80486

Intel 80486 (также известный как i486, Intel 486 или просто 486-й) — 32-битный скалярный x86-совместимый микропроцессор четвёртого поколения, построенный на гибридном CISC-RISC-ядре и выпущенный фирмой Intel 10 апреля 1989 года. Этот микропроцессор является усовершенствованной версией микропроцессора 80386. Впервые он был продемонстрирован на выставке Comdex Fall, осенью 1989 года. Это был первый микропроцессор со встроенным математическим сопроцессором (FPU). Применялся преимущественно в настольных ПК, в высокопроизводительных рабочих станциях, в серверах и портативных ПК (ноутбуки и лэптопы).

Intel 80486
Центральный процессор
Микропроцессор Intel 80486
Производство	с 10 апреля 1989 по сентябрь 2007
Разработчик	Intel
Производители	Intel IBM AMD
Частота ЦП	16—150 МГц
Частота FSB	16—50 МГц
Технология производства	600—1000 нм
Наборы инструкций	x86
Разъём	PGA168, PGA169, PQFP132, PQFP208
Ядра	SX DX DX2 DX4 SX2
← Intel 80386 Pentium →

Руководителем проекта по разработке микропроцессора Intel 486 был Патрик Гелсинджер.

Описание

Кристалл микропроцессора Intel 80486DX2

Расположение кристалла в корпусе микропроцессора

Технические характеристики (сводно)

• Дата анонса первой модели: 10 апреля 1989 год
• Разрядность регистров: 32 бит
• Разрядность внешних шин данных и адреса: 32 бит
• Объём виртуальной адресуемой памяти: 64 Тб (2⁴⁶)
• Максимальный объём сегмента: 4 Гбайт
• Объём физической адресуемой памяти: 4 Гбайт
• Кэш L1: 8 Кбайт, DX4 — 16 Кбайт
• Кэш L2: на материнской плате (на частоте FSB)
• FPU: на кристалле, у SX отключён
• Тактовые частота процессора, МГц: 16—100 (DX4)
• Тактовые частота FSB, МГц: 16—50
• Напряжение питания: 5—3,3 В
• Количество транзисторов: 1,185 млн, SX2 — 0,9 млн, SL — 1,4 млн, DX4 — 1,6 млн.
• Техпроцесс, нм: 1000, 800 и 600 для DX4
• Площадь кристалла: 81 мм² для 1,185 млн транзисторов и технологии 1000 нм, 67 мм² для 1,185 млн транзисторов и 800 нм технологии, 76 мм² для DX4
• Максимально потребляемый ток: нет данных
• Максимально потребляемая мощность: нет данных
• Разъём: гнездо типа Socket
• Корпус: 168- и 169-контактный керамический PGA, 132- и 208-контактный пластиковый PQFP
• Инструкции: x86 (150 инструкций, не считая модификаций)

Процессор обладал 32-битными шинами адреса и данных. Это требовало наличия памяти в виде четырёх 30-контактных или одного 72-контактного модуля SIMM.

Различия между Intel 486DX и Intel 386

Intel 486DX, 486DX2 и 486DX4 представляют собой кристалл, содержащий центральный процессор, математический сопроцессор и контроллер кэша. Полностью совместимые на уровне предпроцессора с процессорами Intel 386, тем не менее, они имеют следующие отличия:

