Benutzer:Ruscsi/Pentium

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Intel Pentium

einige Mitglieder der Pentium-1-Familie
Produktion: 1993 bis 2001
Produzent: Intel
Prozessortakt: 60 MHz bis 300 MHz
FSB-Takt: 50 MHz bis 66 MHz
Befehlssatz: x86
Mikroarchitektur: Intel P5
Sockel:
Namen der Prozessorkerne:
  • P5 (800 nm)
  • P5T (800 nm, Overdrive für Performance Upgrade Sockel)
  • P54C, P54CT (500 nm)
  • P54CT (500 nm, Overdrive für Sockel 5-Boards)
  • P54CS (350 nm)
  • P54CQS (350 nm)
  • P55C, P54CTB (280 nm, MMX, Mobile MMX, Overdrive MMX)
  • Tillamook (250 nm, Mobile MMX)

Der Pentium ist ein Mikroprozessor von Intel. Er ist der Nachfolger der erfolgreichen i486-CPU-Baureihe und wurde am 3. März 1993 auf der CeBit vorgestellt. Zunächst rechnete die Fachwelt mit der Fortsetzung des zuvor üblichen Schemas bei der Benennung von Intels x86-Prozessoren, wonach die neue CPU 80586 oder kurz: i586 hätte heißen müssen. Ende 1992 gab Intel dann erstmals den Namen Pentium bekannt, welcher sich von Pente (πεντε), dem griechischen Wort für fünf ableitet. Intel begründete die neue Bezeichnung mit der Unmöglichkeit, Zahlen markenrechtlich schützen zu lassen. CPUs der 386- und 486-Baureihen wurden zuvor von Intels Konkurrenten unter ähnlichen Bezeichnungen auf den Markt gebracht und machten es für Intels Marketting schwer, das „Original“ von den CPUs der Mitbewerber abzugrenzen. Diesen Fehler wollte man wahrscheinlich nicht noch einmal machen.

Der Pentium implementierte als erster x86-Prozessor Techniken, wie sie zum Zeitpunkt seiner Vorstellung nur bei RISC-CPUs bspw. der MIPS-, SPARC-, PA-RISC-, PowerPC- und Alpha-Baureihen üblich waren. CPUs dieser Baureihen wurden damals vorwiegend in teuren und leistungsfähigen Workstations von Herstellern wie Sun, DEC, IBM und HP eingesetzt. Trotzdem gelang es erst dem im Herbst 1995 vorgestellte Pentium Pro in diesem Marktsegmenten respektable Marktanteile zu erringen.

Die Familie der Pentium-Prozessoren

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Den Namen Pentium tragen aber nicht nur alle CPUs der fünften, sondern auch viele Mitglieder der sechsten und siebten x86-CPU-Generation aus dem Hause Intel. Der Pentium begründete eine ganze Prozessor-Dynastie: Ihm folgten der Pentium Pro, der Pentium II, Pentium III, Pentium 4, Pentium M und der Pentium D. Obwohl diese Prozessoren außer dem Befehlssatz technisch kaum Gemeinsamkeiten mit dem ersten Pentium haben, tragen sie seinen Namen.

Von vielen Leuten wird der Name Pentium deshalb heute synonym zum grade aktuellen Pentium-Prozessor benutzt, was eine begriffliche Abgrenzung vom ursprünglichen Pentium manchmal erschwert. Aus diesem Grund hat sich für den Pentium später auch die Bezeichnung Pentium-1 einbürgert, obwohl Intel ihn nie so bezeichnet hat.

Die Pentium-1-Familie

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Pentium-1-Familie

Auf dem Bild rechts kann man die Desktop-Varianten typischer Vertreter aller drei Haupttypen der Pentium-1-Familie sehen. 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.

Neben den Desktop-Varianten gibt es noch eine ganze Reihe weiterer Modelle für den mobilen Einsatz und den Einsatz in eingebetteten Systemen. Darüberhinaus gibt es noch vergleichsweise seltene Varianten des Pentium, die allesamt mit dem Begriff Pentium Overdrive Processor (PODP) bezeichnet werden und für die nachträgliche Aufrüstung betagter Rechner gedacht sind.

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 zu P6-Familie – nie als Bezeichnung für die Pentium-1-Familie eingebürgert. Der Pentium ist der erste superskalare CISC-Mikroprozessor der Welt. Er wurde – im Gegensatz zum Pentium Pro – vom selben Entwicklerteam entwickelt, das auch schon den 486er entwickelt hatte.

