40 Jahre 80386: Intels wichtigstes Produkt

Vor 40 Jahren stellte Intel seinen ersten echten 32-Bit-Prozessor vor, der damals noch keinen schicken Marketingnamen hatte. Schlicht „80386“ getauft, wurde diese CPU in zahlreichen Varianten mit erweitertem oder eingeschränktem Funktionsumfang bis zum Jahr 2007 gebaut – und zwar nicht nur von Intel. Die Anfänge der Architektur, die heute als „x86“ bekannt ist, waren allerdings holprig.

Im Jahr 1985 war Intel im PC-Boom, der vor allem die professionellen Umgebungen voll erreicht hatte, kräftig unter Druck. IBM hatte nämlich schon für den ersten PC, das Modell 5150 von 1981, vorgegeben, dass die Prozessoren von mehreren Herstellern kommen mussten. Einen einzelnen Lieferanten als „Single Source“ sah die Firma als zu riskant an. Also vergab Intel zahlreiche Lizenzen für Nachbauten, bei denen es nicht bleiben sollte. IBM selbst stellte den 8086 und dessen Nachfolger 8088 und 80286 her, ebenso andere Firmen wie Fujitsu, Mitsubishi, NEC, Siemens – und natürlich AMD.

Intel verpasst den 32-Bit-Anschluss fast

Diese Unternehmen beschränkten sich nicht nur auf Kopien der 80×86-CPUs, sondern erweiterten die Designs und steigerten die Taktfrequenzen, sodass Intel dringend eine komplett neue Architektur brauchte. Die sollte, wie bei den Motorola-CPUs der 68000-Serie, mit 32-Bit-Adressen und -Daten arbeiten können. Jene 68000er ermöglichten ab 1984 mit dem Apple Macintosh und 1985 mit dem Atari ST und Commodore Amiga eine neue Klasse von Heimcomputern, die viel billiger als PCs und dennoch leistungsfähig waren. Zwar waren die Rechenwerke (ALUs) des 68000 noch 16-bittig, doch schon 1984 machte der 68020 dieses kleine Manko wett.

Der Hoffnungsträger bei Intel war zunächst ein aus heutiger Sicht etwas krudes Design namens iAPX 432. 32-bittig war das, aber auf zwei Chips aufgeteilt, viel zu komplex und mit komplett neuem Befehlssatz. Das Hauptverkaufsargument für den PC war aber schon immer, dass alles abwärtskompatibel war. Zudem kam der 432 bei der Performance nicht aus dem Quark, parallel entwickelte Intel den 80386 als 32-Bit-Erweiterung.

Der Lückenfüller

Der 80386 kam ursprünglich als Lückenfüller und sollte die Zeit bis zum erhofften Erfolg des 432 überbrücken, wie sich einer der beiden 386er-Designer erinnert – ein gewisser Pat Gelsinger, der Jahrzehnte später CEO von Intel werden sollte, und im vergangenen Jahr in der nun größten Krise des Konzerns gegangen wurde. Ausführlich beschreibt er die 386-Entwicklung in seinem Gastbeitrag „For ever young“, (c’t 13/2003, S. 90-95).

Neben Gelsinger zeichnete John Crawford für den 386 verantwortlich. Von den beiden stammt auch das Standardwerk „Programming the 80386„, das erst 1987 erschien – praktisch, wenn die Chipdesigner sich auch gleich um die Software kümmern. Von Intel selbst gab es schon ein Jahr zuvor das „Programmer’s Reference Manual“ (PDF), das aber mehr Dokumentation aller Funktionen und weniger Praxishandbuch ist.

Crawford und Gelsinger brachten auf Basis des 80286 der Intel-Architektur nicht nur 32 Bit breite Register, Adress- und Datentypen bei, die auch als Busse nach außen geführt wurden. Damit der damals unvorstellbar große Adressraum von 4 GByte auch sinnvoll genutzt werden konnte, gab es mehrere Adressmodi sowie auch einen um ganze 54 Instruktionen erweiterten Befehlssatz. Als am cleversten sollten sich die Adressmodi erweisen, samt Speicherverwaltung in Hardware (MMU), was größere Betriebssysteme und Anwendungen ermöglichte. Und eine dreistufige Pipeline macht dem Ganzen Beine bei der Befehlsausführung.

Protected, Flat oder Real – viel RAM für jeden Zweck

Schon mit dem 80286 hatte Intel den sogenannten Protected Mode eingeführt, der Speicherbereiche von Anwendungen voneinander abschotten konnte. Der war jedoch recht umständlich zu programmieren, beim 80386 kamen dafür der Real Mode für DOS-Kompatibilität mit mehreren Instanzen und der „Flat Mode“ für große Speichermodelle hinzu. Ein bisschen Multitasking ermöglichte das schon auf Hardware-Ebene. Die Möglichkeiten des Prozessors wurden aber erst nach und nach durch DOS untergeschobene Speichermanager ausgelotet.

Die Fähigkeiten der neuen Architektur waren so verlockend, dass der erste PC mit einem 80386 nicht von PC-Erfinder IBM, sondern dem Konkurrenten Compaq erschien. Deren Modell Deskpro 386 trug auch den Namen des neuen Superchips in der Produktbezeichnung, zuvor waren PCs jenseits des 8086 als „XT“ (Extended Technology, 8088) oder „AT“ (Advanced Technology, 80286) mit diesen IBM-Bezeichnungen vermarktet worden. Der Deal mit Compaq rückte im ganzen Umfeld der Intel-Klone und Weiterentwicklungen den eigenen Prozessor ins Rampenlicht. Ein „386er“ wurde in der Folge zum Synonym für eine ganze PC-Kategorie. Die 20-MHz-Version von Compaqs Superrechner kostete übrigens 1988 schon in der Grundausstattung mit 1 MByte RAM ganze 16.000 Mark.

