Intel vaụ hoĩ vi xưủ lý x86
* Intel laụ moảt hãng haụng Đầu chuyên saủn xuất các loaĩi VXL, maĩch bán dẫn, vaụ các thiết bị nối ghép maĩng. Hieản nay có xấp xă 75% máy tắnh cá nhân trên thế giới Đang sưủ duĩng CPU cuủa Intel. Ủóng taĩi Santa Clara, bang California, Mỹ, hãng Intel Đã báo cáo thu nhaảp cuủa mình trong quý Đầu năm 1995 laụ 3,56 tyủ USD.
* Intel 4004 laụ boả vi xưủ lý Đầu tiên trên thế giới, ra Đơụi vaụo năm 1971. Laụ boả VXL 4 bit Đươĩc thiết kế Đeạ duụng trong các máy calculator có theạ laảp trình, 4008 hoaĩt Đoảng ơủ tốc Đoả xung nhịp xấp xă 0,1 MHz. Cấu trúc 4 bit cho phép laụm vieảc với Đoả daụi cưĩc Đaĩi 16 ký tưĩ - Đuủ duụng Đối với các con số tưụ 0 Đến 9 vaụ các dấu trong các phép tắnh số cơ baủn (coảng, trưụ, nhân, chia).
* Intel 8080 laụ boả VXL 8 bit ra Đơụi vaụo tháng 4 năm 1974, tương Đương 8000 transistor chaĩy ơủ tốc Đoả 2MHz vaụ có theạ xưủ lý khoaủng 1,5 MIPS. Với bus Địa chă 16 bit, 8080 chă có theạ sưủ duĩng boả nhớ 64K. Ủây laụ loaĩi VXL Đươĩc duụng trong loaĩt máy tắnh micro Đầu tiên trên thế giới, máy Altain.
* Intel 8086 laụ boả VXL 16 bit Đầu tiên Đươĩc giới thieảu vaụo tháng 6 năm 1978, tương Đương với
29.000 transistor, hoaĩt Đoảng ơủ tốc Đoả 4,77 MHz vaụ có theạ xưủ lý vaụo khoaủng 1,3 MIPS. Với bus Địa chă 20 bit, 8086 có theạ sưủ duĩng boả nhớ Đến 1MB. Tuy có khiếm khuyết laụ chia nhoủ boả nhớ thaụnh nhiều Đoaĩn 64K, nhưng cấu trúc vaụ taảp leảnh cuủa 8086 laụ cơ sơủ cho 90% số lươĩng máy tắnh cá nhân Đang Đươĩc sưủ duĩng hieản nay trên thế giới.
* Intel 8088 ra Đơụi vaụo tháng 6 năm 1979, hoaụn toaụn giống về cấu trúc vaụ các tắnh năng như 8086
chă trưụ moảt khác bieảt cơ baủn: bus dữ lieảu trong 16 bit nhưng bus dữ lieảu ngoaụi chă 8 bit Đeạ "thoủa hieảp" với các loaĩi ngoaĩi vi 8 bit Đang có sẵn trên thị trươụng hồi Đó. Hãng IBM Đã mua Đươĩc baủn quyền saủn xuất cuủa 8086 vaụ 8088 nên quyết Định duụng cấu trúc x86 trong loaĩi máy tắnh Đầu tiên cuủa mình - máy IBM PC - ra Đơụi vaụo 1981.
* Intel 80286 laụ loaĩi VXL 16 bit Đươĩc giới thieảu vaụo tháng 1 năm 1982. Chip 80286 tương Đương
139.000 transistor, tốc Đoả xung nhịp 8MHz vaụ tốc Đoả xưủ lý 1,2 MIPS. Phiên baủn thứ hai cuủa 80286 có tốc Đoả 20 MHz. Với bus Địa chă 24 bit, chip VXL naụy có theạ sưủ duĩng boả nhớ 16MB. Chắnh 80286 Đã cung cấp sức maĩnh cho máy PC AT cuủa IBM ra Đơụi vaụo năm 1984. Ủoại mới kỹ thuaảt then chốt cuủa 80286 laụ có khaủ năng chaĩy theo nhiều chế Đoả. Trong chế Đoả thưĩc (real mode) 80286 chă sưủ duĩng boả nhớ 1MB nên tương thắch với các heả Điều haụnh vaụ phần mềm Đã Đươĩc soaĩn cho 8086 vaụ 8088. Chế Đoả thứ hai laụ chế Đoả baủo veả (protected mode), chip 80286 có theạ truy caảp 16MB boả nhớ. Moảt caủi tiến khác laụ 80286 có khaủ năng sưủ duĩng boả nhớ aủo hình thaụnh trên Đĩa cứng laụm không gian lưu trữ taĩm thơụi, nên máy tắnh Đươĩc xem như có boả nhớ chắnh lớn hơn thưĩc có.