Bereits der 486er führte einfache Befehle in einer Art Pipeline aus. Seine Pipelinestufen waren 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 Fließkomma-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 anzubinden. Hinzu kamen weitere Features, wie ein System-Management-Mode (SMM), hardware-unterstütztes Performance-Monitoring und Execution-Tracing. Die beiden Pipelines erlaubten es dem Pentium, an der Befehlsausführung beteiligte Funktionseinheiten parallel arbeiten zu lassen, wenn sich die Möglichkeit bot. Die dynamische Sprungvorhersage mildert dabei einen konzeptionellen Nachteil der Pipeline-Architektur, die so genannten Pipeline-Flushes. Als Pipeline-Flush bezeichnet man das Verwerfen der Ergebnisse bereits abgearbeiteter Teilbefehle. Dies ist unter anderem dann erforderlich, wenn sich eine Sprungvorhersage als falsch erweist. Da diese Prozedur zeitaufwändig ist und bedingte Sprünge verhältnismäßig häufig vorkommen, hängt die Ausführungsgeschwindigkeit einer CPU auch von der Qualität der Sprungvorhersage ab. So hat Intel die Sprungvorhersage in einer späten Version des Pentium – dem P55C – verbessert.

Trotzdem hat die interne Befehlsabarbeitung des Pentium auch Schwachstellen. Erlauben die beiden Pipelines dem Pentium zwar, theoretisch zwei Befehle gleichzeitig zu bearbeiten, so gibt es in der Praxis dennoch Einschränkungen. Bestimmte Befehle und Befehlstypen können nicht gepaart werden, entweder, weil sich bestimmt Befehle nur in einer der beiden Pipelines ausführen lassen oder weil – wie bei den Fließkommabefehlen – eine Befehlspaarung grundsätzlich nicht vorgesehen ist. Aber auch Befehle, die sich eigentlich paaren lassen, können die Pipelines hemmen (einen oder wenige Takte anhalten), etwa bei verschiedenen Arten von Zugriffskonflikten und Zugriffsverzögerungen. Lösungsstrategien wie Data-Forwarding, Data-Bypassing und Register-Renaming kennt der Pentium noch nicht. Auch der Umstand, dass Befehle in den Pipelines immer als Paar abgearbeitet und abgeschlossen werden und sich nicht gegenseitig "überholen" können, sorgt manchmal für Leerlauf. Verzögert sich die Abarbeitung in einer Pipeline, ist auch die andere blockiert. Weiterhin kann der Pentium keine Befehle umsortieren oder Befehlsabhängigkeiten auflösen.

Vorkehrungen, die geeignet wären, viele der auftretenden Probleme zu mindern oder zu umgehen, besitzt der Pentium noch nicht, weshalb er sein Leistungspotential nicht unter allen Umständen oder erst nach einer aufwendigen Code-Optimierung entfalten konnte. Die Code-Optimierung setzt eine sehr detaillierte Kenntnis der internen Arbeitsweise des Pentium voraus und existierende Software, die 1993 zumeist noch für den 486er optimiert war, lief deshalb auf dem Pentium oft nur mit der sprichwörtlichen angezogenen Handbremse. Auch das war ein Grund, warum der Pentium nach seinem Erscheinen zunächst nicht so recht zu überzeugen wusste.

Nichtsdestotrotz war der Pentium zu seiner Zeit eine leistungsfähige CPU und der damals bereits in Entwicklung befindliche P6 war drauf und dran, auch diese Probleme anzugehen.

Erst anderthalb Jahre nach seiner Vorstellung sorgte der Pentium mit einem spektakulären Designfehler für Aufsehen. Der so genannte 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 daherkamen. Aufgrund des Aufsehens, das dieser Fehler damals erregte, ist ihm ein eigener, ausführlicher Artikel gewidmet: Pentium-FDIV-Bug.