• процессоры Intel 486, в отличие от Intel ULP486GX, который имеет поддержку только 16-битной шины данных, обеспечивают динамическое изменение размера используемой шины для поддержки 8-, 16- и 32-битных транзакций. Intel 386 поддерживают только два размера ширины шины, 16 и 32 бита, и не требуют внешней логики для организации смены ширины шины.
• Процессоры Intel 486 имеют режим укороченной передачи, который позволяет за одну транзакцию передать по шине четыре 32-битных слова из внешней памяти в кэш, используя всего пять циклов. Intel 386 для передачи того же объёма данных требуется минимум восемь циклов.
• Процессор Intel 486 имеет сигнал BREQ, используемый для поддержки мультипроцессорных систем.
• Шина процессора Intel 486 значительно мощнее шины процессора Intel 386. Новые возможности в виде умножения частоты шины, проверки чётности (отсутствует в ULP486SX и ULP486GX), укороченный цикл передачи данных, кэшируемые циклы, в том числе кэшируемый цикл без проверки данных, поддержка транзакций по 8-битной шине.
• Для поддержки кэша на кристалле введены новые управляющие регистры (CD и NW), добавлены новые выводы для шины, новые типы циклов обмена по шине.
• Набор инструкций математического процессора Intel 387 не только поддерживается в полном объёме, но и расширен. Во время выполнения команды по обработке данных с плавающей точкой не выполняются никакие циклы ввода-вывода. Не задействовано прерывание 9, происходит прерывание 13.
• Процессор Intel 486 поддерживает новые режимы выявления ошибок, что гарантирует совместимость с DOS. Эти новые режимы требуют нового бита в управляющем регистре 0 (NE).
• К набору команд добавлено шесть новых: BSWAP (Byte Swap), XADD (Exchange and Add), CMPXCHG (Compare and Exchange), INVD (Invalidate data cache), WBINVD (Write-back and Invalidate data cache) и INVLPG (Invalidate TLB Entry).
• В управляющем регистре 3 назначены два новых бита, отвечающих за кэширование текущего каталога страниц.
• Добавлены новые возможности защиты страниц, требующие нового бита в управляющем регистре 0.
• Добавлены новые возможности проверки выравнивания, требующие нового бита в регистре флагов и управляющем регистре 0.
• Заменён алгоритм для TLB на алгоритм псевдо-LRU (PLRU), подобно используемому в кэше на кристалле.
• Для тестирования кэша на кристалле добавлены три новых тестовых регистра: TR5, TR6 и TR7. Повышена стабильность работы TLB.
• Очередь предварительной выборки увеличена с 16 до 32 байт. Для гарантированного правильного выполнения новых инструкций всегда выполняются переходы после модификации кода.
• После сброса в верх байта ID записывается значение <04>.

Микроархитектура

• 

  Микроархитектура i486DX2/DX4

• 

  Микроархитектура Ultra Low Power i486SX и i486GX

• 

  Микроархитектура i486SX

Математическая модель и набор инструкций

Набор инструкций не претерпел существенных изменений, но были добавлены дополнительные инструкции для работы со внутренней кэш-памятью (INVD, INVLPG, WBINVD), одна инструкция (BSWAP) для обеспечения совместимости с процессорами Motorola, две инструкции для атомарных операций с памятью: CMPXCHG (для сравнения с обменом — новое значение записывалось только если старое совпадало с заданным, старое запоминалось) и XADD (инструкция для сложения двух операндов с помещением результата во второй операнд, а не в первый, как в ADD). Инструкция CPUID позволяла впервые в семействе x86 напрямую получить детальную информацию о версии и свойствах процессора. Помимо этого, к набору инструкций добавилось 75 инструкций FPU.

Длина очереди инструкций была увеличена до 32 байт.

Блоки и реализация интерфейсов

• 

  Организация интерфейса с устройствами ввода-вывода

• 

  Организация интерфейса с 32-битными устройствами ввода-вывода

• 

  Организация интерфейса с переменным размером шины данных: 16 бит

• 

  Организация интерфейса с 8-битными устройствами ввода-вывода

Регистры

В процессоре имеется расширенный, по сравнению с в 80386, набор инструкций, в который добавлено несколько дополнительных регистров, а именно, три 32-битных тестовых регистра (TR5, TR4, TR3). Также были добавлены новые флаги в регистре флагов (EFLAGS) и в других управляющих регистрах (CR0, CR3).

Вследствие включения сопроцессора в кристалл процессора, в Intel 486 можно обращаться и к регистрам FPU: регистры данных, регистр тегов, регистр состояния, указатели команд и данных FPU, регистр управления FPU.

Конвейерная обработка инструкций

В Intel 486 был усовершенствован механизм выполнения инструкций в несколько этапов. Конвейер процессоров серии Intel 486 состоял из 5 ступеней: выборка инструкции, декодирование инструкции, декодирование адресов операндов инструкции, выполнение команды, запись результата выполнения инструкции. Использование конвейера позволило во время выполнения одной инструкции производить подготовительные операции над другой инструкцией. Это в значительной степени позволило увеличить производительность процессора.

