Evoluzione dei processori Intel

Evoluzione dei processori Intel
Nome:
Intel 8086
Data:
Inizio fabbricazione nel 1978
Descrizione:
Intel 8086
L'intel 8086 si può definire il primo vero processore(Cpu) per personal computer.
Ha una frequenza standard di 8Mhz(4,7Mhz per la versione economica chiamata
'8088' ,10Mhz per la versione finale).Conteneva 14 registri con una grandezza di 16
Bit ciascuno. Ha un Bus Dati a 16 Bit e Bus Indirizzi a 20 Bit(Riusciva ad
indirizzare un massimo di 1Mb di memoria Ram). Ha 40 pin per il collegamento al
Socket. Conteneva un set di 70 istruzioni di base(Operazioni
aritmetiche,logiche,istruzioni di salto) e utilizzava un Co-Processore matematico
(8087) per eseguire calcoli con le operazioni in virgola mobile.
I Registri erano divisi in:
-Registri generali (AX,BX,CX,DX) utilizzati per varie funzioni. Potevano essere
divisi in due sotto-registri da 8 bit ciascuno(AH,BH,CH,DH e AL,BL,CL,DL)
-Registri di segmento (CS,DS,SS,ES), contenenti gli indirizzi dei vari segmenti(a
64KB).(Code segment, Data segment, Stack segment, Extra segment).
-IP (ovvero Istruction pointer) è un 'program counter' che fornisce l'indirizzo
dell'istruzione successiva.
-Registri di indice (SI,DI) utilizzati per la formazione degli indirzzi.
-Registri puntatori allo Stack usati per gestire la memoria stack.
-Registro dei flag, contiene le informazione relative al programma in esecuzione.
L'8086 è suddiviso in due unità distinte: la EU (Execution Unit) per decodificare ed
eseguire le istruzioni e la BIU (Bus Interface Unit) per caricare le istruzioni
dall'esterno che verranno passate alla EU.
Mentre la EU esegue un'istruzione la BIU puo caricarne un'altra mettendola nella
Coda Prefetch(una memoria di 6 byte usata per velocizzare le operazioni di
esecuzione) dove la EU in seguito potrà prelevarle direttamente. Se si incontrano
delle istruzioni di salto la coda prefetch deve essere svuotata e il caricamento
anticipato delle istruzioni risulta inutile ma non è uno spreco di tempo perchè mentre
la EU lavora la BIU rimarrebbe senza far niente.Il processore 8086 esegue istruzioni
di lunghezza diversa, quindi è di architettura CISC. Ogni istruzione viene realizzata
con un insieme di operazioni elementari predefinite che corrispondono agli accessi
in memoria del processore. Le operazioni elementari sono chiamate cicli macchina,
ogni istruzione ha bisogno di un TOT cicli macchina per essere eseguite. Ogni ciclo
macchina richiede un numero ben preciso di periodi di clock.
Il set di istruzioni dell'8086 esegue solo operazioni matematiche con numeri interi,
le operazioni su numeri con la virgola (floating point) sono implementate da routine
software, però è anche possibile eseguirle più velocemente per via hardware
utilizzando il co-processore 8087. L'8087 è un processore ausiliario programmato
per l'esecuzioni di operazioni con la virgola. L'8086 può essere usato in due
configurazioni: nel modo minimo dove utilizza un solo processore e nel modo
massimo con più processori. L'8087 è collegato al'8086 tramite un pin che stabilisce
la configurazione desiderata.
Nome:
Intel 80286 ( o i286)
Data:
Inizio fabbricazione nel 1982
Descrizione:
Intel 286
L'intel 286 è il processore successivo all' 8086. E' molto avanzato rispetto al suo
predecessore. Ha Registri e Bus Dati a 16 Bit (come l'8086), ma ha un Bus Indirizzi
a 24 Bit (20Bit per l'8086) che gli permette di indirizzare fino a 16Mb di memoria
Ram (anche se pochi computer superarono più di 1 Mb di Ram).Per il calcolo con i
numeri floating usa il co-processore 287 (80287). Per mantenere la compatibilità
con i programmi creati per l'intel 8086 utilizza due modalità. La modalità protetta
dove utilizza tutti i 16 Mb di Ram e che non permette il funzionamento dei
programmi dell'8086 e la modalità reale dove utilizza solo 1Mb di Ram per
mantenere la compatibilità dei programmi dell'8086.