Nhươĩc Đieạm cuủa 80286 laụ không gian nhớ trên 1MB không nguyên khối maụ bị chia thaụnh nhiều Đoaĩn nhoủ 64K rất khó khăn cho những ngươụi laảp trình. Teả haĩi hơn laụ chip naụy không theạ chuyeạn tưụ chế Đoả baủo veả sang chế Đoả thưĩc; nếu muốn rơụi chế Đoả baủo veả Đeạ khơủi Đầu moảt chương trình DOS, ta phaủi khơủi Đoảng laĩi
máy tắnh. Những bất lơĩi naụy Đã sớm laụm cho những nhaụ thiết kế heả thống xem 80286 như laụ moảt kieạu thiết kế chết (brain-dead design).
* Intel 80386 laụ boả VXL Đươĩc giới thieảu vaụo tháng 10 năm 1985, tương Đương 275.000 transistor,
tốc Đoả 16 MHz vaụ tốc Đoả xưủ lý khoaủng 6MIPS. Các phiên baủn sau cuủa 80386 có tốc Đoả 20 MHz. Với bus Địa chă 32 bit, 80386 có theạ sưủ duĩng boả nhớ Đến 4 GB, Đồng thơụi nó cũng có theạ sưủ duĩng Đến 64 TB boả nhớ aủo. Khi chip 386SX ra Đơụi thì chip 80386 Đươĩc Đaẽt tên laĩi laụ 386DX vaụ lần lươĩt ra Đơụi các phiên baủn 20MHz, 25MHz vaụ 33MHz. Compaq laụ hãng Đầu tiên Đưa ra loaĩi máy tắnh chaĩy bằng 80386.
Boả VXL 386 ra Đơụi nhằm khắc phuĩc trưĩc tiếp các nhươĩc Đieạm cuủa 80286: phaủi chuyeạn Đoại Đươĩc nhanh chóng giữa chế Đoả thưĩc vaụ chế Đoả baủo veả, vaụ phaủi có khaủ năng hoaĩt Đoảng với boả nhớ RAM tối Đa 4 GB. Chip 386 coụn có moảt boả cache noải nhoủ Đồng thơụi có theạ sưủ duĩng thêm cache ngoaụi Đeạ tăng tốc Đoả hoaĩt Đoảng.
Moảt tắnh năng mới cuủa 386 laụ có theạ mô phoủng moảt hoaẽc nhiều boả VXL 8086 cuụng moảt lúc nên cho phép chaĩy nhiều chương trình DOS Đồng thơụi. Boả VXL 386 DX Đã laụm cho Microsoft Windows trơủ nên moảt heả Điều haụnh maĩnh. Ta khơủi Đoảng Windows 3.1 bằng DOS (trong chế Đoả thưĩc), rồi chuyeạn sang chế Đoả baủo veả Đeạ nó có theạ thiết laảp nhiều "cưủa soạ", maụ thưĩc chất laụ các boả xưủ lý 8086 aủo, chaĩy nhiều trình ứng duĩng DOS khác nhau trong các cưủa soạ Đó. Nếu không, ta cũng có theạ chaĩy các trình ứng duĩng Windows.
* Intel 386 SX laụ moảt phiên baủn "queụ" cuủa 80386, ra Đơụi vaụo tháng 6 năm 1988, tuy có bus dữ lieảu
trong 32 bit nhưng bus dữ lieảu ngoaụi chă 16 bit. Chip 386 SX chă sưủ duĩng Đươĩc 20MB boả nhớ, chă xưủ lý Đươĩc 2,5 MIPS, có trị số 6,2 Đối với CINT92 vaụ 3,3 Đối với CFP92.
* Intel 386 SL laụ phiên baủn tiết kieảm Đieản (low-power) cuủa boả VXL 386 SX Đươĩc thiết kế Đeạ duụng
trong các máy tắnh notebook. Loaĩi chip naụy có chế Đoả chaĩy không (sleep mode) tiêu thuĩ doụng Đieản rất nhoủ Đeạ duy trì tình traĩng maụ nó vưụa taĩm ngưng trước Đó.
