1. Процесор Intel 80386 1 Кратко описание на процесор Intel 80386

Intel 80386 е създаден през 1985 г. Той има всички положителни черти на 8088, 8086 и 80286, като ги изпреварва по своите характеристики: по-висока тактова честота и производителност, работа без ограниченията, свързани със сегментацията на паметта и др. Всички микрокодове (последователност от битове, възприемани като команда за реализация на някаква функция) на неговия предшественик Intel 80286 влизат в множеството на микрокомандите (инструкциите) на Intel 80386. Затова старото програмно осигуряване може да се използва с Intel 80386.

1. 
   32-битова шина за данни – вътрешна и входно-изходна
   
2. 
   Увеличена тактова честота
   

• 
  80286 започва с честота 6 MHz и достига до 12,5, 16 и 20 (дори до 25) MHz.
  
• 
  80386 започва с честота 16 MHz и достига до 33 MHz.
  

3. 
   Подобрена архитектура на паметта
   

• 
  Увеличен брой адресни линии – 32. Това позволява пряко адресиране на 4 GB физическа памет
  
• 
  Възможност за работа с 16 TB (терабайта) виртуална памет. Виртуалната памет означава, че части от софтуера, които надхвърлят обема на инсталираната оперативна памет, автоматично се прехвърлят на твърдия диск, с други думи дискът играе ролята на разширение на оперативната памет.
  
• 
  Липса на сегментация на паметта – към паметта може да се обръщаме като към едно голямо поле, достъпно за програмите, т.е. програмите и структурите данни могат да заемат обем колкото цялата памет. Разделянето на паметта на сегменти е възможно, но не задължително. Сегментите могат да са произволни и не се ограничават по 64 К (но не повече от 4 GB, което не е съществено ограничение).
  
• 
  Кеш памет -16 KB (32, 64, 128 до 256 КВ) – Кеш паметта служи като посредник между процесора и оперативната памет, като осигурява на процесора най-често използваните команди и данни. Създаването на кеш паметта се налага поради голямата разлика между скоростите на процесора и оперативната памет. Ако отсъства кеш-паметта, процесорът трябва да извършва множество цикли на изчакване, докато паметта успее да му осигури необходимата информация. Кешът е специална високоскоростна вградена памет (обикновено статична памет SRAM), която се използва за съхраняване на няколкото следващи команди на микропроцесора. Още преди да се е появила необходимостта от кода на програмното осигуряване, специална схема зарежда в кеш паметта този код, независимо от изчисленията, които се извършват в момента от процесора. Използва се принципът 80/20, който гласи, че от всички програми и данни, които се ползват от компютъра 20% от тях се използват през 80% от времето. На база на този принцип в кеш паметта се зареждат най-скоро използваните от процесора инструкции и данни, като съществува голям шанс на процесора да му потрябват точно тези данни. Благодарение на бързодействието на тази памет и бързата й връзка с процесора, тя осигурява многократно по-висока скорост на достъп до информацията отколкото обикновената оперативна (динамична) памет. Ако необходимите данни липсват в кеш паметта, процесорът се обръща към оперативната памет.
  
• 
  Многорежимност. За да се осигури съвместимост с предишните микропроцесори и с огромната библиотека от DOS-програми, Intel 80386 може да работи в същите режими: реален и защитен, но се добавя и още един – виртуален реален режим.
  