Кэш процессора

• 

  Иерархия памяти

• 

  Буфер ассоциативной трансляции

• 

  Организация кэша в системах построенных с использованием процессора Intel 486.

• 

  Direct Mapped Cache

• 

  Two-Way Set Associative Cache

• 

  Fully Associative Cache

Intel 486 имел расположенную на кристалле кэш-память объёмом 8 Кбайт, позднее — 16 Кбайт, работающую на частоте ядра. Наличие кэша позволило существенно увеличить скорость выполнения операций микропроцессором. Изначально кэш Intel 486 работал по принципу сквозной записи (англ. write-through, WT), но позже, в рамках семейства Intel 486, были выпущены модели со внутренним кэшем, работающим по принципу обратной записи (англ. write-back, WB). Процессор мог использовать и внешний кэш, скорость чтения-записи которого, однако, была заметно ниже чем у внутреннего кэша. При этом внутренний кэш стали называть кэшем первого уровня (Level 1 Cache), а внешний кэш, расположенный на материнской плате, кэшем второго уровня (Level 2 Cache). Кэш имел 4-канальную наборно-ассоциативную архитектуру и работал на уровне физических адресов памяти.

Однако, в результате использования интегрированной кэш-памяти, существенно возросло количество транзисторов в процессоре и, как следствие, увеличилась площадь кристалла. Увеличение количества транзисторов привело к существенному увеличению рассеиваемой мощности. В среднем, рассеиваемая мощность увеличилась в 2 раза, по сравнению с аналогичными моделями серии 80386. Во многом этому способствовала интеграция кэш-памяти, хотя были и другие факторы, но они не столь существенны. По этой причине процессоры Intel 486 старших моделей уже требовали принудительного (активного) охлаждения.

Математический сопроцессор

В Intel 486 был использован встроенный математический сопроцессор (англ. Floating Point Unit, FPU).

Это был первый микропроцессор семейства x86 со встроенным FPU. Встроенный FPU был программно совместим с микросхемой Intel 80387 — математическим сопроцессором, применявшимся в системах с процессором 80386. Благодаря использованию встроенного сопроцессора удешевлялась и ускорялась система за счёт уменьшения общего числа контактов и корпусов микросхем.

Изначально все выпускавшиеся микропроцессоры Intel 486 оснащались работающим сопроцессором, эти процессоры получили имя Intel486DX. Позже, в 1991 году, Intel решает выпустить процессоры с отключённым сопроцессором, и эти процессоры получили наименование Intel486SX. Системы построенные на этих процессорах могли оснащаться отдельным сопроцессором, например, Intel487SX или сопроцессором других производителей.

Построение вычислительной системы

Материнская плата на чипсете SIS (85C496 и 85C497) для процессоров класса i486

Первоначально системы на базе Intel 486 были оборудованы только 8- и/или 16-битными шинами ISA. Более поздние материнские платы совмещали в себе медленную шину ISA с высокоскоростной шиной VESA (или VLB — англ. Vesa Local Bus), предназначавшуюся прежде всего для видеоплат и контроллеров жёсткого диска. Последние материнские платы для процессоров i486 были оборудованы шинами PCI и ISA, а иногда и VESA. Быстродействие шины ISA определялось множителями, а рабочая частота шин PCI, и VLB была равна частоте шины процессора i486 (хотя некоторые материнские платы имели множители также и для них).

Позже материнские платы для i486 обрели поддержку технологии Plug-and-Play, которая использовалась в Windows 95 и позволяла компьютерам автоматически обнаруживать и настраивать периферийные устройства, и устанавливать соответствующие драйверы.