* Intel 486DX laụ loaĩi VXL 32 bit, Đươĩc giới thieảu vaụo tháng 4 năm 1984, tương Đương 1,2 trieảu
transistor, tốc Đoả 25 MHz (sau Đó laụ 33 MHz), vaụ tốc Đoả xưủ lý 20 MIPS. Bus Địa chă cuủa 486DX roảng 32 bit nên sưủ duĩng Đươĩc boả nhớ 4GB Đồng thơụi coụn sưủ duĩng Đươĩc boả nhớ aủo Đến 64 TB. Chip VXL naụy Đaĩt giá trị SPEC Đến 27,9 Đối với phép tắnh toạng hơĩp vaụ 13,1 Đối với phép tắnh dấu chấm Đoảng.
Chip 486 không có moảt cách maĩng kỹ thuaảt naụo so với 386. Những tiến boả chă laụ những thuủ thuaảt khôn khéo hơn cuủa cơ sơủ kỹ thuaảt cũ, nhưng rất có ấn tươĩng với ngươụi duụng do tốc Đoả cao hơn nhiều so với thế heả trước. Vieảc sưủ duĩng ống dẫn cho phép 486 DX xưủ lý hầu hết các leảnh trong moảt chu kyụ xung nhịp (Ủó laụ lý do taĩi sao 486DX - 33 nhanh hơn gấp hai lần 386 DX - 33 maẽc duụ cuụng chaĩy ơủ moảt tốc Đoả Đồng hồ). Hơn nữa, 486 DX coụn có boả Đồng xưủ lý số (numeric coprocessor) chế taĩo sẵn bên trong, Đươĩc thiết kế tối ưu Đeạ chuyên tiến haụnh các phép tắnh số hoĩc thay cho boả xưủ lý chắnh. Vì lý do naụy maụ 486 DX chaĩy nhanh hơn 386 DX có gắn thêm moảt Đồng xưủ lý toán 80387 trên board meĩ; các tắn hieảu không phaủi di chuyeạn xa. Giống như 386DX, chip 486DX cũng có moảt cache noải nhưng lớn hơn nhiều (8K).
Chip 486 DX cũng có moảt phiên baủn "queụ" cuủa mình, Đó laụ 486 SX. Ủươĩc giới thieảu lần Đầu tiên vaụo tháng 1 năm 1991, chip 486SX không quá queụ quaẽt Đến mức thu heĩp bus dữ lieảu ngoaụi, maụ vẫn giữ nguyên cấu trúc 32 bit Đầy Đuủ; nó chă boủ bớt boả Đồng xưủ lý số. Boả xưủ lý 486SX có tốc Đoả 20 MHz (sau Đó laụ
25 MHz) vaụ có theạ thưĩc hieản 20 MIPS.
* Intel 486SL laụ phiên baủn tiết kieảm Đieản cuủa boả VXL 486DX, Đươĩc duụng cho các máy tắnh notebook. Chip
naụy có khaủ năng quaủn lý Đieản, trong Đó có chế Đoả chaĩy không. So với 386SL, chip 486SL có năng suất xưủ lý gần gấp Đôi nhưng tiêu thuĩ Đieản chă bằng moảt nưủa. * Intel 486 DX coụn có phiên baủn xung nhịp gấp Đôi (clock-doubling) laụ 486 DX2 duụng Đeạ tăng tốc Đoả cuủa boả VXL maụ không Đoụi hoủi board meĩ cũng phaủi có cuụng tốc Đoả Đó: loaĩi DX2 50MHz chaĩy với board meĩ 25MHz; loaĩi DX2 66MHz chaĩy với board meĩ 33 MHz. Chip 486 DX2 Đaĩt giá trị SPEC laụ 32,2 Đối với phép tắnh toạng hơĩp vaụ 16,0 Đối với phép tắnh dấu chấm Đoảng.
Thông thươụng, boả vi xưủ lý caụng nhanh bao nhiêu thì các chip hỗ trơĩ trên board meĩ cũng phaủi nhanh bấy nhiêu, nên giá tiền tăng lên. Chip DX2 cho các nhaụ thiết kế heả thống moảt ân hueả laụ chă cần tiến haụnh những caủi tiến rất Đơn giaủn trên các board meĩ 25 MHz vaụ 33 MHz Đang có sẵn laụ Đã Đaĩt các tốc Đoả xưủ lý 50 MHz vaụ 66 MHz. Theo phương án naụy, máy phaủi chịu thieảt về hieảu năng vì boả VXL tiến haụnh xưủ lý số lieảu nhanh gấp Đôi board meĩ nên phaủi Đơĩi cho board meĩ Đuoại kịp. Ủeạ giaủi quyết, ngươụi ta Đã duụng moảt cache ngoaụi Đuủ roảng Đeạ giữ taĩm các leảnh vaụ dữ lieảu maụ boả VXL phaủi Đơĩi. Nếu cache Đươĩc thiết kế hơĩp lý, boả xưủ lý nhịp Đồng hồ gấp Đôi có theạ Đaĩt Đươĩc 80% hieảu năng cuủa heả thống có board meĩ phuụ hơĩp với tốc Đoả boả xưủ lý.
