Intel Pentium

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Produktion:	1993 bis 1999
Produzent:	Intel
Prozessortakt:	60 MHz bis 300 MHz
FSB-Takt:	50 MHz bis 66 MHz
L1-Cachegröße:	16 KiB bis 32 KiB
Fertigung:	800 nm bis 250 nm
Befehlssatz:	x86
Mikroarchitektur:	P5
Sockel: Sockel 4 Sockel 5 Sockel 7
Namen der Prozessorkerne: P5 P54 P54CS P55C Tillamook

Pentium 66 (P5)

Der Pentium ist ein 1993 von Intel vorgestellter Prozessor (CPU). Er war der Nachfolger der erfolgreichen i486-CPU-Baureihe aus demselben Hause. Als der Pentium angekündigt wurde, rechnete die Fachwelt mit der Fortsetzung des bis dahin üblichen Namensschemas bei x86-Prozessoren. Demnach hätte die CPU 80586 oder kurz i586 heißen müssen. Ende 1992 ließ Intel dann aber verlauten, dass die zur CeBIT 1993 angekündigte CPU den Namen Pentium tragen solle. Pente (πέντε) – das griechische Wort für fünf – sollte nun der fünften x86-Generation aus dem Hause Intel den Namen geben.

Intel begründete diesen Schritt mit der Unmöglichkeit, Zahlen markenrechtlich schützen zu lassen. Bei den i486-Prozessoren hatte Intel zu spüren bekommen, was es bedeuten kann, wenn die Konkurrenz wie z. B. Cyrix den gleichen Namen verwenden darf wie das Original.

Die Familie der Pentium-Prozessoren

Pentium sollte dann aber nicht nur die fünfte, sondern auch die sechste und siebte x86-Generation aus dem Hause Intel heißen. Heute trägt eine ganze Prozessor-Dynastie diesen Namen. Dem Pentium folgten der Pentium Pro, der Pentium II, Pentium III, Pentium 4, Pentium M, Pentium D und der Intel Pentium Dual-Core. Obwohl diese Prozessoren außer dem Befehlssatz kaum Gemeinsamkeiten mit dem ersten Pentium haben, tragen sie seinen Namen.

Von vielen Leuten wurde der Name Pentium deshalb synonym zum aktuellen Pentium-Prozessor benutzt, was eine begriffliche Abgrenzung vom ursprünglichen Pentium manchmal nicht ganz einfach macht. Aus diesem Grund hat sich für die erste Pentium-Familie später auch die Bezeichnung Pentium-1 eingebürgert, obwohl Intel ihn nie so bezeichnet hat.

Die Pentium-1-Familie

Pentium-1-Familie

Auf dem Bild rechts kann man typische Vertreter aller drei Typen der Pentium-1-Familie sehen, zum Teil mit verschiedenen Gehäusevarianten. Im Zentrum liegt ein Pentium 60, darüber ein Pentium 200. Im Uhrzeigersinn folgen ein Pentium 120, ein Pentium 233 MMX, dann zwei Pentium 75 mit verschiedenen Gehäusevarianten und schließlich ein Pentium 166 MMX.

Technisches

Blockdiagramm des Intel Pentium.

Alle Pentium-1-Prozessoren basieren auf dem Kern des Pentium-60/66, der Intel-intern auch als P5 bezeichnet wurde. Trotzdem hat sich P5-Familie – im Gegensatz zur P6-Familie – nie als Bezeichnung für die Pentium-1-Familie eingebürgert. Anders als beispielsweise der Pentium Pro stammt der Pentium vom selben Entwicklerteam, das auch schon den 486er entwickelt hatte.

Der Pentium war der erste superskalare CISC-Mikroprozessor der Welt. Man integrierte hierbei RISC-Technologie, ohne dabei die Abwärtskompatibilität zum 486 zu verlieren. Vom 486 zum Pentium vollzog sich die größte technische Änderung in der Geschichte der 8086er-Linie.