  • 
    реален режим – режимът, в който работят процесори 8088 и 8086. Използват се 16-битови инструкции и адресиране до 1 MB с 20 адресни линии. Софтуерът, работещ в реален режим обикновено е еднозадачен – в даден момент може да работи само 1 програма. Не съществува вградена защита, която да предпазва отделните програми да се презаписват в паметта една върху друга (или дори върху операционната система), така че ако работят повече от една програми, всяка от тях може да доведе цялата система до срив и забиване;
    
  • 
    защитен режим (32-битов) – Програмите, работещи в този режим са защитени от презапис една върху друга в паметта. Освен това дадена отказала програма може да бъде прекратена, без това да се отрази на останалата част от системата. Защитеният режим поддържа многозадачност – паралелно изпълнение на няколко програми, което на практика се постига с последователното превключване на задачите. Със защитен режим разполага още 80286, но тези възможности са неприложими под DOS и могат да се използват едва при OS/2 и Windows. В защитен режим процесорът 386 се възползва от 32-битовата си архитектура, като изпълнява новият набор от 32-битови инструкции, работейки с 32-битова операционна система и 32-битови приложения. В защитен режим програмистът може да разполага с повече памет и той може да я управлява по-гъвкаво, понеже може да променя размерите на сегмента. Процесорът 80386 може да преминава от един режим в друг само чрез командите на програмното осигуряване, за разлика от Intel 80286, който изисква за такъв преход рестартиране на компютъра
    
  • 
    виртуален реален режим – представлява виртуална 16-битова среда в реален режим, която работи вътре в 32-битовият защитен режим. В този режим 80386 работи като неограничено количество процесори 8086 в едно и също време. Процесорът разбива паметта на множество виртуални машини, всяка от които работи като отделен компютър с чип 8086. Всяка машина може да стартира своя собствена програма, която е напълно изолирана от останалите. Това позволява да се изпълняват едновременно няколко ДОС програми на един компютър, без каквито и да било доработки на програмите.
    

Както преди това при 8088, който е създаден на основата на 8086, на базата на 32-битовия процесор 80386, чието точно означение е i386DX е създаден по-слаб процесор 386SX, който външно е с 16-битова шина за данни вместо 32-битова.

Компромисният вариант Intel 80386SX има по-малка мощност, но притежава останалите привлекателни страни на 80386. Той има 32-битови регистри и може да работи в същите режими. Съществуват две главни отличителни черти между тези два чипа:

• 
  Intel 80386SX има 16-битова входно-изходна шина и следователно неговите вътрешни регистри се запълват на 2 стъпки.
  
• 
  386SX използва 24-битово адресиране на паметта (като 286), а 386DX – 32-битово адресиране. Следователно 386SX може да адресира максимум 16MB физическа памет, докато 386DX адресира до 4 GB.
  

80386 SX е създаден да бъде съвместим по начин на съединяване с 80286, но в крайна сметка това не се е получило и те не са заменими. Основната причина е, че 80286 мултиплицира контактите си в шината (за някои сигнали се използват няколко извода). В Intel 80386SX липсва мултипликация. Затова за 80386SX се използва по-проста интерфейсна верига, което също намалява стойността на компютъра.

Освен тези версии, съществува и процесор 80386SL, който е с ниска консумация на енергия и се използва в преносими компютри.
2. Основни функционални блокове на дънна платка на компютърна система IBM/АТ с процесор 80386.

Първите компютърни системи с процесор 386 се предлагат през септември 1986 г. от Advanced Logic Research, а малко по-късно и от Compaq. Системата Compaq Deskpro 386 модел 40 включва 16 MHz Intel 80386 и 40 MB твърд диск за около 6500 US долара. Системи с процесор 80386 и негови клонинги се произвеждат до 1992-93 г.

• 
  Микропроцесор 80386. CPU на системата. Пакетиран е в PGA корпус със 132 извода. Изработва се по 1.5 микронна технология и съдържа 275 хил. транзистора.
  
• 
  Копроцесор 80387. Математически копроцесор за ускоряване на изчислителните операции. Копроцесор 80387 (за процесор 80386DX), 80387SX (за процесор 80386SX). Математически копроцесор за ускоряване на изчислителните операции. Изпълнява сложни математически изчисления с плаваща запетая, като разтоварва по този начин централния процесор, който е конструиран да работи с цели числа. От копроцесора печелят само тези програми, които изискват интензивни математически изчисления: електронни таблици, статистически програми, CAD системи, графични програми и др. Въпреки че 80387 работи асинхронно, 386 системите са конструирани така. че математическият копроцесор да работи с тактовата честота на основния процесор. За разлика от 80287, който е най-обикновен 8087 с пренаредени изводи, за да може да бъде поставян в 286 дъна, копроцесорът 80387 е специално проектиран да работи съвместно с 386.
  