L’introduzione dell’80286 nel 1982 significò un vero salto da un punto di vista
tecnologico perché con i suoi 134.000 transistor raggiungeva frequenze tra 6 e 25
Mhz. Grazie alla sua capacità di gestire 16 MB di Ram rese anche possibile
l’apparizione delle prime interfacce grafiche (Windows 2.0 e 2.1).
Nome:
Intel 80386 (o i386)
Data:
Inizio fabbricazione nel 1985
Descrizione:
Intel 386 a 25 Mhz
L'intel 386 è uno dei successori dell'8086. E' il primo processore a funzionare con
registri a 32 Bit. Ha Registri,Bus Dati e Bus Indirizzi a 32 Bit. Grazie al Bus
Indirizzi a 32 Bit è capace di indirizzare e gestire fino a 4 GB di memoria
Ram(anche se non esisteva ancora la tecnologia per avere 4 GB di Ram) e sfrutta il
sistema a paginazione. Per il calcolo con numeri floating usa il co-processore 387.E'
pienamente compatibile con i programmi scritti per i suoi predecessori utilizzando la
modalità virtuale dove emula le funzioni dell'intel 8086.Utilizzava l'architettura
CISC e aveva un frequenza che andava da 16 a 40Mhz. Grazie alla sua potenza di
calcolo permetteva l'utilizzo di un vero e prorpio sistema operativo come Windows
3.0 o Windows 3.1.
Nome:
Intel 80486 (o i486)
Data:
Inizio fabbricazione nel 1989
Descrizione:
Intel 486 a 33Mhz
Con l'introduzione del primo Intel 80486 un piccola porzione di cache venne
inserita all'interno dei microcircuti nel nucleo (core) del processore, il quantitativo
era limitato a soli 8 Kbyte ma, essendo la cache integrata il doppio più veloce di
quella esterna su scheda madre, gli 8 Kb erano sufficienti a far ottenere un raddoppio
netto delle prestazioni rispetto al 386. Grazie ad un nuovo algoritmo questa piccola
cache integrata non solo immagazzina i dati impiegati più di recente come le cache
Sram su scheda madre ma anticipa anche gli accessi del processore importando una
certa quantità di dati dalla memoria di sistema anche quando gli stessi non sono al
momento richiesti dal software. Questa funzione, detta Read-Ahead (lettura
anticipata), rende disponibili al processore anche una certa quantità di dati che, con
elevata probabilità, verranno poi effettivamente richiesti dall’applicativo.
La maggiore efficienza computazionale del 486 derivava quindi da tre fattori
fondamentali:
• Maggiore integrazione dei microcircuiti (a 1 micron) che ha permesso di
elevarne la frequenza operativa in Mhz.
• Memoria cache integrata da 8 Kbyte a quattro vie con algoritmo ReadAhead.
• Integrazione nel nucleo dell’elettronica del coprocessore matematico 80387
che era invece prima disponibile solo su un chip esterno.
Questi tre aspetti costruttivi del 486 hanno fatto si che il nucleo di questo processore
arrivasse ad integrare ben 1.200.000 transistor con un raddoppio delle prestazioni
della unità Alu e la triplicazione della potenza di calcolo della unità Fpu. Tale gap
prestazionale nel calcolo dei numeri in vigola mobile rispetto alla accoppiata
386+387 è dovuta in parte alla memoria di transito ad alta velocità da 8 Kbyte
integrata ma soprattutto alla riduzione delle distanze circuitali tra i vari elementi. In
elettronica il segnale deve seguire percorsi più brevi possibile per limitare al
massimo sia le interferenze elettromagnetiche che le dispersioni del segnale stesso.
