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Einführung in die intel architecture


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Die Entwicklung der heutigen Intel Architecture kann über den 8085 und den 8080 zum 4004 (dem ersten Mikroprozessor, den Intel entwickelte) zurückverfolgt werden. Der erste Prozessor der Intel Architecture ist jedoch der 8086, dem schnell der für billige Systeme preisgünstigere 8088 folgte.

1.1. 8086/8088

Der 8086 besitzt 16-Bit Register und einen 16-Bit breiten externen Bus, mit 20 Adress-Bits kann er einen Speicher von 1 mByte ansprechen. Der 8088 unterscheidet sich nur durch den 8-Bit breiten externen Bus vom 8086. Diese Prozessoren führten die Intel-Architecture-typische Segmentierung des Real Mode ein. 16-Bit Register dienen als Zeiger auf Adressen in Segmenten von bis zu 64kByte Größe. Die vier Segment-Register beinhalten die (effektive) Segment-Adresse der aktiven Segment (20 Bit). Bis zu 256 kByte können adressiert werden, ohne zwischen Segmenten umzuschalten, und insgesamt steht ein Adressraum von 1 mByte zur Verfügung.



1.2. 80286

Der 80286 brachte den Protected Mode in die Intel Architecture. Dieser neue Modus nutzt den Inhalt der Segment-Register als Selektoren oder Zeiger in Descriptor-Tables. Die Deskriptoren stellen 24-Bit Basisadressen zur Verfügung, und damit einen Adressraum von 16 mByte. Außerdem werden Virtual Memory Management, Segment Swapping und verschiedene Schutzmechanismen unterstützt. Diese Schutzmechanismen beinhalten Segment-Limit-checking, nur lesbare/nur ausführbare Segmente und bis zu vier Privilegstufen, um das Betriebssystem vor Anwenderprogrammen zu schützen. Dazu kommt noch die Hardware-Unterstützung des Task-Switching und die Local-Descriptor-Tables, die es dem Betriebssystem erlauben, die Anwenderprogramme voreinander zu schützen und voneinander zu trennen.


1.3. i386

Mit dem i386 kamen 32-Bit-Register in die Intel Architecture, sowohl als Operanden für Berechnungen, als auch als Adressen. Die untere Hälfte der 32-Bit-Register behielt ihre Eigenschaften als 16-Bit-Register der beiden früheren Generationen um komplette Abwärtskompatibilität zu gewährleisten. Ein neuer Modus, der Virtual-8086-Mode, wurde eingeführt, um größere Effizienz beim Abarbeiten von Programmen, die für den 8086/8088 geschrieben worden waren, auf dem 32-Bit System zu erlangen. Die 32-Bit-Address-Register wurden durch einen 32-Bit-Address-Bus ergänzt, der nunmehr einen Adressraum von 4-gByte zuließ, in dem jedes Segment eben diese Länge von 4 gByte erreichen kann. Die ursprünglichen Befehle wurden durch neue 32-Bit-Operanden verbessert und gänzlich neue Instruktionen wurden hinzugefügt. Der i386 enthält als erster mehrere parallele Stufen, um die Arbeitsgeschwindigkeit zu verbessern:
. Die Bus Interface Unit (greift auf Speicher und I/O zu)
. Die Code Prefetch Unit (bekommt den Objektcode von der BIU und leitet ihn in eine 16-byte Warteschlange weiter
. Die Instruction Decode Unit (dekodiert den Objektcode von der CPU in Mikrocode)
. Die Execution Unit (führt die mikrocodierten Instruktionen aus)
. Die Segment Unit (wandelt logische in lineare Adressen um und führt Schutzprüfungen durch)
. Die Paging Unit (wandelt lineare in physikalische Adressen um)



1.4. i486

Durch den i486 gelang es, die Parallelisierung noch weiterzutreiben: Die Instruction Decode Unit und die Execution Unit wurden in 5 Stufen zerlegt, die alle gleichzeitig arbeiten. So kann der i486 eine Instruktion pro CPU-Clock-Cycle durchführen. Der i486 beinhaltet außerdem als erster die Floating-Point-Unit auf dem gleichen IC wie die CPU, wodurch die Geschwindigkeit weiter gesteigert werden konnte.


1.5. Pentium

Der Pentium erhielt eine zweite Execution Pipeline, mit deren Hilfe er sogar zwei Instruktionen pro CPU-Clock-Cycle durchführen kann. Die Register sind noch immer 32 Bit breit, doch interne Datenleitungen bestehen aus 128 oder 256 Bit. Die Effektivität des Virtual-8086-Mode wurde außerdem erhöht.

Schon der i386 besitzt die wichtigsten Merkmale der sogenannten Intel Architecture, deshalb ist er wohl der geeignete Einstiegspunkt.

Eine kurze Zusammenfassung der wesentlichen Eigenschaften dieses 32-Bit-Prozessors:

. 32-Bit Vielzweck- und Offsetregister
. 16-Byte-Prefetch-Queue
. Speicherverwaltungseinheit (Memory Management Unit) mit Segmentierungs- und Paging Unit (PU)
. 32-Bit Daten- und Adreßbus

. 4gByte physikalischer Adreßraum
. 64tByte virtueller Adreßraum

. 65536 8-, 16- oder 32-Bit Ports
. Implementierung von Real, Protected und Virtual 8086 Mode

 
 




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