• 

  Построение контроллера системы Intel 486

• 

  Организация системы арбитража

• 

  Организация контроллера шины EISA

• 

  Организация интерфейса (моста) PCI-ISA

• 

  Построение системы с использованием контроллера прерываний 82C59A

• 

  Построение системы с использованием каскадирования контроллеров прерываний

• 

  Построение типовой конфигурации с использованием шины EISA

• 

  Построение типовой конфигурации с использованием шины PCI

• 

  Построение дешифратора адреса

• 

  Построение дешифратора сигналов A1, BHE# и BLE#

• 

  Построение схем управления и таблица истинности на примере использования ИМС 74S138

Модели

Сводная таблица моделей процессоров Intel 486

Модель	Кодовое имя	Intel S-Spec	Тип корпуса	Тип процессорного разъёма	Частота, МГц	Шина данных (внешняя), бит	Напряжение питания, вольт	Нормы литографии техпроцесса, мкм	К-во транзисторов	Дата анонса	Примечание, отличие
Intel 486DX
Intel A80486DX-25	P4	SX328	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	25 × 1	32	5	1	1 185 000	10.04.1989	Оригинальный процессор семейства i486. Кэш первого уровня 8 кБ.
Intel A80486DX-33	P4	SX329	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	33 × 1	32	5	1	1 185 000	7.05.1990
Intel A80486DX-33	P4	SX729	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	33 × 1	32	5	1	1 185 000	7.05.1990	Лого DX на корпусе.
Intel A80486DX-33 (SL enhanced)	P4	SX810	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	33 × 1	32	5	1	1 185 000	7.05.1990	Маркировка «&E» и лого DX на корпусе.
Intel A80486DX-50	P4	SX710	Керамический корпус PGA-168	Socket 2, Socket 3	50 × 1	32	5	0,8	1 185 000	24.06.1991	Лого DX на корпусе.
Intel 486DX2
Intel SB80486DX2-40	P24	SX809	Пластиковый корпус PQFP-208	На плате-адаптере	20 × 2	32	3,3	0,8	1 200 000	3.03.1992	На плате-адаптере.
Intel SB80486DX2-50	P24	SX920	Пластиковый корпус PQFP-208	На плате-адаптере	25 × 2	32	3,3	0,8	1 200 000	3.03.1992	На плате-адаптере.
Intel A80486DX2-50	P24	SX808	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	25 × 2	32	5	0,8	1 200 000	3.03.1992	Не имел проблем DX-50 с шинами ISA 16 bit и VESA VL-Bus в связи с работой на частоте 25 МГц, но был на 3…15 % медленнее в реальных приложениях. В основной массе отпускался OEM-производителем систем. Также выпускался фирмой IBM с соответствующей маркировкой на корпусе, типа: «COPYRIGHT INTEL '89 '92 1 MFG BY IBM»
Intel A80486DX2-66	P24	SX807	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	33 × 2	32	5	0,8	1 185 000	10.08.1992
Intel A80486DX2-66	P24	SX955	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	33 × 2	32	5	0,8	1 200 000	10.08.1992	Кэш процессора с «обратной записью» (write-back cache). Дополнительная маркировка на корпусе «&EW»: используется технология SL enhanced CPU.
Intel A80486DX2-66	P24	SX759	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	33 × 2	32	5	0,8	1 200 000	10.08.1992	На керамическом корпусе интегрирован радиатор синего (производства фабрик на территории США) или чёрного (Малайзия) цвета.
Intel DX4
Intel A80486DX4-75	P24C	SX884	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	25 × 3	32	3	0,6	1 600 000	7.03.1994	Дополнительная маркировка на корпусе «&EW»: используется технология SL enhanced CPU.
Intel FC80486DX4-75 Mobile	P24C	SK052	Пластиковый корпус PQFP-208	На плате-адаптере	25 × 3	32	3	0,6	1 600 000	7.03.1994	Адаптер для мобильных систем
Intel FC80486DX4-75 Mobile Module	P24C	SX883	Пластиковый корпус PQFP-208	На плате-адаптере	25 × 3	32	3	0,6	1 600 000	7.03.1994	Использовался в IBM Thinkpad 755
Intel A80486DX4-100	P24C	SX900	Пластиковый корпус PQFP-208	На плате-адаптере	33 × 3	32	3	0,6	1 600 000	7.03.1994	Адаптер для мобильных систем