Bereits der 486er führte einfache Befehle in einer Art Pipeline aus. Im Gegensatz zum Pentium waren dessen Pipelinestufen aber eher geschickt zusammengeschaltete Funktionsgruppen, wie man sie bereits vom 386er kannte. So konnten das Befehlholen (instruction fetching, fetch), die Befehlsdekodierung (decode) und die Befehlsausführung (execute) zwar weitgehend parallel ablaufen, es war aber nicht möglich, die an der Befehlsausführung beteiligten Funktionseinheiten besser auszulasten, indem man sie einfach parallel arbeiten ließ, wenn die Befehlsabfolge es erlaubte.

Das sollte der Pentium ändern. Er besaß zwei Integer-Pipelines, eine Gleitkomma-Pipeline, dynamische Sprungvorhersage, getrennte Daten- und Code-Caches mit einer Größe von jeweils 8 KiB und einen 64 Bit breiten externen Datenbus mit schnellen Burst-Modi, um den externen Cache schnell anbinden zu können. Hinzu kamen weitere Funktionen, wie ein System-Management-Mode (SMM), hardware-unterstütztes Performance-Monitoring und Execution-Tracing. Die beiden Pipelines erlauben es dem Pentium, zwei an der Befehlsausführung beteiligte Funktionseinheiten parallel arbeiten zu lassen, wenn sich die Möglichkeit bietet (Integer- und Gleitkomma-Operationen können weitgehend unabhängig voneinander ausgeführt werden). Die dynamische Sprungvorhersage gleicht einen konzeptionellen Nachteil der Pipeline-Architektur aus: Falls ein Sprung erfolgt, werden die Ergebnisse bereits abgearbeiteter Teilbefehle ungültig, weshalb der komplette Inhalt der Pipeline verworfen werden muss (so genannter Pipeline-Flush). Der Adressbus blieb 32 Bit breit (4 GiB Adressraum), was zu dieser Zeit weit ausreichte, da die Chipsätze Caching nur in einem kleinen Teil des Adressraums zuließen.

Der FDIV-Bug

Erst anderthalb Jahre nach seiner Vorstellung sorgte der Pentium mit einem spektakulären Designfehler für Aufsehen. Der FDIV-Bug – wegen seiner Popularität manchmal auch etwas unspezifisch lediglich als Pentium-Bug bezeichnet – erschütterte das Vertrauen vieler Anwender in die noch junge Pentium-Familie, deren Mitglieder zur damaligen Zeit erst mit Taktfrequenzen von 60, 66, 75, 90 und 100 MHz verfügbar waren.

Varianten des Pentium-1

Der P5-Pentium

Die erste Generation des Pentium, der P5, wurde auf der CeBIT 1993 vorgestellt. Die beiden einzigen Vertreter des P5 sind der Pentium 60 und der Pentium 66. Beide arbeiten mit einer Versorgungsspannung von etwa 5 Volt und sind von Haus aus nicht Multiprocessing-fähig. Sie unterstützen aber bereits das MESI-Protokoll zur Sicherstellung der Cache-Kohärenz im Mehrprozessorbetrieb. Ihr Kern wird – vergleichbar dem der ersten 486-Prozessoren – noch mit derselben Taktfrequenz betrieben wie das Businterface. Beide CPUs passen ausschließlich in den Sockel 4 und unterscheiden sich ansonsten funktional nur unwesentlich von ihrem Nachfolger, dem P54C.

Trotz seines fortschrittlichen Designs war der P5 kein großer Erfolg für Intel. Das war aber keineswegs mangelnden technischen Qualitäten zuzuschreiben; vielmehr hatte sich Intel einen hausinternen Konkurrenten geschaffen, den mit 100 MHz getakteten i486-Prozessor DX4. Komplettsysteme mit dem DX4 waren in der Anschaffung deutlich günstiger und standen zumindest solchen mit Pentium 60 in Sachen Rechenleistung kaum nach. Zudem konnte der DX4 nachgerüstet werden, wenn bereits ein 486er-Mainboard vorhanden war, was keine guten Startvoraussetzungen für den neuen Prozessor bot.

