Intel 80386

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	; Intel i386DX, 16 MHz
Produktion:	1985 bis 2007
	Produzenten: Intel; AMD; IBM;
Prozessortakt:	12 MHz bis 40 MHz
L1-Cachegröße:	0 KiB
Fertigung:	1,5 µm bis 1,0 µm, CMOS
Befehlssatz:	x86 bis IA-32 (16-/32-Bit)
	Sockel: DX-Variante: 132-pin PGA; DX-Variante: 132-pin PQFP; SX-Variante: 088-pin PGA; SX-Variante: 100-pin PQFP;

Der 80386 ist ein x86-Prozessor mit 32-Bit-Architektur, die von Intel unter dem Markennamen i386 (anfangs iAPX 386) als Nachfolger des 80286 entwickelt und von 1985 bis September 2007 produziert wurde. Das 386er-Design wurde später von AMD in Lizenz gefertigt und die Prozessoren als Am386 verkauft; IBM lizenzierte den i386SX und entwickelte daraus den verbesserten IBM 386SLC. Mehrere Firmen entwickelten kompatible eigene Prozessoren, beispielsweise Chips & Technologies, Cyrix oder NexGen.

Geschichtliche Bedeutung

Mit dem 80386 vollzog Intel auf der x86-Architektur, ursprünglich eine reine 16-Bit-Architektur, den Wechsel auf eine vollwertige 32-Bit-Architektur. Eingeführt als i386 wurde die 32-Bit-x86-Architektur von Intel retronym in „

Intel Architecture 32-Bit

“, oder abgekürzt IA-32, umbenannt. Die Funktionen des i386 sind auch in allen Nachfolgemodellen bis zum Core i9 (Stand 2019) immer noch vorhanden und, gleichzeitig diente IA-32 auch anderen Herstellern als Vorlage für eigene x86-Prozessoren. Die Register dieser Prozessorfamilie sowie der Adressraum der Architektur sind 32 Bit breit. Auf der Grundlage der i386-Architektur und späteren Erweiterungen (allen voran SSE) baut auch die von AMD um die Jahrtausendwende entwickelte 64-Bit-Erweiterung „x86-64“ auf.

Der 80386 wird weiterhin für Steuerungsaufgaben (z. B. in Telefonvermittlungsanlagen) sowie in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Der Grund liegt darin, dass seine Rechenleistung für diese Aufgaben vollkommen ausreicht und er als vollständig durchgetestet gilt – das heißt, dass er allen denkbaren Situationen schon ausgesetzt war und daher mit keiner existierenden oder kommenden Software noch ein unvorhergesehenes Verhalten zu erwarten ist. Ein weiterer Grund ist seine hohe Resistenz gegen Strahlung.

Die Entwicklung bei Intel leitete ab 1982 John Crawford.

Architektur

Intel 80386: Funktionsblockschaltbild

Die eines Intel i386DX-25 (SX215)

Die eines Intel i386DX-33 IV (SX544)

Die eines Intel 80386 SX (NG80386SX-20 C STEP)

Varianten

Es gab insgesamt vier Varianten dieser CPU, welche sich im Datenbus und im Einsatzzweck unterschieden. Die Produktion des i386EX als Embedded-Version des i386SX wurde erst im Jahr 2007 eingestellt.

Intel386SX

Eine Variante des 80386 ist der 80386SX. Er besitzt nur einen 16 Bit breiten externen Datenbus und einen 24 Bit breiten Adressbus, behält intern aber die 32-Bit-Mikroarchitektur des 80386 bei. Der 24 Bit breite Adressbus beschränkt den adressierbaren physischen Speicher des 386SX zwar auf 16 MiB; angesichts eines zu Beginn der 1990er Jahre im Heimbereich üblichen Speicherausbaus von zumeist maximal 4 MiB war das aber keine gravierende Einschränkung, zumal viele 386SX-Mainboards einen Speicherausbau von 16 MiB auch nicht erlaubten. Aus Sicht des Programmierers besteht praktisch abgesehen von der Speicherlimitierung kein Unterschied zwischen dem 386SX und dem „echten“ 80386, der zur Unterscheidung von seinem kleinen Bruder nach dessen Einführung in 80386DX umbenannt wurde. Aufgrund der verringerten Datenbusbreite und niedrigerer verfügbarer Taktfrequenzen erreicht der 386SX gegenüber dem 386DX nur eine deutlich geringere Ausführungsgeschwindigkeit.