• 
  RAM (Random Access Memory - памет с произволен достъп). Оперативна памет с обем максимално 4 GB. Използват се основно модули SIMM с 30 извода. Най-често компютрите се конфигурират с памет с обем 1, 2, 4, 8 или 16 MB, но може да достигнат до 64 MB (4 банки с 4 модула по 4 MB).
  
• 
  Кеш памет. Кеш паметта служи като посредник между процесора и оперативната памет, като осигурява на процесора най-често използваните команди и данни. Създаването на кеш паметта се налага поради голямата разлика между скоростите на процесора и оперативната памет. Ако отсъства кеш-паметта, процесорът трябва да извършва множество цикли на изчакване, докато паметта успее да му осигури необходимата информация. Кешът е специална високоскоростна вградена памет (обикновено статична памет SRAM), която се използва за съхраняване на няколкото следващи команди на микропроцесора. Още преди да се е появила необходимостта от кода на програмното осигуряване, специална схема зарежда в кеш паметта този код, независимо от изчисленията, които се извършват в момента от процесора. Използва се принципът 80/20, който гласи, че от всички програми и данни, които се ползват от компютъра 20% от тях се използват през 80% от времето. На база на този принцип в кеш паметта се зареждат най-скоро използваните от процесора инструкции и данни, като съществува голям шанс на процесора да му потрябват точно тези данни. Благодарение на бързодействието на тази памет и бързата й връзка с процесора, тя осигурява многократно по-висока скорост на достъп до информацията отколкото обикновената оперативна (динамична) памет. Ако необходимите данни липсват в кеш паметта, процесорът се обръща към оперативната памет.
  
• 
  ROM-BIOS (Read Only Memory - памет само за четене). Съдържа базовата входно-изходна система (BIOS), програмите за основните системни операции
  
• 
  Контролер на шината. Декодиране на сигналите на процесора и генериране на сигналите на шината (ALE, /AEN,..). При високо логическо ниво на сигнала AEN (Address Enable) управлението върху системната шина поема DMA-контролерът (осъществява се директен достъп до паметта), а при ниско- процесорът.
  
• 
  Тактов генератор: 82284. Генериране на системния такт. Логика за хардуерно начално установяване, генериране на сигнала Ready (чрез схемата процесорът получава информация дали периферията e готова за обработка на данните).
  
• 
  Контролери за прекъсванията: 8259. Управление на логиката за прекъсвания. За разлика от РС компютърът АТ има два контролера за прекъсванията и така се поддържат 16 канала. Сигналите за прекъсвания се из­ползват от хардуерните устройства за да се поиска от процесора изпълнение на някаква операция - устройството да получи или да предаде някаква информация, или да укаже че е приключило с подобна задача. При получаване на такъв сигнал процесорът прекъсва изпълнението на текущата програма, след което извършва съответните операции. След това изпълнението на програмата продължава точно от мястото, където тя е била прекъсната.
  
• 
  DMA-контролери: 8237. (DMA - директен достъп до паметта). Предаване на данни между периферните устройства и основната памет, без директното участие на микропроцесора. За разлика от РС, АТ има два контролера за директен достъп и така се поддържат 8 канала.
  
• 
  Таймер: 8254. Системен часовник, брояч и генериране на цикли за опресняване на паметта.
  
• 
  Интерфейс за клавиатура. Преобразуване на кода на контролера, намиращ се в клавиатурата.
  