Ein weiteres Problem ist die Versorgungsspannung von etwa 5 Volt. In Verbindung mit den damals oft zu knapp dimensionierten Kühlkörpern (die zur Zeit der Einführung des Pentium noch nicht immer erforderlich und daher wenig verbreitet waren) und Lüftern führt dies zu einer starken Erwärmung der CPU und oft sogar angrenzender Komponenten auf dem Mainboard (Wärmeleitung über die Leiterbahnen aus Kupfer), was meist zu einem instabilen Betrieb des Computers führt.

Der P54C-Pentium

Ein geöffneter Pentium 90

Der P54C-Pentium, der auch als Pentium-S bezeichnet wird, wurde zur CeBIT 1994 vorgestellt. Er kam zuerst mit 90 und 100 MHz und kurz darauf auch mit 75 MHz auf den Markt. Bis ins Jahr 1997 folgten noch Versionen mit 120, 133, 150, 166 und 200 MHz. Im Gegensatz zum P5 hat der P54C einen onchip-APIC und ist somit von Haus aus Multiprocessing-fähig. Trotzdem garantierte Intel nicht bei allen CPUs für die Funktionsfähigkeit des APIC, weshalb auch Versionen verkauft wurden, die den Multiprozessorbetrieb nicht unterstützten. Darüber hinaus besitzt der P54C das verbesserte, so genannte SL-enhanced Power Management. Für den P54C war zunächst der Sockel 5, später auch der Sockel 7 vorgesehen. Die Versorgungsspannung konnte auf 3,3 V gesenkt werden.

Im Gegensatz zu seinem Vorgänger, dem P5, wurde der P54C ein großer Erfolg für Intel. Es sollte fast zwei Jahre dauern, bis konkurrenzfähige Pentium-Klone auf den Markt kamen. Während Intel den Pentium favorisierte, schlachtete die Konkurrenz – ebenfalls erfolgreich – die 486er-Plattform zunächst weiter aus. So brachten AMD und Cyrix weiterhin schnelle 486er-Prozessoren auf den Markt, Ende 1995 – unter dem Namen 5x86 – sogar solche, die es durchaus mit einem Pentium 75 aufnehmen konnten. Zu dieser Zeit war Intel aber bereits beim Pentium 133. Im Laufe des Jahres 1996 konterte AMD mit dem 5k86, dem späteren K5 und Cyrix mit dem 6x86. Letzterer schaffte es sogar, bei der Integer-Rechenleistung dem damals schnellsten Pentium gefährlich zu werden. Aber bevor der 6x86 sich richtig etablieren konnte, konterte wiederum Intel Anfang 1997 mit einer Weiterentwicklung des P54C, dem P55C.

Der P55C-Pentium (Pentium MMX)

Blockdiagramm des Intel Pentium MMX.

Der P55C wurde in Intels Forschungs- und Entwicklungszentrum in Haifa (Israel) entwickelt. Er ist der letzte und leistungsfähigste Prozessor aus der Pentium-1-Familie. Der Verkauf erfolgte unter der Bezeichnung Pentium MMX, da er als erster Prozessor mit Intels neuer MMX-Befehlssatzerweiterung ausgestattet ist. Den Pentium MMX gibt es mit Taktfrequenzen von 133 bis 300 MHz, wobei 133, 266 und 300 MHz der mobilen Variante vorbehalten bleiben. Da CPU-Kern und Businterface beim P55C mit verschiedenen Spannungen betrieben werden, benötigt er eine spezielle Form des Sockel 7, den so genannten Split-Voltage-fähigen Sockel 7, nicht zu verwechseln mit dem Super-Sockel 7.

Darüber hinaus wurde der P55C intern erheblich verbessert. Er behielt zwar im Wesentlichen die Architektur des P54C bei, optimierte und ergänzte sie aber an vielen Stellen. So besitzt der P55C doppelt so große Caches wie seine Vorgänger, hat eine deutlich verbesserte – vom Pentium Pro übernommene – Sprungvorhersage, vier statt zwei Schreib-Puffer und einen CPU-internen Return-Stack zur Beschleunigung von Unterprogramm-Rücksprüngen. Auch seine Pipelines wurden verbessert. So können sie nun auch mit Befehlskombinationen (so genannte Befehlspaarungen) parallel beschickt werden, die vorher nicht möglich waren, und eine zusätzliche Stufe wurde hinzugefügt.