* Phiên baủn xung nhịp gấp ba (clock-tripling) cuủa 486DX laụ chip 486 DX4. Loaĩi naụy Đaĩt Đươĩc tốc
Đoả 75 MHz hoaẽc 100 MHz nhưng vẫn sưủ duĩng board meĩ loaĩi 25 MHz hoaẽc 33 MHz. Với cache noải 16K, DX4 có khaủ năng lưu trữ bên trong lớn gấp Đôi so với các thế heả trước cuủa nó. Chip 486 DX4 có moảt Đoại mới quan troĩng: nó chaĩy ơủ 3,3V nên ắt tốn Đieản vaụ ắt nóng hơn. DX4 Đaĩt trị số SPEC laụ 51 Đối với phép tắnh toạng hơĩp vaụ 27 Đối với dấu chấm Đoảng.
* Pentium laụ boả VXL 64 bit do Intel chế taĩo vaụ Đươĩc giới thieảu vaụo tháng 5 năm 1993. Pentium
tương Đương 3,1 trieảu transistor, phiên baủn Đầu tiên chaĩy ơủ tốc Đoả Đồng hồ 60MHz vaụ có theạ xưủ lý khoaủng 112 MIPS. Các phiên baủn kế tiếp chaĩy ơủ 66MHz, 90MHz, 100MHz, 120MHz, 150MHz vaụ hieản nay laụ 200MHz. Giống như 486DX, Pentium có bus Địa chă 32 bit nên có theạ duụng Đến 4GB boả nhớ. Maẽc duụ có bus dữ lieảu trong roảng 64 bit, nhưng Pentium Đươĩc thiết kế Đeạ laụm vieảc với bus dữ lieảu ngoaụi 32 bit. Thế heả Pentium Đầu tiên (ký hieảu P5) Đaĩt 67,4 Đối với CINT92 vaụ 63,6 Đối với CFP. Các phiên baủn mới cuủa Pentium chế taĩo theo công ngheả 0,4 micron xuất hieản cuối 1995 chaĩy với tốc Đoả 120, 133 MHz vaụ gần Đây laụ 200MHz.
Maẽc duụ theo triết lý CISC, nhưng Pentium Đã ứng duĩng nhiều công ngheả mới Đaẽt cơ sơủ trước cho các loaĩi VXL RISC siêu tốc: duụng ống dẫn, cấu trúc superscalar, vaụ dưĩ Đoán rẽ nhánh. Ống dẫn Đôi cuủa Pentium Đươĩc thiết kế Đeạ xưủ lý các số nguyên, Đó laụ giaủi pháp rất phuụ hơĩp vì ngươụi duụng PC thươụng chaĩy các trình ứng duĩng nhiều thao tác số nguyên. Nhơụ những bieản pháp công ngheả naụy, Pentium có theạ caĩnh tranh ngang ngưủa về hieảu năng với các chip RISC thưĩc sưĩ; ngươụi ta goĩi Pentium laụ boả vi xưủ lý CISC mang nhiều yếu tố RISC.
Trong những Điều kieản lý tươủng, Pentium có theạ thưĩc hieản hai leảnh trong mỗi chu kyụ xung nhịp nên xưủ lý nhanh gần gấp Đôi 486 DX có cuụng tốc Đoả. Hơn nữa, Pentium vẫn giữ Đươĩc tắnh tương thắch hoaụn toaụn với taảp leảnh cuủa 386/486, có nghĩa laụ vẫn tương thắch hoaụn toaụn với khối lươĩng khoạng lồ các phần mềm DOS vaụ Microsoft Windows hieản haụnh.