Intel386SL

Der Intel386SL ist eine Version des i386SX für tragbare Computer. Mit ihm wurde der System Management Mode (SMM) eingeführt, der zu Stromsparzwecken die CPU in Tiefschlaf versetzen kann.

RapidCad

Der RapidCad war ein auf 486-Technik basierendes Upgrade für 386-Systeme. Der RapidCad bestand aus zwei Chips, dem RapidCad1 und dem RapidCad2, wobei ersterer die 80386-CPU und letzterer den 80387-Coprozessor ersetzte. Der RapidCad2 enthielt aber keineswegs die Elektronik des Coprozessors, sondern lediglich eine Logik zur Erzeugung externer Bussignale. Der eigentliche Coprozessor befand sich schon im RapidCad1 integriert.

Gegenüber einem i386-System mit i387-Coprozessor brachte der RapidCad – je nach Anwendung – eine moderate Leistungssteigerung von ungefähr 30 Prozent; an ein System mit 80486-Prozessor reichte die Leistung aber nicht heran. Neben dem hohen Preis sorgte unter anderem dieser Umstand dafür, dass der RapidCad keine weite Verbreitung erfuhr, weshalb die beiden Chips heute begehrte Sammlerobjekte sind.

Segmente

Der 80386 kann direkt bis zu 4 GiB Hauptspeicher adressieren (386SX: 16 MiB). Der logische Adressraum beträgt 2⁴⁶ Byte = 64 TiB, welcher aber nur theoretisch vollständig nutzbar ist. Der Prozessor verwendet dabei im Protected Mode die segmentierte Speicheradressierung mit 16 bit breiten Selektoren und – je nach Betriebsmodus – 16 oder 32 Bit breite Offsets.

Die Segmentierungseinheit unterstützt vier Privilegstufen, die für folgende Aufgaben vorgesehen sind:

Ring 0 – für den Kernel und Gerätetreiber
Ring 1 – für Treiber, die keinen unbeschränkten Hardwarezugriff benötigen (z. B. Dateisystemtreiber), nur selten genutzt
Ring 2 – für Systemdienste
Ring 3 – für die Ausführung von normalen Anwendungen

Nur wenige PC-Betriebssysteme haben diese vier Privilegienstufen genutzt. Meist werden (auch aufgrund der Kompatibilität zu anderen Prozessorarchitekturen, die nur zwei Privilegienstufen kennen) nur Ring 0 (für Kernel und (Basis-)Treiber) und Ring 3 (für allen übrigen Code) verwendet.

Bezüglich Sicherheit ist der Protected Mode dem flachen Adressiermodell, das sich nunmehr durchgesetzt hat, deutlich überlegen. Dennoch benutzen nahezu alle neueren PC-Betriebssysteme für Anwendungsprogramme ausschließlich das “Flat Memory”-Modell. Dieses vereinfacht die Programmierung und ist auf andere Prozessorarchitekturen übertragbar, die keine Segmentierungseinheit besitzen.

Hardwareseitig ist auch die parallele Nutzung von Segmentierung und Paging möglich. Dabei wird zuerst durch die Segmentierung die lineare Adresse berechnet und dann über das Paging in die physische Adresse umgesetzt. Ohne Paging entspricht die lineare Adresse der physischen Adresse.

Bei Verwendung eines sogenannten “Flat Memory”-Modells, bei dem Daten-, Code- und Stacksegment in einen linearen 4-GiB-Adressraum der Anwendungsprogramme eingeblendet werden, ist der Speicher innerhalb der Anwendungsprogramme über einfache 32-Bit-Offsets adressierbar. Damit wird der Speicherschutz, den die Segmentierungseinheit bietet, ausgehebelt. Im von AMD eingeführten

Long Mode

in 64-Bit-x86-Prozessoren wurde keine Erweiterung der Segmentierung vorgesehen, sodass bei x64 nur noch ein

“Flat Memory”

-Modell nutzbar ist. Die Paging-Einheit ermöglicht nur einen relativ einfachen, seitenbasierten Speicherschutz. Inzwischen wird versucht, den mit dem

“Flat Memory”

-Modell verbundenen Sicherheitslücken durch neue Hardwareerweiterungen wie NX-Bit (ab dem Athlon 64) oder SMEP beizukommen.