Obwohl die Verbesserungen an der Pipeline hauptsächlich wegen der Erweiterung um die MMX-Befehle vorgenommen wurden, profitieren auch Nicht-MMX-Anwendungen davon. Unterm Strich machen sich die Verbesserungen in einer deutlichen Leistungssteigerung bemerkbar. Der P55C ist bei Nicht-MMX-Anwendungen im Mittel etwa 15 bis 20 Prozent schneller als ein gleichgetakteter P54C, wobei ein großer Teil dieser Steigerung dem größeren Cache zuzurechnen ist.

Als PentiumODPMT (P54CTB, P5-Overdrive-Prozessor) existierten Versionen des P5-MMX, die aufgrund eines integrierten Spannungswandlers auch auf Mainboards mit Sockel 5, also ohne geteilte Spannungsversorgung, einsetzbar waren.

Modellübersicht

Pentium und Pentium MMX

Codename	P5		P54C				P54CS (Pentium-S)				P55C						Tillamook*
Produktcode	80500/ 80501		80502								80503
L1-Cache (Daten + Instruktionen)	8 + 8 KiB		8 + 8 KiB								16 + 16 KiB
Fertigungstechnik (µm)	0,80 BiCMOS		0,60 BiCMOS oder 0,35 BiCMOS*				0,35 BiCMOS				0,35 CMOS (später 0,28)						0,25 CMOS
Anzahl Transistoren (Mio.)	3,1		3,3				3,3				4,5						4,5
Die-Größe (mm²)	294		148 bei 0,6 µm / 91 (später 83) bei 0,35 µm								141 bei 0,35 µm / 128 bei 0,28 µm						90
Sockel	Sockel 4		Sockel 5/7				Sockel 5/7				Sockel 7						–
Gehäuse	CPGA		CPGA/TCP*				CPGA/PPGA/TCP*				CPGA/PPGA/TCP*						TCP/TCP auf MMC-1
Taktfrequenz (MHz)	60	66	75	90	100	120	133	150	166	200	120*	133*	150*	166	200	233	166	200	233	266	300
FSB (MHz)	60	66	50	60	66	60	66	60	66		60	66	60	66			66
TDP (max. W)	14,6	16	8** 4,4*	9** 7,3*/**	10,1** 5,9*	12,8** 7,1*	11,2** 7,9*	11,6** 10,0*	14,5**	15,5**	?	7,8	8,6	13,1 9,0*	15,7	17	4,1	5,0	5,5	7,6	?
Vcore	5,0	5,0	3,3 2,9*	3,3 2,9*	3,3 2,9*	3,3 2,9*	3,3 2,9*	3,3 3,1*	3,3	3,3	2,8	2,45	2,45	2,8 2,45*	2,8	2,8	1,8	1,8	1,8	2,0	?
Eingeführt	22. März 1993		10. Oktober 1994	7. März 1994		27. März 1995	Juni 1995	4. Januar 1996		10. Juni 1996	27. März 1995–1. November 1995			8. Januar 1997		2. Juni 1997	August 1997			Januar 1998	Januar 1999

* Diese sind nur verfügbar als Mobile Pentium oder Mobile Pentium MMX für Laptops.
** Nicht TDP, sondern Max. Active Power Dissipation

Pentium MMX Overdrive

Codename	P54CTB
Produktcode	PODPMT60X150		PODPMT66X166	PODPMT60X180		PODPMT66X200
L1-Cache (Daten + Instruktionen)	16 + 16 KiB
Fertigungstechnik (µm)	0,35
Sockel	Sockel 5/7
Gehäuse	CPGA mit Kühlkörper, Lüfter und Spannungsregler
Taktfrequenz (MHz)	125	150	166	150	180	200
FSB (MHz)	50	60	66	50	60	66
Upgrade für	Pentium 75	Pentium 90	Pentium 100, 133	Pentium 75	Pentium 90, 120, 150	Pentium 100, 133, 166
TDP (max. W)	15,6		15,6	15,6		18
Vcore	3,3		3,3	3,3		3,3