• 
  Часовник за реално време (RTC – Real Time Clock): Motorоla 146818. Часовник за реално време с резервно батерийно захранване. Паметта RAM, включена към схемата, се използва и за съхраняване на данните за конфигурирането на системата.
  

Бла­годарение на бързото развитие на полупроводниковите технологии още при АТ системите с процесор 80286 започва процес на интеграция на някои от компонентите, които се обединяват в чипсети. Известни са чипсетите на производителите Chips and Technology, ETEQ, SiS, VLSI, Opti, Micronics, Eagle и др., като хардуерно тези чипсети може да се различават значително.

Например периферния контролер на SiS включва:

• 
  Два контролера за обработка на прекъсванията 8259
  
• 
  Два DMA-контролера 8237
  
• 
  74LS612 – регистър на страницата за DMA контролерите
  
• 
  Таймер/брояч 8254
  
• 
  Часовник/СМОS-RАМ
  
• 
  Различни интерфейси за съгласуване към периферната шина
  
  
  

• 
  Микропроцесор INTEL 80386 с тактова честота 16, 20, 25 или 33 MHz (дори 40 MHz).
  
• 
  32-битова адресна шина
  
• 
  Максимално 16 или 32 MB динамична памет RAM
  
• 
  Кеш памет - обикновено е 32 или 64 KB, но може да достигне до 128 или 256 КВ.
  
• 
  32-битов вход/изход (за процесори 386SX – 16-битов)
  
• 
  Цокъл за математически копроцесор 80387
  
• 
  5 до 8 бр. 16-битови разширителни слота (АТ-слот) и 4 до 8 бр. 8-битови разширителни слота (РС-слот)
  
• 
  Часовник/календар, CMOS-RAM с резервно батерийно захранване за съхраняване на конфигурацията
  
• 
  Един сериен и един паралелен интерфейс
  
• 
  Едно 5,25” флопидисково устройство с капацитет 1,2 MByte
  
• 
  Едно 3,5” флопидисково устройство с капацитет 720 KByte или 1,44 MByte
  
• 
  Твърд диск с капацитет 30 до 160 MB
  
• 
  Графична карта EGA или VGA
  
• 
  Захранващо устройство с форм-фактор AT, Baby-AT или LPX.
  

След появяването на пазара на 32-битовите процесори, какъвто е и 80386, възниква необходимостта за създаване на мощен интерфейс за тези процесори, който да позволи изграждането на многопотребителски и многозадачни системи. Шината ISA не е подходяща за тази цел тъй като има 16-битова архитектура и ниска скорост на трансфер, както и поради липсата на механизъм за арбитриране на шината.

С новата фамилия компютри PS/2 през 1987 г. IBM въвежда и нова системна шина, наречена MicroChannel. Тя е със съвсем различна структура и не позволява използването на старите карти ISA. С MCA (Micro Channel Architecture) IBM иска да въведе нов стандарт и по този начин да заеме господстващо положение на пазара на PC, като принуди трети производители да заплащат съответни лицензни такси за МСА-РС, както и да елиминира високо конкурентния пазар на PC c шина ISA.

Всичко това води до основаването на консорциум, търсещ създаването на алтернативна 32-битова архитектура, която да не прекъсва използването на стандарта ISA. Първоначално консорциумът включва около 50 големи производители, като Hewlett-Packard, Compaq, Epson, Olivetti и NEC. Разработеният нов стандарт получава наименованието EISA (Extended Industry Standard Architecture). Системата EISA запазва съвместимостта с по-старите карти ISA, но наследява някои от недостатъците на ISA.

• 
  32-битова шина за данни
  
• 
  32-битова адресна шина вместо 24-битова и оттук възможност за директно адресиране на 4 GByte вместо 16 MByte памет
  
• 
  10 MHz тактова честота на шината, асинхронна спрямо CPU такта
  
• 
  20 MByte/s максимална скорост за предаване на данни
  
• 
  Възможност за 16 управляващи шината устройства (Bus Master)
  
• 
  принципно различна от ISA, поради което липсва обратна съвместимост с 8-битовите и 16-битовите ISA карти
  
• 
  plug-and-play (самонастройваща се) още преди съществуването на официалната спецификация Plug and Play.
  