Der schnellste PC kommt nicht von IBM

Der erste Deskpro 386 erschien erst im September 1986, also fast ein Jahr nach Vorstellung des 80386. Der hatte anfangs mit Bugs und geringer Ausbeute bei der Chipfertigung zu kämpfen, sodass statt der erhofften 16 MHz bei einigen Chargen nur rund 12 MHz erreichbar waren. Einige Modelle waren sogar nur für 16-Bit-Software freigegeben, weil der Prozessor sich beim 32-Bit-Multiplizieren verrechnete. Anders als beim berüchtigten FDIV-Bug dokumentierte Intel das mit Aufdrucken auf den Prozessoren selbst. Diese Probleme waren knapp ein Jahr später überwunden, führten aber für die Bilanz 1986 zu den ersten roten Zahlen in der Geschichte von Intel. Der 80386 musste also unbedingt ein Erfolg werden.

1986 sagte Compaq-CEO Rod Canion der Zeitschrift Computerworld, es mache keinen Sinn, auf IBM zu warten. Und auf ein MS-DOS, das den 386er voll unterstützt, wollte die Firma auch nicht länger warten. Also kam der Deskpro mit Microsofts Unix-Derivat Xenix auf den Markt, zunächst überwiegend als Server. Wer selbst Software entwickelte, merkte aber schnell, was mit den 386-PCs möglich war. Als 1987 endlich IBM so weit war und seine 386er als PS/2 startete – wohlgemerkt ohne die Prozessornummer im Namen – hatten längst viele andere Unternehmen den Markt besetzt. Vieles, was sich IBM für PS/2 ausdachte, wie die Microchannel-Steckkarten, konnte sich nicht lange behaupten.

Windows/386 mit DOS-Multitasking

Ende 1987 erschien dann Windows 2.0, das es samt passendem DOS auch als Windows/386 gab. Das unterstützte den Protected Mode des 80386 so weit, dass sich mehrere DOS-Instanzen aus Windows heraus aufrufen ließen. Das war zwar nicht sonderlich stabil, auch später mit Windows 3.1 und Zusatzprogrammen wie Sidekick nicht, aber: Für manche Anwendungen, etwa beim Programmieren oder der Medienerstellung, waren mehrere DOS-Programme gleichzeitig ein Game-Changer. Auch zahlreiche andere Anwendungen erschienen als 386-Version, auf IBM mussten Interessierte auch da jedoch warten. Erst 1992 erschien deren OS/2 2.0, das den 80386 voll unterstützte.

In den Jahren nach der Markteinführung des ersten voll funktionsfähigen 80386 mit 16 MHz steigerte Intel den Takt auf bis zu 33 MHz, also eine Verdopplung – heute undenkbar. Andere Hersteller wie AMD und Chips & Technologies kamen durch viel Reverse Engineering auf bis zu 40 MHz. Am Ende der 386-Ära, und vor der Einführung des 80486, kam die Konkurrenz auf einen größeren Marktanteil als Intel selbst.

Ein 386 für jeden Einsatzbereich

Der damalige Prozessorprimus blieb jedoch im riesigen Boom der 386er-PCs nicht untätig. Der erste 80386 wurde in i386DX umbenannt, weil es 1988 die Sparversion i386SX gab, die nur einen Adressbus von 24 Bit besitzt und damit 16 MByte RAM ansteuern kann. Auch der Datenbus ist nur 16 Bit breit, die Befehlsverarbeitung und die Register sind 32-bittig und damit voll kompatibel zu 386-Software. Und 1990 erschien dann der i386SL mit teils statischer Bauweise. Der war recht sparsam und konnte Teilbereiche oder den ganzen Prozessor schlafen legen, was der neue „System Management Mode“ (SMM) erlaubte – auch da brauchte es aber wieder Anpassungen der Betriebssysteme. Und der Koprozessor 80387 eroberte die technische Welt. Diese Floating Point Unit (FPU) beschleunigte Gleitkommaoperationen gleich um mehrere Faktoren, wenn die Software passte – unter anderem CAD wurde so auf Desktop-PCs erst richtig möglich.

Insgesamt hatte die PC-Branche damit in nur fünf Jahren nach schleppendem Start ein Ökosystem geschaffen, in dem 386-Prozessoren die zentrale Rolle spielten. Und zwar vom Server bis zum mobilen Computer. Am Ende sogar so mobil, dass sich eine Embedded-Version (80386EX) im „Nokia Communicator 9000 fand, jenem großen Handy zum Aufklappen mit Tastatur und Faxfunktion sowie E-Mail-Zugang – auf der Cebit 1996 eine Sensation, wohlgemerkt: elf Jahre vor dem ersten iPhone.

Aus IA-32 wird x86

Ende der 1980er- und Anfang der 1990er-Jahre wurde damit klar, dass sich PC-Prozessoren recht gut in verschiedenste Anwendungsbereiche integrieren lassen. Und dass es dafür nicht einen einzelnen Branchenriesen wie IBM brauchte – selbst Intel war dabei von seiner späteren und jetzt verlorenen Dominanz weit entfernt. Der 80386 war für Intel dennoch so wichtig, dass das Unternehmen seine Architektur später in „IA-32“ (Intel Architecture, 32 Bit) umbenannte, oder kurz x86. Auch moderne x86-Prozessoren, selbst mit 64-Bit-Erweiterungen, die zuerst von AMD kamen, basieren im Kern noch auf der IA-32. Damit ist der 386er Intels wichtigstes Produkt aller Zeiten. Heute machen x86 zunehmend verschiedenste ARM-Varianten Konkurrenz, vom Smartphone über das Notebook bis hin zum KI-Rechenzentrum.

(nie)