Paging

Zur Verwaltung dient nun eine zusätzliche Ebene, welche 4 KiB große Speicherseiten (englisch

memory pages

) verwendet. Die Basisadressen aller Seiten werden in Seitentabellen (englisch

page tables

) verzeichnet. Diese werden in Seitenverzeichnissen (englisch

page directories

) zu 1024 Einträgen gespeichert. Ein Adressraum der Größe 4 GiB wird folglich in 1024 × 1024 Seiten zu 4 KiB aufgeteilt. So kann die lineare 32-Bit-Adresse in drei Bestandteile aufgeteilt werden:

12 bit – Offset in der Speicherseite
10 bit – Index auf Seitentabelle
10 bit – Index auf Seitenverzeichnis

Auf der Seitenebene gibt es zwei Privilegstufen:

Supervisor-Mode – für Betriebssystem und Treiber (Ring 0, 1 und 2)
User-Mode – für Anwendungsprogramme (Ring 3)

In Klammern ist die Entsprechung der Segmentprivilegien angegeben.

Register

Er hat acht allgemeine 32-Bit-Register, die zwar teilweise spezielle Verwendungszwecke im Zusammenhang mit verschiedenen Befehlen haben, aber ansonsten frei zum Rechnen und allgemeinen Datenaustausch verwendet werden können:

Die „General-Purpose“-Register des 80386
Abk.	Name	Spezielle Verwendung
EAX	Accumulator	niederwertiger Teil und erster Operand bei Multiplikation; Quotient bei Division; BCD-Befehle
EBX	Base Register	keine (Das 16-Bit-Register BX konnte im 16-Bit-Modus zur Index-Adressierung benutzt werden; im 32-Bit-Modus ist dies mit allen “General-Purpose”-Registern möglich.)
ECX	Count Register	Schleifenzähler für JCXZ und LOOP; Verschiebedistanz von Verschiebebefehlen
EDX	Data Register	höherwerter Teil bei Multiplikation; Rest bei Division; Portadresse für die Befehle IN reg,DX und OUT DX,reg
EBP	Base Pointer	Wird zur Adressierung des Stackframe für lokale Variablen/Parameterübergabe benutzt.
ESP	Stack Pointer	Zeiger auf die aktuelle Position im Stacksegment; nur eingeschränkt allgemein verwendbar, da dieses Register angibt, wo die Rücksprungadresse von Unterprogrammen und Interrupts gespeichert wird.
ESI	Source Index	Quelle für String-Operationen
EDI	Destination Index	Ziel für String-Operationen

Daneben gibt es auch noch weitere Register zur Steuerung des Verhaltens der CPU:

Die Spezialregister des 80386
Abk.	Name	Verwendung
EIP	Instruction Pointer	Zeigt auf den nächsten auszuführenden Befehl.
EFLAGS	Flag Register	Die einzelnen Bits besitzen unterschiedliche Bedeutungen und zeigen z. B. Überläufe bei arithmetischen Operationen u. ä. an.
CS	Code Segment	Segmentselektor des Codesegmentes (in dem der aktuell auszuführende Programmcode steht)
DS	Data Segment	Segmentselektor des Datensegmentes (in dem die globalen Daten des Programms stehen)
SS	Stack Segment	Segmentselektor des Stacksegmentes (in dem der Stack für die lokalen Daten und Rücksprungadressen stehen)
ES	Extra Segment	Segmentselektor eines weiteren Datensegmentes (wird z. B. für String-Kopierbefehle verwendet)
FS und GS	Extra Segment 2 und 3	Segmentselektoren zweier weiterer Datensegmente
GDTR	Global Descriptor Table Register	Speichert lineare Adresse und Größe der GDT
LDTR	Local Descriptor Table Register	Segmentselektor für das Segment, das die gerade aktive LDT enthält (Es können sich in der GDT zeitgleich mehrere LDT Einträge befinden)
IDTR	Interrupt Descriptor Table Register	Speichert die lineare Adresse und Größe der IDT
CR0...CR3	Control Register 0...3	Steuern u. A. das Paging, den Koprozessor und den Protected Mode (Untere 16 Bit des CR0 sind das vom 80286 übernommene MSW)
TR6...TR7	Test Register 6...7	Zum Überprüfen des Translation Lookaside Buffer (TLB).
DR0...DR7	Debug Register 0...7	Dienen zum Festlegen von vier Breakpoints auf Prozessorebene (DR0...DR3) u. a.
TR	Task Register	Segmentselektor des aktiven Task Status Segments (TSS) (Es können sich zeitgleich mehrere TR in der GDT und LDT befinden)

Alle General-Purpose-Register, sowie EIP und EFLAGS, sind auf 32 Bit erweiterte (das E kommt vom englischen extended) Versionen entsprechender 16-Bit-Register der Vorgänger 8086 bis 80286.