Varianten des Pentium-1

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Pentium 60 (P5)

Die erste Generation des Pentium – der so genannte P5 – wurde auf der CeBit 1993 vorgestellt. Die beiden einzigen Vertreter der P5-Serie sind der Pentium 60 und der Pentium 66. Beide arbeiten mit einer Versorgungsspannung von etwa 5 Volt und sind von Haus aus nicht für den Mehrprozessorbetrieb geeignet. 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 besonders großer Erfolg. Vermutlich sollte er das auch nicht werden, denn die verschiedenen i486-Varianten verkauften sich noch recht gut und die Produktionsausbeute soll Presseangaben zufolge anfangs schlecht gewesen sein. Außerdem war der Betrieb des P5 in der Praxis nicht unproblematisch, da er eine ungewöhnlich hohe Leistungsaufnahme hatte und – zumindest für damalige Verhältnisse – aufwendig gekühlt werden musste. Intel lieferte ihn deshalb vorwiegend an Systemhersteller und nicht an den Handel aus, wo er – wenn überhaupt – nur zu horrenden Preisen zu kaufen war. Auch war seine Rechenleistung nicht sonderlich überzeugend. Intel hatte sich nämlich mit brachialer Megahertz-Gewalt einen hausinternen Konkurrenten geschaffen: den mit 100 MHz getakteten i486DX4. Komplettsysteme mit dem DX4 waren in der Anschaffung günstiger und standen zumindest solchen mit Pentium 60 in Sachen Performance kaum nach. Zudem ließ sich der DX4 auf manchen 486-Hauptplatinen einfach nachrüsten.

Der mäßige Erfolg des ersten Pentium war aber keineswegs mangelnden technischen Qualitäten zuzuschreiben. Die CPU war teuer und wurde nur in geringen Stückzahlen mit der vor ihrer Ablösung stehenden 0,8µm-Prozess-Technologie des 80486 hergestellt. Die Vermutung liegt nahe, dass der P5-Pentium nie zu einem Massenprodukt werden sollte und Intel ihn vielmehr als Türöffner und technologischen Vorreiter für die nächste Pentium-Generation gedachte hatte: den P54C.

Der P54C-Pentium

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Pentium 200 (P54C)

Der P54C-Pentium wurde zur CeBit 1994 vorgestellt und kam als Desktop-CPU zunächst mit 90 und 100, in der mobilen Variante mit 75 MHz auf den Markt. Die Desktop-Variante mit 75 MHz kam erst sieben Monate später, am 10. Oktober 1994 auf den Markt. Bis zum 10. Juni 1996 folgten Varianten mit Taktfrequenzen von 120, 133, 150, 166 und 200 MHz. Die mit 150 MHz schnellste mobile Variante des P54C kam am 5. August 1996.

Im Gegensatz zum P5 besitzt der P54C einen onchip-APIC und ist somit von Haus aus bereit für den Mehrprozessorbetrieb. Trotzdem garantiert Intel nicht bei allen Desktop-CPUs für die Funktionsfähigkeit des APICs, weshalb viele Pentium-Exemplare den Multiprozessorbetrieb offiziell nicht unterstützen. Kurioserweise gibt es sogar einige sehr frühe Exemplare, die ausschließlich für den Mehrprozessorbetrieb geeignet sind. Diese Exemplare sind aber auch ausnahmslos vom FDIV-Bug betroffen.

Darüber hinaus besitzt der P54C das verbesserte, so genannte SL-enhanced Power Management. Für die Desktop-Version war zunächst der Sockel 5 vorgesehen. Um auch Exemplare mit 150 MHz und mehr betreiben zu können, stellte Intel schon lange vor Erreichen dieser Taktfrequenz den Sockel 7 vor, der auch die Einstellung von Multiplikatoren

Im Gegensatz zu seinem Vorgänger 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 486-Plattform weiter aus. So brachten AMD und Cyrix weiterhin schnelle 486-Prozessoren auf den Markt, Ende 1995 – unter dem Namen 5x86 – sogar solche, die es durchaus mit einem Pentium 75 aufnehmen konnten. Zu dieser Zeit bot Intel aber bereits den Pentium 133 an. Im Laufe des Jahres 1996 konterte Cyrix mit dem 6x86 und AMD mit dem 5k86, dem späteren K5, die beide ebenfalls in den Sockel 5 und den Sockel 7 passten. Der 6x86 schaffte es sogar, bei der Integer-Performance dem damals schnellsten Pentium gefährlich zu werden. Aber bevor er sich richtig etablieren konnte, konterte wiederum Intel Anfang 1997 mit einer Weiterentwicklung des P54C: dem P55C.

