 8 KByte. Er ist als 4-Wege Assoziativspeicher aufgebaut und arbeitet nach dem so genannten 'writethrough' Verfahren. Dieser Cache beinhaltet einige Besonderheiten, um größere Flexiblität bei der Gestaltung des externen Speichers zu gewährleisten. So können Pages individuell als 'cachebar' oder 'nicht cachebar' durch Software oder auch durch Hardware gekennzeichnet werden. Ebenfalls kann der Cache über Software oder Hardware an- oder abgeschaltet werden. |
3. Der Registersatz |
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Der 1486 Registersatz umfasst alle Register des
80386 und des 80387 Coprozessors und damit auch die aller Vorgängertypen vom
8086 an. Dieser Registersatz kann in drei Teilbereiche aufgegliedert werden: Die Basis-Register
Die System Level Register - Control Register
Debug und Test Register |
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Flags Register Unter den Basis-Registern dient dieses 32-Bit-Status-Register mit der Bezeichnung EFLAGS (Bild 3) zur Darstellung verschiedenster Zustände des Prozessors, aus welchen weitere Handlungen abgeleitet werden. Ebenfalls beinhaltet EFLAGS die Statusbits, die das Ergebnis aus. Befehlsoperationen kennzeichnen. Die unteren 16 Bit von EFLAGS entsprechen dem 16-Bit Register FLAGS des 8086/80286. Der Kasten rechts zeigt die Bedeutung dieser Bits. Bild 6. Register CR2 und 3. Die mit 0 gekennzeichneten Bit sind für Intel reserviert |
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Segment Register
Von den sechs Segmentregistern aus Bild 2 sind vier schon vom 8086 her bekannt.
Sie sind jeweils 16 Bit breit. In ihnen stehen aber beim 486er (und 386er) so
genannte Selektoren, die auf Tabelleneinträge (in den Descriptortabellen) im
Hauptspeicher verweisen, die Beschreibungseinträge enthalten (sogenannte
Descriptoren), die beschreiben welches Speichersegment ein Programm wie benutzen
kann. Im geschützten Modus kann ein Speichersegment jede beliebige Größe
zwischen einem Byte und dem gesamten adressierbaren Bereich des Prozessors (4
Gigabyte) besitzen. Der Verweis wird anhand der oben schon genannten
Descriptortabellen von der Hardware automatisch und ohne Zutun des
Programmierers gebildet, sobald das System korrekt initialisiert wurde. Im Real
Mode beschränkt sich die maximale Segmentgröße auf 64 KByte. Außerdem zeigen die
Inhalte der Segmentregister hier immer auf die konkrete Speicheradresse im
physikalischen Speicher, die entsteht, wenn man den Inhalt des Segmentregisters
mit 16 (10 H) multipliziert. |
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System Level Register Der 1486 besitzt drei Kontrollregister CR0, CR2 und CR3 (das Register CR1 wurde von Intel für spätere Erweiterungen als reserviert angegeben). Diese Register sind für den Status der CPU, der Speicherverwaltung, des Cache und der FPU kennzeichnend. |
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Control Register 0 Dieses Steuerregister (Bild 5) enthält 10 Bit für Steuer- und Statuszwecke. Fünf dieser Bits sind neu gegenüber dem 80386 - und zwar CD, NW, AM, WP und NE. Die Funktion dieser Bits lautet:
Die unteren 16 Bit von CR0 (Bild 5) sind auch als Machine Status Word (MSW)
definiert, um kompatibel zum geschützten Modus des 80286 zu bleiben. LMSW und
SMSW (Load and Store MSWI Anweisungen greifen nur auf die unteren 16 Bit von CR0
zu und ignorieren die neuen Bits. Um auf die oberen Bits zugreifen zu können,
den GDT-Basis und IDT-Basis als lineare 32Bit Adresse festgelegt. |
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Fließkomma Register
Bild 7 zeigt den Fließkomma-Registersatz. Dieser besteht aus acht
Datenregistern, einem Tag Word, einem Kontrollregister, einem Befehlszähler und
einem Datenzeiger. Die Arbeitsweise der FPU entspricht vollkommen der des
80387-Coprozessors. Programme, die für den 80387 geschrieben sind, laufen ohne
Änderung auch auf dem i486. Die Einzelheiten zur FP-Unit im i486 werden später
besprochen. |
4. Verwandte Themen |
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Logik ist ja nun ein weites Feld und besetzt damit auch einen weiten Bereich innerhalb der Technischen Informatik. Dem muss ja nun auch irgendwie Rechnung getragen werden - dies nun soll durch einige Querverweise geschehen. | ||||||||||||||||||
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© Samuel-von-Pufendorf-Gymnasium Flöha | © Frank Rost am 17. November 2013 um 20.10 Uhr |
... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-) „Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“ Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist |
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