Bộ xử lý P1 và P2 của máy tính

Intel giới thiệu bộ xử lý P1 – 8086 vào tháng 6 năm 1978, nó là một trong các chip xử lý 16 bit đầu tiên trên thị trường tại thời điểm đó. Bộ xử lý P2 – hay chip 286 được Intel giới thiệu năm 1982, là CPU đầu tiên sau IBM PC AT không bị các vấn đề không tương thích.

Những bộ xử lý P1 (086)

8086 có thanh ghi nội bộ 16 bit và có thể chạy lớp phần mềm dùng các tập lệnh 16 bit. Nó cùng có một đường dân dữ liệu ngoài 16 bit cho phép nó truyền dữ liệu đến bộ nhớ 16 bit trong cùng thời điểm.

Bus địa chỉ dung lượng 20 bit cho phép 8086 định vị 1MB (220) bộ nhớ đủ. Điều này trái ngược hoàn toàn đối với phần lớn chip khác có thanh ghi nội bộ 8 bit, bus dữ liệu ngoài 8 bit và bus địa chỉ 16 bit cho phép tối đa chỉ 64KB RAM (216).

Không may, đa số máy tính cá nhân tại thời điểm này dùng bộ xử lý 8 bit, chạy hệ điều hành và phần mềm 8 bit CP/M (Control Program for Microprocessors). Các thiết kế bo mạch cũng 8 bit. Xây dựng hệ thống bộ nhớ và bo mạch chủ 16 bit đủ thì mắc, như máy tính giá cao để không ai mua nổi.

Chi phí cao do 8086 cần một bus dữ liệu 16 bit hơn là bus 8 bit rẻ hơn. Các hệ thống luôn có sẵn là 8 bit và doanh thu thấp của 8086 cho Intel thấy rằng mọi người chưa sẵn sàng trả khoản thêm của thiết kế 16 bit. Intel bèn giới thiệu một loại phiên bản khập khiễng của 8086, được gọi là 8088. 8088 thực chất xóa 8 bit cua 16 bit trên bus dữ liệu, biến 8088 thành chip 8 bit mãi đến khi dữ liệu đầu vào và đầu ra được quan tâm. Tuy vậy, bởi vì vẫn giữ lại các thanh ghi nội bộ 16 bit và bus địa chỉ 20 bit, 8088 chạy được phần mềm 16 bit và có khả năng định vị đủ 1MB RAM.

Vì những lý do này, IBM chọn chip 8 bit 8088 cho máy tính cá nhân IBM đầu tiên. Những năm sau đó, IBM bị chỉ trích vì dùng 8 bit 8088 thay vì 16 bit 8086. Hồi tưởng lại, thực là quyết định khôn ngoan. IBM thậm chí che đậy thiết kế vật lý bằng sự quảng cáo, máy tính cá nhân mới của họ có “bộ vi xử lý 16 bit tốc độ cao.” IBM có thể nói vậy bởi vì 8088 vẫn chạy cùng phần mềm 16 bit như 8086, chỉ là chậm hơn tí. Thực tế, các nhà lập trình đều nghĩ về 8088 như một chip 16 bit do không có cách (chương trình) phân biệt 8088 với 8086. Điều này cho IBM phân phát PC khả năng chạy phần mềm thế hệ mới 16 bit, trong khi vẫn giữ thiết kế 8 bit rẻ hơn nhiều. Do điều này, IBM PC thực sự thấp giá hơn PC thông dụng nhất tại thời điểm Apple II. Theo những người quan tâm đến chuyện này, IBM PC có giá $1,265 và chỉ bao gồm 16KB RAM, trong khi Apple II cấu hình tương tự $1,355!

Bộ xử lý 8088 được giới thiệu vào tháng 6 năm 1979 nhưng mãi đến tháng 8 năm 1981 thì máy tính cá nhân IBM sử dụng bộ xử lý này mới chính thức trình làng. Trở ngược lại, một thời gian chậm đáng kể thường xảy ra giữa sự giới thiệu một bộ xử lý mới và các hệ thống gắn kết với nó. Điều này không giống như ngày nay, các bộ xử lý mới và các hệ thống dùng chúng được phát hành cùng một ngày.