Raggruppare i tre componenti ed integrarli sullo stesso quadratino di silicio ha
quindi ridotto la lunghezza delle connessioni all’ordine dei millesimi di millimetro
contro gli svariati centimetri di rame che è necessario stendere su un circuito
stampato per unire i tre componenti (Alu, Fpu e Cache) a sé stanti.
I primi esemplari del 486 presentati nel 1989 funzionavano con una frequenza di 25
Mhz e sono in seguito passati ai 33 Mhz. Il 486 Sx era invece una versione
economica privata del coprocessore matematico 80387 integrato.
Quando Intel ha però introdotto il modello 486 Dx a 50 Mhz i produttori di schede
madri fecero notare che una frequenza così elevata (per l’epoca) poteva introdurre
disturbi di segnale e correnti parassite sulle piste delle schede madri. Di conseguenza
intel produsse il processore 486 Dx2 il quale per via di un moltiplicatore interno 2x
(leggi “2 per”) poteva andare a 66 Mhz pur funzionando su un bus di sistema a 33
Mhz. In seguito venne introdotto il 486 Dx4 a 100 Mhz con moltiplicatore interno
3x (33.3x3=100). La tecnica del moltiplicatore interno è stata portata all’estremo
negli attuali processori e nel Pentium 4 in particolare. Avrete dunque capito che ad
impostare la frequenza in Mhz del processore è un apposito circuito presente sulla
scheda madre. Questo circuito detto “clock generator” è un oscillatore al quarzo che
genera la frequenza di bus di sistema, frequenza dalla quale poi si ricavano, tramite
moltiplicatori o divisori quella del processore e di tutti gli altri componenti
(Memoria Ram, bus Pci e Agp ecc.). L’indice di prestazioni Norton Si variava dai 54
per il 486 a 25 Mhz ai 290 per il 486 a 133 Mhz di Amd.
Nome:
Intel Pentium
Data:
Inizio fabbricazione nel 1993
Descrizione:
Intel Pentium a 60 Mhz
Con questa Cpu l'intel cambia il modo di chiamare i suoi processori per evitare la
legge che vietava di usare un numero come nome di un prodotto.
L'intel Pentium ha registri a 32 Bit, Bus Dati a 64 Bit, Bus Indirizzi a 32 Bit, e una
memoria cache da 16Kb divisa in 8Kb per il codice e 8Kb per le istruzioni.
E' molto più veloce dei processori precedenti per vari motivi, il primo è perchè ha un
Bus Dati a 64 Bit che permette di trasportare un'elevata quantità di informazioni e
anche perchè può eseguire più istruzioni per ciclo di clock, infatti grazie a questa
caratteristica questo processore da inizio ad una tipologia di processori superscalari,
cioè che possono eseguire più operazioni per ciclo di clock. Con questo processore
inizia anche il supporto per le prime istruzioni MMX istruzioni utilizzate per
migliorare le prestazioni di applicazioni multimediali persino del 40% in più.
Introduceva anche la funzione CPUID cioè che era possibile riconoscere il
processore tramite il Software.
Questo processore utilizzava una caratteristica dell'architettura RISC, aveva una
frequenza che andava da 60 Mhz fino a più di 200 Mhz. Si scoprì in seguito il
Pentium FDIV bug nelle versione che andavano dai 60 fino ai 120 Mhz che
presentavano un problema nell'unità per il calcolo in virgola mobile che, in casi rari,
riduceva la precisione delle operazioni di divisione. Questo bug scoperto nel'1994
fu causa di grande imbarazzo per Intel, che iniziò una campagna di richiamo per
sostituire i processori difettosi costata circa 450 milioni di dollari.