Der P55C-Pentium (Pentium MMX)

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Pentium 166 MMX (P55C)

Der P55C ist der letzte und leistungsfähigste Vertreter der Pentium-1-Familie. Intel gab ihm den Namen Pentium with MMX technology, da er als erster Prozessor Intels neue MMX-Befehlssatzerweiterung unterstützt, umgangssprachlich setzte sich aber die Bezeichnung Pentium MMX durch. Den Pentium MMX gibt es mit Taktfrequenzen von 120 bis 300 MHz, wobei 120, 266 und 300 MHz ausschließlich der mobilen Variante vorbehalten blieben. Da CPU-Kern und Businterface beim P55C mit verschiedenen Spannungen betrieben werden, benötigt er eine besondere Form des Sockel 7, den sogenannten Split-Voltage-fähigen Sockel 7, nicht zu verwechseln mit dem Super-Sockel 7. Darüberhinaus erfuhr der P55C einige interne Verbesserungen. Er behält zwar im Wesentlichen die Architektur des P54C bei, optimiert und ergänzt sie aber an vielen Stellen. So besitzt er doppelt so große Caches wie seine Vorgänger, hat eine 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. Sie können auch mit Befehlskombinationen (so genannte Befehlspaarungen) 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 Performance-Steigerung 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.

Die Pentium-Overdrive-Prozessoren

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Die Wachablösung: Der Pentium II

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Mit dem Pentium MMX 233 stellte Intel am 2. Juni 1997 den letzten Desktop-Prozessor der Pentium-1-Familie vor. Zu dieser Zeit war sein im Mai vorgestellter Nachfolger Pentium II bereits auf dem Markt. Dieser war anfangs noch teuer und die Zahl verfügbarer Hauptplatinen begrenzt, da der für den Pentium II angekündigte Orion-Chipsatz – der spätere 440LX – noch bis Ende August auf sich warten ließ und die neue CPU vorübergehend auf Slot-1-Hauptplatinen mit dem ursprünglich für den Pentium Pro entwickelten 440FX-Chipsatz (Codename Natoma) angewiesen war, der aber nur die veralteten EDO- und FPM-Speichertypen unterstützte.

Pentium-CPUs verkauften sich deshalb zunächst noch recht gut und selbst nachdem sich der Pentium II zu etablieren begannt, waren sie bei Aufrüstern und in Low-Cost-Systemen beliebt. Mit dem 430TX-Chipsatz hatte Intel im Frühjahr 1997 noch einen Chipsatz vorgestellt, der es dem Pentium ermöglichte, von der für den 440LX-Chipsatz angekündigten SDRAM-Technik zu profitieren. Vermutlich um den Markterfolg des Pentium II nicht zu gefährden, hatte Intel aber diesen Chipsatz durch Beschränkung der so genannten cacheable area auf 64 MiB beschnitten. Viele Anwender entschieden sich deshalb für die Chipsätze von VIA, ALi und SiS oder setzten weiterhin auf Mainboards mit dem 430HX-Chipsatz, der aber − wie der Natoma-Chipsatz des Pentium Pro – nur EDO- und FPM-Speicher unterstützte und von Intel mit Erscheinen des 430TX-Chipsatzes eigentlich abgekündigt war.

Am 8. September 1997 stellte Intel dann noch eine funktional praktisch unveränderte Version des P55C für den mobilen Einsatz vor, zunächst mit 200 und 233 MHz, am 12. Februar 1998 dann auch mit 166 und 266 MHz. Die unter dem Codenamen Tillamook entwickelte Variante des P55C war Intels erste in einem 0,25µm-Prozess gefertigte CPU.

Im Desktop-Markt zeichnete sich derweil bereits ab, dass Intel die Pentium-1-Familie zugunsten des Pentium II vollständig aufzugeben gedachte. Bis zum Erscheinen des Celeron am 15. April 1998 führte Intel die Pentium-Linie im Desktop-Markt noch als eine Art Low-Cost-Serie weiter. Mit Erscheinen des Celeron zog sich Intel dann mehr und mehr aus dem Sockel-7-Desktop-Markt zurück und überließ ihn schließlich der Konkurrenz, die mit dem 6x86 (Cyrix, IBM), dem K6 (AMD) und weiterentwickelten Varianten dieser CPUs schon lange Druck auf Intel ausübte. Mittlerweile waren sogar noch zwei weitere Konkurrenten auf dem Markt erschienen: Auch der IDT WinChip und der Rise MP6 passten in den Sockel 7.