Intel FC80486DX4-100 Mobile Module	P24C	SX883	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	33 × 3	32	3	0,6	1 600 000	7.03.1994	Дополнительная маркировка на корпусе «&EW»: используется технология SL enhanced CPU.
Intel RapidCAD-1	Н/Д	SZ624	Керамический корпус PGA-132	i386/387	33 × 3	32	Н/Д	Н/Д	1 600 000	1991 год	Intel RapidCad это специально упакованные Intel 486DX, без кэша и с заглушкой вместо FPU, стандартной для i386 цоколёвкой, предназначен для замены процессоров Intel 80386 и 80387 FPU.
Intel RapidCAD-2	Н/Д	SZ625	Керамический корпус PGA-68	i376/387	33 × 3	32	Н/Д	Н/Д	1 600 000	7.03.1994
Intel486SX
Intel A80486SX-20	P23	SX406	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	20 × 1	32	5	1	1 185 000	1.4.1991	Подобен i486DX, но с отключённым математическим сопроцессором.
Intel A80486SX-25	P23	SX679	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	25 × 1	32	5	1	1 185 000	1.4.1991
Intel A80486SX-25	P23	SX903	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	25 × 1	32	5	1	1 185 000	1.4.1991
Intel KU80486SX-25	P23	SX406	Пластиковый корпус PQFP-196 внутри PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	25 × 1	32	5	1	1 185 000	1.4.1991	Разгон до 40 МГц
Intel A80486SX-33	P23	SX797	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	33 × 1	32	5	1	1 185 000	1.4.1991
Intel SB80486SX-33	P23	SX855	Пластиковый корпус PQFP-208	На плате-адаптере	33 × 1	32	5	1	1 185 000	1.4.1991
Intel A80486SX2-50	P23	SX845	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	25 × 2	32	5	1	900 000	1.4.1991
Intel 486SX2-50/SA OEM	P23	SX845	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	25 × 2	32	5	1	900 000	1.4.1991	Интегрированный радиатор. Поставлялся, в основном, OEM-производителям.
Прочие, производства Intel
Intel 487SX	P23N									16.9.1991	i486DX с изменённой цоколёвкой для использования как FPU в i486SX системах.
Intel 486 OverDrive	P23T									26.5.1992	Предназначен для модернизации компьютеров с процессорами i486DX/SX.
Intel KU80486SL-25	Н/Д	SX709	Керамический корпус PGA-168	Socket 1, Socket 2, Socket 3	25 × 1	32	5	0,8	1 400 000	9.10.1992	i486SX низкого энергопотребления, применялся главным образом в портативных компьютерах.
Intel 486DX SL-enhanced	P4S									21.6.1993	i486DX с SL-технологией.
Intel 486SX SL-enhanced	P23S									21.6.1993	i486SX с SL-технологией.
Intel 486DX2 SL-enhanced	P24S									21.6.1993	i486DX2 с SL-технологией. Частота 50-66 МГц; напряжение питания 5 вольт.
Intel 486SX2	???									1994 год	Подобен i486DX2, но с отключённым математическим сопроцессором.
Intel DX4	P24C									7.3.1994	Имеет утроенную тактовую частоту по отношению к внешней шине, 75-100 МГц; напряжение питания 3,3 вольта.
Intel 486DX2 wb	P24D									Октябрь 1994	i486DX2 с кэш-памятью типа write-back. Частота 50-66 МГц; напряжение питания 5 вольт.
Intel DX4 OverDrive PR	P4T									Октябрь 1994	Предназначен для модернизации компьютеров с процессорами i486DX/SX.
Intel 486GX	???									25.3.1996	i486SX для использования в портативных устройствах.
Pentium OverDrive 62.5/82.5 for 5V 486 /3.3V DX4	P24T										Предназначен для модернизации компьютеров с процессорами Intel DX4 на процессор Pentium с частотой 62,5 или 82,5 МГц.

С момента появления первого процессора Intel 486DX было выпущено множество других моделей семейства 486 с суффиксами SX, SL, DX2, DX4, GX. Они отличались функциональным предназначением и некоторыми технологическими параметрами (напряжение питания, тактовая частота, размер кэш-памяти, отсутствием или наличием сопроцессора и др.).