Nome:
Intel Pentium Pro
Data:
Inizio fabbricazione nel 1995
Descrizione:
Intel Pentium Pro
Miglioramento del Pentium ha un Bus indirizzi a 36 Bit che permette di indirizzare
fino a 64 Gb di Ram(anche se non utilizzata), è stata introdotta una cache di secondo
livello(L2) e permette di eseguire in media tre istruzioni per ciclo di clock. Le
prestazioni di questo processore con il codice a 32 Bit furono eccellenti, ma deluse
sul far girare il codice a 16 Bit dove risultava più lento del suo predecessore
Pentium. Questa Cpu venne utilizzata per eseguire Windows NT e Unix che giravano
a 32 bit. Il costo era elevato perché la BIU e la Cache erano separate ed erano
collegate da un bus esterno, questo significava che bastava un piccolo guasto per
dover cambiare l'intera Cpu. Aveva una frequenza 150/200 Mhz.
Nome:
Intel Pentium II
Data:
Inizio fabbricazione nel 1997
Descrizione:
Intel Pentium II compreso di sistema di
raffreddamento
Il Pentium II è un Pentium Pro con la tecnologia MMX e un miglioramento per il
codice a 16 Bit. Si collega alla scheda madre tramite uno Slot e non con il Socket.
Ha una Cache di primo livello di 32 Kb divisa in 16Kb per il codice e 16Kb per i
dati. Con questo processore ci furono notevoli miglioramenti anche perchè fu
adottata un'altra tipologia di memoria Ram, la SDRAM che sostituiva la vecchia
EDO Ram, e fu introdotto il nuovo standard AGP per il collegamento delle schede
video. Fu prodotto in varie versione che andavano da 233 a 450 Mhz.
Nome:
Intel Pentium III
Data:
Inizio fabbricazione nel 1999
Descrizione:
Processore Intel Pentium III
L'intel Pentium III è un'aggiornamento del Pentium II che raggiunge frequenze di 1
Ghz. Dispone di nuovi registri a 128 Bit e di un nuovo gruppo di istruzioni, che
espande le istruzioni MMX, chiamate SSE.
Inoltre introduce l'architettura DIB che permette di accedere alla Cache di secondo
livello in modo indipendente dalla FSB (Front-Side-Bus). Nelle prime versione si
collegava alla scheda madre tramite lo Slot che si utilizzava nel Pentium II per
tornare al Socket. Fu disponibile in varie versioni che andavano dai 450 Mhz a 1,4
Ghz.
Nome:
Intel Pentium IV
Data:
Inizio fabbricazione nel 2000
Descrizione:
Intel Pentium IV
Il Pentium IV fin dalle prime versioni raggiunge frequenze di 1,4Ghz e oltre.Ha un
nuovo set di istruzioni per le applicazioni multimediali, utilizza una nuova
architettura chiamata NetBurst Micro Architecture. La FSB può trasferire quattro
unità dati di 64 Bit per per ogni ciclo di clock. Il bus è chiamato Quad Pumped
perchè lavora a una frequenza equivalente a 400 Mhz su un segnale a 100 Mhz. Può
trasferire fino a 3,2GBps(Gigabytes per secondo) . Le ultime versioni del Pentium
IV superano frequenze di 4 Ghz, utilizzano bus a 800 o 1066 Mhz e supportano la
tecnologia Hyper-Threading. Per la sorpresa di molti tecnici del settore, il nuovo
processore non migliorava il design P6 né nel calcolo intero, né in virgola mobile,
generalmente considerati i fattori chiave nelle prestazioni di un processore. Furono
sacrificate le prestazioni nel singolo ciclo di per clock guadagnare su due fronti:
nella massima frequenza raggiungibile, e nelle prestazioni sfruttando le nuove
librerie SSE2 che andavano ad aggiungersi alle precedenti SSE ed MMX.
