Những bộ xử lý thế hệ thứ tư

Mặc dù các bộ xử lý thế hệ thứ tư là sự tinh lọc hơn là thiết kế lại, Intel 80486 (thông thường được viết tắt như 486) vẫn là bước nhảy vọt chủ yếu trong cuộc đua tốc độ.

Sự cải tiến của bộ xử lý 486

Năng lượng thêm vào trong 486 khích động sự phát triển to lớn trong công nghệ phần mềm. Hàng chục triệu bản Windows, hàng triệu bản OS/2 được bán rộng khắp do 486 rõ ràng thực hiện GUI của Windows và OS/2, một lựa chọn thực tế cho mọi người làm việc với máy tính của họ mỗi ngày.

486 là một họ bộ xử lý, bao gồm DX, SX và một số những biến thể khác, với các tính năng chính:

Thời gian thực hiện tập lệnh giảm – thực hiện một tập lệnh đơn trên chip 486 chỉ cần hai chu kỳ đồng hồ, so sánh với chip 386 mất tới 4 chu kỳ đồng hồ.

Bộ nhớ đệm nội bộ (Level 1) – Bộ nhớ đệm dựng sẵn có hit ratio 90%-95%, mô tả các hoạt động đọc trong tình trạng chờ zero (zero-wait-state) xảy ra. Các bộ nhớ đệm ngoài được cải tiến cho tỉ lệ này cao hơn.

Chu kỳ bộ nhớ chế độ truyền loạt – Một chuyển giao bộ nhớ 32-bit (4-byte) tiêu chuẩn mất hai chu kỳ đồng hồ. Sau chuyển giao 32 bit tiêu chuẩn, nhiều dữ liệu lên tới 12 byte kế tiếp (hay 3 chuyển giao) có thể được chuyển giao chỉ trong một chu kỳ đồng hồ được dùng cho mỗi chuyển giao 32-bit (4-byte). Theo cách đó 16 byte kế tiếp dữ liệu bộ nhớ liên tiếp có thể chuyển giao 5 chu kỳ thay vì 8 chu kỳ hay nhiều hơn. Hiệu quá này có thể lớn hơn khi những chuyến giao chỉ có 8 bit hay 16 bit một lần chuyển giao.

Bộ đồng xử lý số cải tiến (đồng bộ) tích hợp (ở một số phiên bản) – Bộ xử lý tính toán chạy đồng bộ với bộ xử lý chính và thực thi những tập lệnh tính toán trong vài chu kỳ. Trung bình bộ done xử lý xây dựng cho những chip dòng DX tính toán nhanh gấp ba lần chip 387.

Chip 486 nhanh gấp hai lần chip 386 ở cùng xung, là lý do tại sao sự ra đời của 486 lại giết chết 386 trên thị trường.

Bộ xử lý 486DX

Bộ xử lý Intel 486DX đầu tiên được giới thiệu vào 10/4/1989 và hệ thống máy tính sử dụng chip này xuất hiện trong suốt năm 1990. Chip đầu tiên có tốc độ tối đa 25MHz, sau đó là 33MHz và 50MHz, 486DX đầu tiên chỉ khả năng ở 5V, phiên bản PGA 168 chân, sau đó có phiên bản mới 5V, gói phẳng bằng nhựa có bốn cạnh 196 chân (PQFP: Plastic quad flat pack) và 3.3V gói phẳng bốn cạnh nhỏ 208 chân (SQFP: smaL1 quad flat pack). Những hệ số mẫu sau này phù hợp với phiên bản SL mở rộng hướng tới gọn dễ mang đi và những ứng dụng của máy xách tay trong đó tiết kiệm năng lượng là quan trọng.

Bộ xử lý 486DX được chế tạo với công nghệ CMOS năng lượng thấp. Con chip có một thanh ghi nội bộ 32 bit, một bus dữ liệu ngoài 32 bit, và một bus địa chỉ 32 bit. Kích thước này bằng với bộ xử lý 386DX. Chip 486DX chứa 1.2 triệu bóng bán dẫn trên một miếng silic không rộng hơn móng ngón tay cái. Một con số gấp 4 lần số thành phần trên bộ xử lý 386 và sẽ cho một chỉ số tốt về nguồn năng lượng của chip 486. Khuôn của 486 được thể hiện trong hình 3.27.