Moảt Đoại mới quan troĩng khác cuủa Pentium laụ Đơn vị dấu chấm Đoảng (FPU) Đươĩc thiết kế laĩi trieảt Đeạ hơn, nên có theạ tiến haụnh các phép tắnh số nhanh gấp năm lần so với các heả thống DX2/66. Pentium coụn có các Đoại mới khác cũng góp phần laụm tăng hieảu năng cuủa nó. Pentium có moảt cache noải 8K duụng cho các leảnh vaụ moảt cache noải khác daụnh cho dữ lieảu. Caủ hai Đều Đươĩc thiết kế tối ưu cho những nhieảm vuĩ Đươĩc chuyên môn hóa nên laụm tăng Đáng keạ tốc Đoả cuủa boả VXL. Bus dữ lieảu 64 bit trong chip cho phép dẫn dữ lieảu với tốc Đoả không haĩn chế; chế Đoả chuyeạn taủi theo tưụng búi chẳng haĩn, Đã cho phép toaụn boả noải dung cuủa oạ cứng 528MB có theạ Đươĩc chuyeạn taủi dưới moảt giây.
Các loaĩi Pentium Đầu tiên (chip 66 MHz chẳng haĩn) tiêu thuĩ nhiều Đieản (5V) vaụ chaĩy bị nóng. Moảt năm sau, với công ngheả 0,6 micron, Pentium 90MHz có ký hieảu P54C haĩ Đieản áp hoaĩt Đoảng xuống 3,3V nên chaĩy bớt nóng nhiều.
* Pentium Pro laụ boả xưủ lý thuoảc thế heả tiếp sau cuủa Pentium maụ có nhiều ngươụi goĩi laụ Intel P6.
Ủươĩc Đưa vaụo sưủ duĩng cuối 1995 với số lươĩng chưa nhiều nhưng P6 Đã sớm Đươĩc hoan nghênh với kieạu thiết kế Đoại mới vaụ tốc Đoả xưủ lý nhanh cuủa nó; moĩi Điều Đó Đaĩt Đươĩc maụ không phaủi hy sinh sưĩ tương thắch ngươĩc với các phần mềm x86. Chip P6 laụ loaĩi superscalar, superpipelining (baủy bước cơ baủn trong ống dẫn
thay vì năm bước), có khaủ năng xưủ lý ba leảnh Đồng thơụi (Pentium chă hai leảnh). Khác với Pentium có thiết kế CISC, P6 Đươĩc chế taĩo theo cấu trúc RISC nhưng sưủ duĩng các maĩch thông dịch gắn trên board meĩ Đeạ chuyeạn Đoại các leảnh cuủa PC486 thaụnh các leảnh RISC.
Qua phân tắch hieảu năng cuủa Pentium, ngươụi ta thấy vieảc nâng cao tốc Đoả xưủ lý sẽ không có hieảu quaủ nhiều lắm nếu chă tăng số lươĩng ống dẫn, vì thế P6 duụng phương pháp thưĩc hieản theo suy Đoán (speculative execution) Đeạ tối ưu hóa quá trình xưủ lý, Đó laụ phương pháp lưu trữ vaụ phân tắch trên 30 leảnh trước khi chúng Đươĩc thưĩc hieản. Các leảnh naụy Đều dưĩ Đoán laụ sắp Đi qua boả xưủ lý nên Đươĩc hướng dẫn vaụ sắp xếp thứ tưĩ thắch hơĩp Đeạ tối thieạu hóa thơụi gian xưủ lý. Ủồng thơụi cũng nhơụ phương pháp suy Đoán naụy maụ P6 ắt gaẽp trươụng hơĩp phaủi nhốt leảnh vaụo ống dẫn (pipeline stall), khi có hai leảnh yêu cầu phaủi Đươĩc hoaụn thaụnh cuụng moảt lúc, như Pentium Đã mất rất nhiều thì giơụ vì nó. Nhơụ suy Đoán, P6 Đã nâng cao hieảu quaủ xưủ lý lên 100% so với Pentium.
Boả xưủ lý P6 coụn có moảt số tắnh năng tiên tiến khác: duụng phương pháp Đaẽt tên laĩi thanh ghi Đeạ tránh trươụng hơĩp tranh chấp thanh ghi, vaụ sưủ duĩng moảt giao dieản trưĩc tiếp tốc Đoả cao với cache thứ cấp nên không bị chaảm vì bus dữ lieảu, khi truy caảp cache. Tương Đương 5,5 trieảu transistor, P6 nguyên thuủy chaĩy với tốc Đoả 133 MHz, vaụ vaụo giữa 1996 Đã lên Đến 180 vaụ 200 MHz. Khi chaĩy với các phần mềm 16 bit (DOS), Pentium Pro không nhanh hơn Pentium bao nhiêu. Nếu duụng các phần mềm 32 bit, như Windows 95 vaụ Windows NT, thì Pentium Pro sẽ cho tốc Đoả kyủ luĩc.