Il Pentium 4 "svolge molto meno lavoro" in ogni ciclo di clock rispetto ad altre CPU
1(come ad esempio i vari AMD Athlon o i vecchi Pentium III), ma l'obiettivo iniziale
di sacrificare le prestazioni sul singolo ciclo di clock era bilanciato dalla possibilità
di aumentare molto velocemente la frequenza di funzionamento, caratteristica che
portava comunque a ottime prestazioni paragonabili a quelle dei processori della
rivale AMD, pur seguendo una strategia diversa. Tutto questo è andato avanti fino a
quando il processore ha trovato problemi insolubili di eccessiva produzione di
calore, poco prima di raggiungere i 4 GHz (fermandosi effettivamente a 3.8 GHz con
il core Prescott), molto lontano dagli annunci entusiastici del lancio che parlavano di
scalabilità fino a 10 GHz.
Alla metà del 2005, resasi conto che ormai la "corsa ai GHz" era finita, la casa
produttrice ha spostato la sua attenzione sull'architettura del Pentium IV, molto più
efficiente a parità di frequenza di funzionamento, cominciando lo sviluppo di alcuni
derivati dedicati al segmento desktop e piccoli server.
Infatti l'architettura del Pentium M, è ottimizzata anche dal punto di vista energetico,
ed è basata sul design del Pentium III. Questo significa essenzialmente che Intel è
tornata al Pentium III e che del Pentium 4 sopravviverà solo il sistema del FSB, oltre
ovviamente ad una serie di tecnologie collaterali come Hyper-Threading, SS2, SS3,
EMT64 e XD-bit.
Nome:
Intel Pentium M
Data:
Inizio fabbricazione nel 2003
Descrizione:
Intel Pentium M (Pentium
Mobile)
Il Pentium M è un microprocessore con architettura x86 progettato e costruito da
intel destinato all'utilizzo in computer portatili.
Il Pentium M è stata un'innovazione radicale per Intel, in quanto non si tratta di una
versione a basso consumo del Pentium 4, orientato al mercato desktop, ma è
piuttosto una versione profondamente modificata del Pentium III. È ottimizzato per
un basso consumo, una caratteristica fondamentale per estendere la durata della
batteria dei computer portatili. Per consumare, e riscaldare, molto meno di un
processore per computer desktop, il Pentium M utilizza un clock molto inferiore
rispetto al contemporaneo Pentium 4, ma con prestazioni molto simili.
Il Pentium M accoppia il nucleo di esecuzione del Pentium III con l'interfaccia di
bus del Pentium 4, un migliorato interfacciamento tra stati di "decode" e di
"execute", una migliore predizione dei salti, supporto per SSE, SSE2 e SSE3, oltre
ad una cache più grande. La cache secondaria, che in genere consuma molta
potenza, utilizza un metodo innovativo di accesso per evitare attivazioni di sue parti
a cui non si farà accesso. Altri metodi per limitare i consumi sono la frequenza di
funzionamento variabile e un voltaggio ridotto, che permettono al Pentium M di
"rallentare" (riducendo il clock tipicamente a 600 MHz) quando il sistema è inattivo
o in modalità di risparmio energetico.
L'intenzione di Intel di offrire tale Cpu in sistemi mobile è stata maggiormente
esemplificata nel momento in cui ha reso il Pentium M il cuore della piattaforma
Centrino.
Anche se questa CPU in principio era intesa solo come processore per portatili, sono
state prodotte in quantità limitate schede madri che lo supportano a partire dalla
seconda metà del 2004 nei computer desktop, e Intel ha iniziato a modificare il
processore in vista del possibile rilascio di una versione per desktop nello stesso
periodo. ASUS ha sviluppato un adattatore per utilizzare processori Pentium M su
schede madri ASUS selezionate progettate per Pentium 4 su Socket 478.
Nome:
Intel Pentium D
Data:
Inizio fabbricazione nel 2005
Descrizione:
Intel Pentium D 3,4 Ghz
Il Pentium D è stato il primo processore dual core prodotto da intel ed era dedicato
al settore Desktop.