Fast sechs Jahre nach der Vorstellung der ersten Pentium-CPU, stellte Intel am 7. Januar 1999 das letzte Mitglied der Pentium-1-Familie vor: einen mit 300 MHz getakteten, für den mobilen Einsatz gedachten Pentium MMX aus der Tillamook-Serie. Da die mobile Variante des Pentium II zu dieser Zeit ebenfalls schon mit Taktraten von bis zu 300 MHz zu haben war, bessere Leistungen zeigte und von den Notebook-Herstellern auch schon rege verbaut wurde, war die Vorstellung der letzten Pentium-CPU den meisten Fachmagazinen nur noch eine Randnotiz wert.

Modellübersicht

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  • L1-Cache: 8 + 8 KB (Daten + Instruktionen)
  • Sockel 4
  • Front-Side-Bus: 60 und 66 MHz
  • Erscheinungsdatum: 22. März 1993
  • Fertigungstechnik: 0,8 µm BiCMOS
  • Taktraten: 60 und 66 MHz
  • Spannungsversorgung: ca. 5 Volt
  • Besonderheiten: unterstützt bereits MESI-Protokoll
  • L1-Cache: 8 + 8 KB (Daten + Instruktionen)
  • Sockel 5 und Sockel 7
  • Front-Side-Bus: 50, 60 und 66 MHz
  • Erscheinungsdatum: 7. März 1994
  • Fertigungstechnik: 0,6 µm BiCMOS, später 0,35 µm BiCMOS
  • Taktraten der Desktop-Varianten: 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166 und 200 MHz
  • Taktraten der mobilen Varianten: 75, 90, 100, 120, 133 und 150 MHz
  • Spannungsversorgung: zwischen 3,1 und 3,5 Volt (je nach Modell)
  • Besonderheiten: onchip-APIC
  • L1-Cache: 8 + 8 KB (Daten + Instruktionen)
  • L2-Cache: abhängig vom verwendeten Mainboard bzw. Chipsatz
  • SMP
  • Sockel 5 und Sockel 7 mit 50, 60 und 66 MHz Front Side Bus
  • Spannungsversorgung (VCore): 3,3 und 3,52 Volt (Notebook-Version 3,1 Volt)
  • Erscheinungsdatum: 7. März 1994
  • Fertigungstechnik:
    • P54C/P54CT: 0,6 µm BiCMOS (P852-Herstellungsprozess)
    • P54CS: 0,35 µm BiCMOS (P854-Herstellungsprozess)
  • Die-Größe: 148 mm² (0,6 µm), 91-83 mm² (0,35 µm) bei 3,2 Millionen Transistoren
  • Taktraten: 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166 und 200 MHz


  • L1-Cache: 16 + 16 KB (Daten + Instruktionen)
  • Sockel 7 mit Split-Voltage-Unterstützung
  • Front-Side-Bus: 66 MHz
  • Erscheinungsdatum: 8. Januar 1997
  • Fertigungstechnik: 0,35 BiCMOS, später 0,25 µm CMOS (Tillamook)
  • Taktraten der Desktop-Varianten: 166, 200 und 233 MHz
  • Taktraten der mobilen Varianten: 133, 150, 166, 200, 233, 266 und 300 MHz
  • Spannungsversorgung: Split-Voltage, 2,8 Volt VCore, ca. 3,3 Volt Bus
  • Besonderheiten: onchip-APIC, MMX-Befehlssatzerweiterung
  • L1-Cache: 16 + 16 KB (Daten + Instruktionen)
  • L2-Cache: abhängig vom verwendeten Mainboard bzw. Chipsatz
  • MMX, SMP
  • Sockel 7 mit 66 MHz Front Side Bus
  • Spannungsversorgung (VCore): 2,8 Volt
  • Erscheinungsdatum: 8. Januar 1997
  • Fertigungstechnik:
    • P55C, P54CTB: 0,28 µm CMOS (P854.5-Herstellungsprozess)
    • Tillamook: 0,25 µm CMOS (P856-Herstellungsprozess)
  • Die-Größe: 141-128 mm² (0,28 µm), 90 mm² (0,25 µm) bei 4,5 Millionen Transistoren
  • Taktraten: 133, 166, 200, 233, 266 und 300 MHz
    • Desktop, (P55C): 133, 166, 200 und 233 MHz
    • Desktop, (P54CTB, MMX Overdrive) 150, 166, 180 und 200 MHz (P55C-Varianten mit Spannungsversorgung wie P54C)
    • Notebook (Tillamook): 166, 200, 233, 266 und 300 MHz (späte Variante des P55C für den Einsatz in Notebooks)


Weitere Pentium-Modelle

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