• 
  Автоматично конфигуриране чрез софтуер. МСА системите нямат джъмпери или DIP ключета - нито върху дънната платка, нито върху която и да е от разширителните карти. Настройката се извършва чрез специална Reference дискета, която се доставя с конкретната система, и Option дис­кети, които съпътстват всяка карта, инсталирана в системата. Reference дискетата съдържа специален BIOS и програма за настройване на системата, необходими на една МСА система - тя не може да се конфигурира без такава дискета.
  
• 
  Контролерът на прекъсванията се управлява само по ниво, възможни са 255 хардуерни прекъсвания
  
• 
  Променени слотове в сравнение с ISA. Изводите при слотовете MicroChannel ca c по-малки размери отколкото тези при слотовете ISA и EISA. Разстоянието между изводите е два пъти по-малко отколкото при системите ISA и е 1,27 mm между средите на два контакта. Освен това разширителните карти МСА са с по-голяма плътност, тъй като размерите на платките са около 40 % по-малки в сравнение с тези при другите системи.
  

• 
  32-битова шина за данни.
  
• 
  32-битова адресна шина вместо 24-битова адресна шина, което позволява адресирането до 4 GByte оперативна памет, вместо само до 16 MByte.
  
• 
  Автоматично конфигуриране чрез софтуер, а не чрез DIP-превключватели.
  
• 
  Възможност различни устройства да поемат управлението на шината (Bus Master). Съществена особеност при системите EISA e арбитрирането на шината. Не само намиращият се на дънната платка централен процесор или контролерът за DMA могат да поемат управлението на системната шина (Bus Master), a е възможно също процесор, намиращ се на разширителна карта, да поеме управлението на всички компоненти на PC, например оперативна памет и твърд диск.
  
• 
  32-битов DMA-цикъл вместо 8- или 16-битов при системите ISA.
  
• 
  Директният достъп до паметта (DMA) при системите EISA e подобрен значително в сравнение с този при системите ISA. Скоростта на DMA-обмена при EISA е до 33 MByte/s вместо 1-4 MByte/s при системите ISA. Докато при ISA са допустими блокове данни с обем 64 или 128 KByte, при системите EISA обемът на блока данни може да обхваща цялата възможна оперативна памет (до 4 GByte). Вградени са 3 нови DMA-режима (А, В и С) и е запазен стандартният ISA-режим:
  
  • 
    A. Съкратена фаза на обръщенията към паметта - 5 MByte/s
    
  • 
    В. Съкратена фаза на обръщенията към паметта и на входно-изходните операции - 8 MByte/s
    
  • 
    С. Режим Burst - 33 MByte/s
    
  • 
    Стандартен ISA-съвместим режим - 4 MByte/s
    Режимите A и В могат да се използват без изменения с карти ISA, докато режимът Burst може да се използва само с карти EISA.
    
• 
  Докато на DMA каналите в системите ISA са присвоени твърди приоритети - канал 0 има най-високия, а канал 7 - най-ниския, при системите EISA това не е така. Тук приоритетите се присвояват по ротационен принцип, за да се избягнат ситуации, при които дадено устройство с висок приоритет, което често дава заявки за обработка на данни, не блокира останалите и не ги поставя за продължително време в състояние на изчакване.
  
• 
  Контролерът на прекъсванията се управлява по нива, а не по фронтове, както е при системите ISA.
  

4. 
   Блокова схема на IBM/АТ с процесор 80386/80486 и шина MCA.
   

• 
  82С321: CPU и MicroChannel контролер
  

• 
  82С322: Page/lnterleave- и EMS контролер
  

• 
  82С223: Контролер за директен достъп до паметта (DMA)
  

• 
  82С325: Буфер за данни/контролер
  

Както и при други PC на дънната платка се намират различни шини.