Процессоры 486DX2 имели коэффициент умножения 2 — то есть, например, при частоте системной шины 33 МГц рабочая частота самого процессора составляла 66 МГц. Позже появились процессоры Intel DX4 — однако коэффициент умножения у них был не 4, а 3. В результате введения множителей в широкий обиход впервые вошло такое понятие, как разгон (англ. overclocking) — повышение производительности процессора путём увеличения тактовой частоты шины или коэффициента умножения. Так, известно, что в России даже в открытую продажу поступали системы, в которых процессоры i486 работали на частотах до 160 МГц.

Конкурентные решения

Ко времени выпуска 486 Intel лишилась прав собственности на товарные знаки x86 и подобные наименования использовали множество производителей. Основной лозунг конкурентов Intel был «Практически то же что и у Intel, только за меньшие деньги».

486-совместимые процессоры производились и такими компаниями, как IBM, Texas Instruments, AMD, Cyrix, UMC и Chips and Technologies. Некоторые из них были почти точными копиями как по производительности, так и по техническим характеристикам, другие же, наоборот, отличались от оригинала.

Уже после ухода с массового рынка 486-х процессоров производства Intel компания AMD выпустила процессоры 486DX4-120 и Am5x86-133.

В мае 2006 года Intel заявила, что производство чипов 80486 прекратится в конце сентября 2007 года. И хотя для прикладных программ на персональных компьютерах этот чип уже долгое время являлся устаревшим, Intel продолжала производить его для использования во встраиваемых системах.

• 

  486 процессоры AMD Cyrix IBM Intel ST Texas Instruments

• 

  Процессоры i486 в окружении процессоров других производителей.

• 

  UMC Green CPU

Литература

• Документация, выпущенная Intel:
  • Order No: 271329-002 «MILITARY Intel486 PROCESSOR FAMILY»
  • Order No: 272755-001 «Embedded Ultra-Low Power Intel486 GX Processor»
  • Order No: 272731-002 «Embedded Ultra-Low Power Intel486 SX Processor»
  • Order No: 272731-001 «Embedded Ultra-Low Power Intel486 SX Processor»
  • Order No: 271329-003 «MILITARY Intel486 PROCESSOR FAMILY»
  • Order No: 241199-002 «Intel486 Family of Microprocessors. Low Power Version. Data Sheet»
  • Order No: 273025-001 «EMBEDDED Intel486 PROCESSOR. HARDWARE REFERENCE MANUAL»
  • Order No: 273021-001 «EMBEDDED Intel486 PROCESSOR FAMILY. DEVELOPER’S MANUAL»
  • Order No: 272815-001 «Ultra-Low Power Intel486 SX PROCESSOR. EVALUATION BOARD MANUAL»
  • Order No: 272771-002 «Embedded Write-Back Enhanced IntelDX4 Processor»
  • Order No: 272771-001 «Embedded Write-Back Enhanced IntelDX4 Processor»
  • Order No: 272770-002 «Embedded IntelDX2 Processor»
  • Order No: 272770-001 «Embedded IntelDX2 Processor»
  • Order No: 272769-002 «Embedded Intel486 SX Processor»
  • Order No: 272769-001 «Embedded Intel486 SX Processor»
  • Order No: 272755-002 «Embedded Ultra-Low Power Intel486 GX Processor»
  • Order No: 240440-006 «Intel486DX MICROPROCESSOR»
• В.Л. Григорьев. Микропроцессор i486. Архитектура и программирование. — М: Гранал. — Т. Книга 1. Программная архитектура. — 346 с. — ISBN 5-900676-01-3.
• В.Л. Григорьев. Микропроцессор i486. Архитектура и программирование. — М: Гранал. — Т. Книга 2-4. — 382 с. — ISBN 5-900676-02-1.

Ссылки

• История судебных тяжб между Intel и AMD
• Документация на процессор на сайте bitsavers.org (англ.)
• Intel 80486 microprocessor family (англ.)