Bộ xử lý 8088 trong máy IBM PC chạy với tốc độ 4.77MHz, tập lệnh trung bình đạt 12 chu kỳ để hoàn tất.

Người sử dụng máy tính tự hỏi tại sao mức của bộ nhớ quy ước (conventional-memory barrier) 640KB tồn tại nếu chip 8088 có thể định vị 1MB bộ nhớ, lý do vì IBM dự trữ 384KB của phần trên khoảng trống địa chỉ 1024KB (1MB) của 8088 cho những card tương thích (adapter cards) và hệ thống BIOS. Phần dưới 640KB là bộ nhớ quy ước để ứng dụng DOS và ứng dụng phần mềm hoạt động.

Những bộ xử lý P2 (286)

Các nhà chế tạo máy tính khác sản xuất ra máy tính được biết như máy nhái IBM, với nhiều trong số những nhà sản xuất này gọi hệ thống của họ là các máy tính lớp AT hay tương thích AT.

Khi IBM phát triển AT, việc lựa chọn 286 như phần cơ sở cho hệ thống mới bởi vì chip này tương thích với 8088 sử dụng trên trên máy tính và XT. Do vậy, phần mềm được viết cho những chip này chạy được trên 286. Chip 286 nhanh gấp nhiều lần 8088 được sử dụng trên XT. Tốc độ xử lý hay băng thông của AT đầu tiên (6MHz) nhanh gấp 5 lần hơn máy tính 4.77MHz. 

Có nhiều lý do giải thích các hệ thống 286 nhanh hơn các bộ xử lý trước. Lý do chính là bộ xử lý 286 có nhiều tiện lợi trong thực thi tập lệnh. Một tập lệnh trung bình đạt 12 chu kỳ đồng hồ trên 8086 và 8088 nhưng trên bộ xử lý 286 thì chỉ mất 4.5 chu kỳ. Thêm nữa chip 286 có thể đạt tới 16 bit dữ liệu tại một một thời điểm thông qua bus dữ liệu ngoài gấp đôi của 8088.

Chip 286 có hai chế độ hoạt động: chế độ thực và chế độ được bảo vệ. Hai chế độ phân biệt đủ để làm 286 giống hai chip trong một chip, ở chế độ thực (real mode) chip 286 hoạt động cơ bản giống như chip 8086 và hoàn toàn tương thích mã đối tượng với 8086 và 8088 (Một bộ xử lý tương thích mã đối tượng có thể chạy những chương trình được viết cho những bộ xử lý nguyên bàn khác và thực thi mỗi tập lệnh hệ thống trong cùng một cách).

Trong chế độ được bảo vệ (Protected mode) chip 286 thực sự là điều mới mé. Trong chế độ này một chương trình thiết kế để sử dụng lợi thế của các khả năng con chip mà tin là sẽ truy cập tới 1GB bộ nhớ (bao gồm bộ nhớ ảo). Tuy nhiên con chip 286 chỉ có thể định vị chỉ 16MB bộ nhớ phần cứng. Một thất bại đáng lưu ý ở con chip 286 là nó không thể chuyển từ chế độ được bảo vệ qua chế độ thực mà không cần tái xác lập phần cứng của hệ thống (warm reboot). (Tuy nhiên nó có thể chuyển từ chế độ thực qua chế độ được bảo vệ không cần phài điều chỉnh lại). Một cải thiện chính của 386 qua 286 là phần mềm có thể chuyển chip 386 từ chế độ thực qua chế độ được bảo vệ và ngược lại. Xem phần đầu “Các chế độ bộ xử lý” trong chương này.

Chỉ một số nhỏ phần mềm tận dụng lợi thế của chip 286 được bán cho mãi đến khi Windows 3.0 cho chế độ tiêu chuẩn tính tương thích 286; thời gian đó, chip bán chạy nhất là 386. Tuy vậy, 286 vẫn là nỗ lực đầu tiên của Intel để sản xuất ra một chip CPU hỗ trợ đa nhiệm cho máy tính bàn hay laptop, trong đó có thể vận hành nhiều chương trình tốt cùng lúc.