La sua caratteristica principale risiedeva appunto nel fatto di essere il primo
processore dual core commercializzato da Intel, e il suo lancio venne seguito dopo
solo pochi giorni da quello dell'Athlon64 X2 prodotto da AMD. In realtà il Pentium
D non fu il primo microprocessore dual core arrivato sul mercato: già IBM con i
suoi PowerPC aveva raggiunto questo traguardo un paio di anni prima, e altri
produttori avevano seguito la sua strada, ma l'avvento del Pentium D segnò
comunque un'epoca, in quanto praticamente solo Intel e AMD si contendono la
grossa fetta del mercato di massa dei microprocessori.
Al momento del lancio di tale CPU, erano ormai 2 anni che le frequenze dei
processori erano praticamente ferme. Dopo anni in cui queste ultime erano cresciute
vertiginosamente, con le presentazioni di nuovi modelli ogni circa 2 mesi con 200
MHz di salto, si era arrivati velocemente ai 3 GHz e sorsero i problemi. Il passaggio
ai 90 nm non dette i risultati sperati, e l'avvento del core Prescott per i Pentium 4 fu
molto travagliato e non privo di difficoltà e delusioni. AMD aveva abbandonato la
"corsa ai MHz" già da diverso tempo e Intel si era trovata costretta a fare altrettanto,
migliorando l'efficienza dell'architettura e sviluppando il calcolo parallelo. In fondo
la strategia intrapresa si basava su una considerazione piuttosto semplice: se non si
riesce ad aumentare la velocità con cui si esegue un'operazione, per aumentare le
prestazioni bisogna aumentare il numero di operazioni che si possono compiere
nell'unità di tempo, e il continuo affinamento dei processi costruttivi e la
miniaturizzazione consentirono di imboccare questa nuova via. A questo proposito,
nel 2007 arrivarono anche le architetture a 4 core e la tendenza nel tempo sarà quella
di aumentarne sempre più il numero.
Anche AMD presentò i primi esemplari di processore dual core, ma a differenza di
Intel riuscì a mantenere la stessa frequenza di clock delle controparti single core e
quindi chi acquistava uno di questi processori non notava un calo di prestazioni con
applicazioni non ottimizzate; inoltre il System Request Interface (SRI) utilizzato da
AMD per far comunicare i 2 core aveva prestazioni nettamente superiori al BUS di
Intel. A questo si aggiunse anche il fatto che mentre per poter far funzionare un
Pentium D era necessario l'acquisto di una nuova scheda madre basata sui chipset
i995X o i945P, per poter utilizzare un Athlon 64 X2 era sufficiente un
aggiornamento del BIOS.
Nome:
Intel Core 2 Duo
Data:
Inizio fabbricazione nel 2006
Descrizione:
Intel Core 2 Duo 3,33 Ghz
L'intel Core 2 Duo è il processore dual core successivo al Pentium 4. Questo
processore a differenza del precedente è stato anche adottato nei computer portali.
L'introduzione del Core 2 Duo ha segnato un punto di svolta nella politica di
mercato di Intel. La sua adozione in ambito desktop, infatti è coincisa con la morte
dell'architettura NetBurst che è alla base del Pentium 4 e dei Pentium D e che si è
rivelata efficace in un momento in cui aumentare la frequenza di clock non era un
problema, ma straordinariamente inefficiente dal punto di vista del rapporto
prestazioni/Watt. Prendendo come riferimento l'architettura NetBurst del Pentium 4,
Intel è arrivata con Conroe a quintuplicare l'efficienza, e quindi le prestazioni, a
parità di Watt dissipati. È evidente inoltre, come fino alla versione Smithfield che
mantiene fondamentalmente la stessa architettura del Pentium 4, tale aumento sia
stato molto marginale. Dato che ormai aumentare il clock è diventato quasi
impossibile senza l'insorgere di numerose complicazioni legate alla dissipazione
termica, quella dell'efficienza dell'architettura e la parallelizazione delle operazioni,
sembra la strada migliore per proseguire il processo di innovazione.
4° A Informatica 2010-2011 I.T.I.S E.FERMI Giarre(CT)