Към локалната (процесорната) шина са включени както обикновено процесорът, копроцесорът, паметта DRAM със съответния контролер, както и DMA контролерът.

фиг. 2 Блокова схема на дънна платка на IBM/АТ с процесор 80386 и шина MCA
Към шината за периферията са включени контролер за клавиатура 8742, периферен контролер 82С226, флопидисков контролер NEC765, многофункционален контролер 82С607, както и EPROM¹ BIOS².

Периферният контролер 82С226 е със структура, подобна на тази на 82С206, но съдържа и необходимите допълнения за Micro-channel. Допълнителният периферен контролер 82С607 съдържа и UART³, наред с генератор на такт за един сериен интерфейс, както и допълнителна логика за флопидисковия контролер NEC765.

Към шината MCA е свързан графичният контролер VGA.

Връзките между различните шини се реализират с буфери и тригери, които не са изцяло показани на фигурата. Допълнително намаляване на броя на схемите върху платките МСА се получава, ако за периферните контролери (82С226, NEC765...) се използват интегрални схеми с висока интеграция, които включват множество компоненти в един корпус.

Първият набор чипове за системи EISA, който се разглежда и като стандартен за тези системи, е Intel 82350. Освен Intel се срещат малко други производители на чипсетове EISA (Opti, SiS), тъй като шината EISA не е толкова успешна, колкото се е очаквало.

Чипсетът на Intel включва следните елементи (фиг. 3):

82358 EBC (EISA Bus Controller - контролер на шината EISA): Основният чип в набора. Той реализира интерфейса между централния процесор и шината EISA и осъществява коректното съгласуване на сигналите на шината при работа с периферия ISA и EISA. Осъществява генериране на такт, генериране на сигналите на шината и на слотовете, управление на контролера за кеш-паметта, управление на буферирането на данни и адреси.

82357 ISP (Integrated System Peripheral - интегрирана системна периферия): Схемата за периферията предлага известните и при шината ISA функции на контролер на прекъсванията и на контролер за директен достъп до паметта, които обаче са разширени с особеностите за шината EISA, като подобрен обмен при директен достъп до паметта, управление на прекъсванията по ниво и арбитриране на шината. Освен DMA-контролер и контролер за обслужване на прекъсванията тази схема включва и логика за опресняване на паметта, логика за арбитриране, управление на NMI, таймер.

82352 EBB (EISA Bus Buffer - буфер на шината EISA): Обикновено се използват две схеми 82352 - по един драйвер за адресите и за данните.

Контролерът за динамичната и за кеш-паметта не принадлежи към набора чипове EISA и в конкретния случай е използвана схемата 82385.

Както и при MicroChannel, чрез EISA не се постига изместване на шината ISA - това се осъществява едва чрез шината PCI. Известно време се предлагат дънни платки, които наред със слотовете ISA разполагат и със слотове EISA и PCI, но при тях постигането на оптимална конфигурация обикновено е проблематично.

PC EISA се използват основно като мрежови сървъри.

фиг. 3 Блокова схема на дънна платка на IBM/АТ с процесор 80386/80486 и шина EISA

1. 
   Дембовски, Клаус. PC Сервизен справочник. т.2 Дънни платки.BIOS Setup. С., Техника, 2000.
   
2. 
   Мюлер, Скот. Компютърна енциклопедия. 14-то издание. С., СофтПрес, 2002.
   
3. 
   http://www.old-games.ru/wiki/index.php?title=Intel_80386Games.RU Wiki
   
4. 
   http://stason.org/TULARC/pc/motherboards
   
5. 
   Ken Polsson. Chronology of Personal Computers. http://www.islandnet.com/~kpolsson/comphist/
   
6. 
   B. Ram Computer fundamentals: architecture and organization