Prozessor-Bugs

POPA/POPAD-Bug

Dieser Fehler tritt bei allen 386ern auf. Wenn unmittelbar nach dem POPA- oder POPAD-Befehl ein Befehl folgt, bei dem eine Speicheradresse aus einem Basis- und Indexregister berechnet wird, ist der Wert im EAX-Register undefiniert. Wird als Basis- oder Indexregister beim Speicherzugriff EAX benutzt, bleibt der Prozessor hängen (nur POPA). Der Linux-Kernel führt beim Booten einen Test durch und gibt bei vorhandenem Fehler die Meldung Checking for popad bug... Buggy. aus, bootet anschließend aber weiter.

Überprüfung der Grenze des TSS

Der Prozessor überprüft, ob die eingetragene Größe des Task Status Segments (TSS) groß genug ist. Die Ausnahme 10 wird immer dann ausgelöst, wenn das TSS kleiner als 101 Byte ist, sollte aber eigentlich schon bei kleiner als 103 Byte auslösen.

Modelldaten

i386DX

Intel i386DX, 25 MHz

L1-Cache: nicht vorhanden
L2-Cache: vom Mainboard abhängig
Bauform: PGA oder PQFP mit 132 Pins
Betriebsspannung (VCore): 5 V
Erscheinungsdatum: 17. Oktober 1985
Fertigungstechnik: Erste Typen CHMOS III mit 1,5 µm, später CHMOS IV mit 1,0 µm
Die-Größe: 104 mm² (ca. 10 mm × 10 mm, CHMOS III) und 39 mm² (6 mm × 6,5 mm, CHMOS IV)
Transistoranzahl: 275.000
Taktraten:
- 12 MHz (erste Modelle des i386)
- 16 MHz
- 20 MHz
- 25 MHz
- 33 MHz

i386SX 16 MHz

i386SX

L1-Cache: nicht vorhanden
L2-Cache: nicht vorhanden
Bauform: PQFP mit 100 Pins, PGA mit 88 Pins
Betriebsspannung (VCore): 5 V
Erscheinungsdatum: 16. Juni 1988
Fertigungstechnik: CHMOS IV, 1,0 µm
Die-Größe: 104 mm² bei 275.000 Transistoren
Taktraten:
- 16 MHz
- 20 MHz
- 25 MHz
- 33 MHz

i386SL

i386SL 20 MHz

Version des i386SX für tragbare Computer. Mit ihm wurde der System Management Mode (SMM) eingeführt, der zu Stromsparzwecken die CPU in Tiefschlaf versetzen kann.

L1-Cache: nicht vorhanden
L2-Cache: 16 bis 64 KiB möglich
Bauform: PGA mit ? Pins, PQFP mit 132 Pins
Betriebsspannung (VCore): 5 V
Erscheinungsdatum: 15. Oktober 1990
Fertigungstechnik: 1,0 µm
Die-Größe: ? mm² bei 855.000 Transistoren
Taktraten:
- 20 MHz
- 25 MHz

RapidCAD-1

Intel RapidCAD-1

Anzahl Transistoren: 800.000
Herstellungsprozess: 0,8 µm
Cache: on-board, kein on-die-Cache
Architektur: 80486-Technik mit 80386-Befehlssatz und -Pinout
Coprozessor: Integriert
Gehäuse: 132 Pin, PGA
Leistungsaufnahme: 3,5 Watt
Taktraten: 25 und 33 MHz

RapidCAD-2

Intel RapidCAD-2

Der RapidCAD-2 ist ein PLA zur Erzeugung des FERR-Signals.

Eingeführt: 1992
Anzahl Transistoren: 275.000
Herstellungsprozess: 0,8 µm
Gehäuse: 68 Pin, PGA (für 387er-Sockel)
Taktraten: 25 und 33 MHz

i376

Ein Intel i376

Der i376 ist ein Embedded-Prozessor auf Basis des i386SX und kann als Vorgänger des i386EX angesehen werden. Er unterstützt keinen Real Mode und kein Paging.