Chip tiêu chuẩn 486DX chứa bộ xử lý, bộ dấu chấm động (bộ đồng xử lý số), bộ quản lý bộ nhớ và bộ điều khiển bộ nhớ đệm với 8KB RAM bộ nhớ đệm nội bộ. Nhờ vào bộ nhớ đệm nội bộ và bộ xử lý nội bộ hữu hiệu mà những bộ xử lý dòng 486 có thể thực thi những tập lệnh riêng chỉ trong trung bình 2 chu kỳ bộ xử lý. So sánh số liệu này với họ 286 và 386 thực thi trung bình 4.5 chu kỳ cho tập lệnh. Cũng so sánh nó với các bộ xử lý 8086 và 8088 thực thi trung bình 12 chu kỳ cho tập lệnh. Do đó tại tốc độ xung cho sẵn (MHz), bộ xử lý 486 thì hiệu quả gấp hai lần bộ xử lý 386.

Bộ xử lý 486SL

Chip 486SL là chip độc lập có dòng đời ngắn. Những cải tiến và tính năng của SL được đưa vào tất cả bộ xử lý 486 (SX, DX và DX2) và gọi là Phiên bản cái tiến SL. Nó là thiết kế đặc biệt kết hợp với tính năng tiết kiệm năng lượng.

Chip cải tiến SL cơ bản là thiết kế cho hệ thống máy xách tay chạy trên pin xạc nhưng nó cũng thích hợp với hệ thống máy để bàn. Nó nổi trội với kỹ thuật quản lý nguồn năng lượng đặc biệt như chế độ nghỉ và giảm xung để giảm sự tiêu thụ năng lượng khi cần thiết. Những chip này có sẵn trong phiên bản 3.3V.

Intel thiết kế kiến trúc quản lý năng lượng gọi là chế độ quản lý hệ thống (SMM: System Management Mode). Chế độ hoạt động này thì biệt lập và độc lập với phần cứng và phần mềm CPU. SMM cung cấp nguồn phần cứng như những bộ định giờ, những thanh ghi và những logic I/O khác mà có thể điều khiển và tắt nguồn điện cho những thành phần máy tính di động không cần kết nối với bất kỳ nguồn hệ thống nào khác. SMM thực thi trong không gian bộ nhớ đặc biệt gọi là bộ nhớ quản lý hệ thống (System Management Memory), không thể thấy hay không tích hợp trong hệ điều hành và phần mềm ứng dụng. SMM có bộ ngắt gọi là bộ ngắt quản lý hệ thống SMI (System Management Interrupt) phục vụ sự quản lý nguồn năng lượng và độc lập (ưu tiên cao hơn) với bất kỳ bộ ngắt khác.

SMM quản lý nguồn năng lượng uyển chuyển và an toàn, một tính năng không có ở các chip trước. Thí dụ như một SMI xày ra khi một chương trình ứng dụng cố gắng truy cập một thiết bị ngoại vi đưa đến tắt nguồn năng lượng tiết kiệm của pin, bật nguồn năng lượng thiết bị ngoại vi và thực thi lại những tập lệnh I/O một cách tự động.

Intel cũng thiết kế một tính năng khác gọi là Hoãn/Tiếp tục lại (Suspend/Resume) trong bộ xử lý SL. Nhà sản xuất hệ thống có thể dùng tính năng này để cung cấp người dùng máy tính để bàn khả năng tắt mở chốc lát (on-and off capability). Một hệ thống SL đặc thù có thể tiếp tục (instand on) trong một giây từ trạng thái hoãn (instant off) qua chính xác nơi nó bắt đầu ngưng. Ta không cần phải khởi động lại, tải hệ điều hành hay tải những ứng dụng và dữ liệu của chúng. Đơn giản chỉ ấn nút hoãn/tiếp tục lại (Suspend/ Resume button) và hệ thống sẵn sàng hoạt động.

CPU SL được thiết kế để tiết kiệm năng lượng ở trạng thái chờ. Hệ thống này có thể ở trạng thái chờ ở nhiều tuần và chưa khởi động ngay tại thời điểm không dùng. Một hệ thống SL có thể chứa dữ liệu làm việc trong bộ nhớ RAM an toàn trong thời gian dài ngay trong trạng thái chờ nhưng tốt nhất là bạn nên lưu trữ dữ liệu vào đĩa cho đảm bảo.