Embedded Versionen des Pentium MMX

Codename	P55C		Tillamook
Produktcode	FV8050366200	FV8050366233	FV80503CSM66166	GC80503CSM66166	GC80503CS166EXT	FV80503CSM66266	GC80503CSM66266
Fertigungstechnik (µm)	0,35		0,25
Taktfrequenz (MHz)	200	233	166	166	166	266	266
FSB (MHz)	66	66	66	66	66	66	66
Gehäuse	PPGA	PPGA	PPGA	BGA	BGA	PPGA	BGA
TDP (max. W)	15,7	17	4,5	4,1	4,1	7,6	7,6
Vcore	2,8	2,8	1,9	1,8	1,8	1,9	2,0

Weitere Pentium-Modelle

• 1995: Pentium Pro, Workstations und Server
• 1997: Pentium II, Nachfolger des Pentium-1 im Massenmarkt, abgeleitet vom Pentium Pro
• 1999: Pentium III, Pentium II mit SSE-Befehlssatz
• 2000: Pentium 4, Nachfolger des Pentium III, vollkommene Neuentwicklung, basierend auf der NetBurst-Architektur, unterstützt SSE2-Befehlssatz
• 2003: Pentium M, stromsparender Mobilprozessor, abgeleitet vom Pentium III
• 2005: Pentium D, Dual-Core-Version des Pentium 4
• 2007: Pentium Dual-Core, eine Variante des Intel Core 2 Duo und damit abgeleitet vom Pentium III
• 2010, 2011: Pentium G, eine Variante des Intel Core i3 und damit eine Weiterentwicklung des Intel Core 2 Duos

Quellen

Intel Datenblätter:

• Pentium (P5): http://datasheets.chipdb.org/Intel/x86/Pentium/24159502.pdf
• Pentium (P54C): http://datasheets.chipdb.org/Intel/x86/Pentium/24199710.PDF
• Pentium MMX (P55C): http://datasheets.chipdb.org/Intel/x86/Pentium%20MMX/24318504.PDF
• Mobile Pentium MMX (P55C): http://datasheets.chipdb.org/Intel/x86/Pentium%20MMX/24329204.PDF
• Mobile Pentium MMX (Tillamook): http://datasheets.chipdb.org/Intel/x86/Pentium%20MMX/24346802.PDF

Siehe auch

• Liste von Mikroprozessoren
• AMD K5
• AMD K6
• Cyrix 5x86
• Cyrix 6x86
• NexGen Nx586
• Rise mP6
• IDT/Centaur WinChip C6

Liste der Mikroprozessoren von Intel | Intel-Prozessoren | Modellnummern

Non-x86-Prozessoren: 4004 | 4040 | 8008 | 8080 | 8085 | iAPX 432 | i860 | i960 | Itanium | Itanium 2

Bis 4. Generation: 8086 | 8088 | 80186 | 80188 | 80286 | i386 | i486DX | i486DX2 | DX4 | i486GX | i486SL/SL-NM | i486SX | i486SX2

Pentium-Serie:  Desktop: Pentium (MMX) | Pentium II | Pentium III | Pentium 4 | Pentium 4 XE | Pentium D | Pentium XE | Pentium Dual-Core  

Mobil: Mobile Pentium 4 | Pentium M | Pentium Dual-Core   Server: Pentium Pro

Atom-Serie:  Atom  

Celeron-Serie:  Desktop: Celeron (P6) | Celeron (NetBurst) | Celeron D | Celeron (Core) | Celeron Dual-Core   Mobil: Mobile Celeron | Celeron M

Core-Serie:  Core Solo | Core Duo | Core 2 | Intel-Core-i-Serie: Core i3, Core i5, Core i7 (Liste)

Xeon-Serie:  Server: Xeon (P6) | Xeon (NetBurst) | Xeon (Core) | Xeon (Nehalem)