Datenbus: 16 Bit
Adressbus: 24 bit
L1-Cache: nicht vorhanden
L2-Cache: nicht vorhanden
Bauform: PQFP mit 100 Pins und PGA-88
Betriebsspannung (VCore): 5 V
Erscheinungsdatum: 16. Januar 1989
Einstellung der Produktion: 15. Juni 2001
Fertigungstechnik: CHMOS IV, 1,0 µm
Die-Größe: ?
unterstützte FPU: 80387SX
Besonderheiten: bootet im Protected Mode (unterstützt keinen Real-Mode)
Taktraten:
- 16 MHz
- 20 MHz

i386EX, i386EXTB und i386EXTC

i386EXTC

Embedded-Version des i386SX mit System- und Powermanagement.

Funktionen

zwei 82C59A Interrupt-Controller
Timer, Counter (drei Kanäle)
asynchrone SIO (zwei Kanäle)
synchrone SIO (ein Kanal)
Watchdog-Timer (Hardware/Software)
PIO

Datenbus: 16 Bit
Adressbus: 26 Bit
L1-Cache: nicht vorhanden
L2-Cache: nicht vorhanden
externe FPU: i387SX oder i387SL
Bauform: PQFP mit 132 Pins, SQFP mit 144 Pins und PGA mit 168 Pins
Betriebsspannung (VCore): 2,7 V bis 5,5 V
Erscheinungsdatum: 1994
Fertigungstechnik: 0,8 µm
Die-Größe: ? mm² bei ? Transistoren
Taktraten:
- 16 MHz – i386EX, bei 2,7 V bis 3,3 V
- 20 MHz – i386EX, bei 3,0 V bis 3,6 V
- 25 MHz – i386EX, bei 4,5 V bis 5,5 V
- 20 MHz – i386EXTB, bei 2,7 V bis 3,6 V
- 25 MHz – i386EXTB, bei 3,0 V bis 3,6 V
- 25 MHz – i386EXTC, bei 4,5 V bis 5,5 V
- 33 MHz – i386EXTC, bei 4,5 V bis 5,5 V

i386CXSA und i386SXSA (auch als i386SXTA)

i386CXSA

Embedded CPU mit transparentem Powermanagement-Modus, integrierter MMU und TTL-kompatiblen Eingängen (nur SXSA-Version).

Datenbus: 16 Bit
Adressbus: 26 Bit (24 Bit bei i386SXSA)
L1-Cache: nicht vorhanden
L2-Cache: nicht vorhanden
externe FPU: i387SX oder i387SL
Bauform: PQFP mit 100 Pins
Betriebsspannung (VCore):
- 4,5 V bis 5,5 V (25 und 33 MHz)
- 4,75 V bis 5,25 V (40 MHz)
Erscheinungsdatum:
Fertigungstechnik: CHMOS V, 0,8 µm
Die-Größe: ? mm² bei ? Transistoren
Taktraten:
- 25 MHz
- 33 MHz
- 40 MHz

i386CXSB

Embedded CPU mit transparentem Powermanagement-Modus und integrierter MMU.

Datenbus: 16 Bit
Adressbus: 26 Bit
L1-Cache: nicht vorhanden
L2-Cache: nicht vorhanden
externe FPU: i387SX oder i387SL
Bauform: PQFP mit 100 Pins
Betriebsspannung (VCore):
- 3,0 V bei 16 MHz
- 3,3 V bei 25 MHz
Erscheinungsdatum:
Fertigungstechnik: CHMOS V, 0,8 µm
Die-Größe: ? mm² bei ? Transistoren
Taktraten:
- 16 MHz
- 25 MHz

Andere Hersteller

Diese Variante des weitverbreiteten AMD Am386DX-40 wurde direkt auf die Hauptplatine gelötet.

Single Board Computer mit i386SX-40-kompatiblen ALi M6117C für den ISA-Bus und mit Anschluss für PC/104

PC/104-Modul (oben) mit i386SX-kompatiblen M6117D von DM&P

AMD

IBM

386SLC

Siehe auch

Liste der Mikroprozessoren von Intel

Weblinks

Commons: Intel i386 – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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