X86

百科解釋

x86架構于1978年推出的Intel 8086中央處理器中首度出現(xiàn)，它是從Intel 8008處理器中發(fā)展而來的，而8008則是發(fā)展自Intel 4004的。8086在三年后為IBM PC所選用，之后x86便成為了個人電腦的標準平臺，成為了歷來最成功的CPU架構。
其他公司也有制造x86架構的處理器，計有Cyrix（現(xiàn)為VIA所收購）、NEC集團、IBM、IDT以及Transmeta。Intel以外最成功的制造商為AMD，其Athlon系列處理器的市場份額僅次于Pentium。
8086是16位元處理器；直到1985年32位元的80386的開發(fā)，這個架構都維持是16位元。接著一系列的處理器表示了32位元架構的細微改進，推出了數(shù)種的擴充，直到2003年AMD對于這個架構發(fā)展了64位元的擴充，并命名為AMD64。后來Intel也推出了與之兼容的處理器，并命名為Intel 64。兩者一般被統(tǒng)稱為x86-64或x64，開創(chuàng)了x86的64位時代。
值得注意的是Intel早在1990年代就與HP合作提出了一種用在安騰系列處理器中的獨立的64位架構，這種架構被稱為IA-64。IA-64是一種嶄新的系統(tǒng)，和x86架構完全沒有相似性；不應該把它與x86-64或x64弄混。

設計

x86架構是重要地可變指令長度的CISC（復雜指令集電腦，Complex Instruction Set Computer）。字組（word, 4字節(jié)）長度的內(nèi)存存取允許不對齊內(nèi)存位址，字組是以低位字節(jié)在前的順序儲存在內(nèi)存中。向前相容性一直都是在x86架構的發(fā)展背后一股驅(qū)動力量（設計的需要決定了這項因素而常常導致批評，尤其是來自對手處理器的擁護者和理論界，他們對于一個被廣泛認為是是落后設計的架構的持續(xù)成功感到不解）。但在較新的微架構中，x86處理器會把x86指令轉(zhuǎn)換為更像RISC的微指令再予執(zhí)行，從而獲得可與RISC比擬的超標量性能，而仍然保持向前兼容。
在這篇簡短的文章中出現(xiàn)的指令和暫存器助憶符號的名稱，都在Intel文件中有所指定以及使用在 Intel組譯器中（和相容的，比如微軟的MASM、Borland的TASM、CAD-UL的as386 等等）。一個以Intel語法指定的指令"mov al, 30h"與AT&T語法的"movb $0x30, %al"相當，都是會被轉(zhuǎn)譯為兩個位元的機器碼"B0 30"（十六進制）。你可以發(fā)現(xiàn)在這段程式中的"mov"或 "al"，都是原來的Intel助憶符號。如果我們想要的話，我們可以寫一個組譯器由程式碼&＃39;&＃39;&＃39;&＃39;move immediate byte hexadecimally encoded 30 into low half of the first register&＃39;&＃39;&＃39;&＃39;（移動立即值位元十六進制編碼30到第一個暫存器的低半部位），來產(chǎn)生相同的機器碼。然而，傳統(tǒng)上匯編器一直使用Intel的助憶符號。
x86組合語言會在x86 組合語言文章中有更詳細的討論。

實時模式
Intel 8086和8088有14個16位元暫存器。其中四個（AX, BX, CX, DX）是通用目的（盡管每個暫存器都有附加目的；舉個例子：只有CX可以被用來當作loop（循環(huán)）指令的計數(shù)器。）每個暫存器可以被當成兩個分開的字節(jié)存�。ㄒ虼薆X的高位元可以被當成BH以及低位元BL）。除了這些暫存器, 還有四個區(qū)段暫存器（CS、DS、SS、ES）。他們用來產(chǎn)生內(nèi)存的尋址。還有兩個指標暫存器（SP是指向堆棧的底部, BP可以用來指向堆�；騼�(nèi)存的其它地方）。兩個指標暫存器（SI和DI）可以用來指向陣列的內(nèi)部。最后，有旗標暫存器（包含狀態(tài)旗標比如進制、溢位、結果為零，等等）。以及IP是用來指向目前執(zhí)行指令的位址。
在真實模式下，內(nèi)存的存取是被區(qū)段開來。為了得到最后20位元的內(nèi)存位址，要將區(qū)段的位址往左移動4位元，并且加上偏移的位址。因此，真實模式下總共可以尋址的空間是220字節(jié), 或者是1MB，于1979年是相當讓人印象深刻的象征。在真實模式下有兩種尋址模式：near和far。在 far模式，區(qū)段跟偏移都需要被指定；在near模式，只需要偏移模式被指定，而內(nèi)存區(qū)段是由適當?shù)膮^(qū)段暫存器獲得。以資料而言是使用DS暫存器，程式碼是CS暫存器，堆棧是SS暫存器。舉個例子，如果DS是A000h且SI是5677h，DS:SI會指向計憶體的絕對位址DS × 16 + SI = A5677h
在這種架構下，兩對不同的區(qū)段/偏移可以指向一個相同的絕對位址。因此如果DS是A111h且SI是4567h，DS:SI會指向跟上一段相同的A5677h。除了duplicity之外，這種架構無法同時一次擁有4個以上的區(qū)段。此外，CS、DS和SS是為了程式正確功能而必須的，因此僅僅只有ES可以被用來指向其它的地方。這種模式原本是為了與Intel 8085相容，導致程式設計師永無止盡的痛苦。
除了以上所說的，8086也擁有8-bit的64K（另一種說法是16-bit的32K）輸出輸入（en:I/O）空間，以及一個由硬件支援的64K（一個區(qū)段）內(nèi)存堆棧。只有words（2字節(jié)）可以被推入到堆棧中。堆棧是由內(nèi)存的上端往下成長，他的底端是由SS:SP指向。有256個中斷（interrupts），可以由硬件或是軟件同時組成。中斷是可以串連在一起，使用堆棧來儲存返回被中斷的程式位址。

16位元保護模式
Intel 80286可以在不改變?nèi)魏螙|西下支援8086的真實模式16位元軟件，然而它也支援額外的工作模式稱為保護模式，可以將可尋址的實體內(nèi)存擴充到16MB，可尋址的虛擬內(nèi)存最大到 1GB。這是使用節(jié)區(qū)暫存器來儲存在節(jié)區(qū)表格中的索引值。處理器中有兩個這樣的表格，分別為GDT和LDT，每一個可以儲存最多8192個節(jié)區(qū)的描述子，每一個節(jié)區(qū)可以給予最大到64KB的內(nèi)存存取。節(jié)區(qū)表格提供一個24位元的基底位址（base address），可以用此基底位址增加想要的偏移量來創(chuàng)造出一個絕對位址。此外，每一個節(jié)區(qū)可以被賦予四種權限等級中的一種（稱為 "rings"）。
盡管這個推出的功能是一項進步，但是他們并沒有被廣泛地使用，因為保護模式的操作系統(tǒng)無法執(zhí)行現(xiàn)有的真實模式軟件。這樣的能力只有在隨后80386處理器的虛擬86模式中出現(xiàn)。
在同時，操作系統(tǒng)比如OS/2嘗試使用類似乒乓的方法，讓處理器在保護和真實模式間切換。這樣都會讓電腦變慢且不安全，像是在真實模式下的程式可以輕易地使電腦當機。OS/2也定義了限制性的程式設計規(guī)則允許"Family API"或"bound"程式可以在真實模式或保護模式下執(zhí)行。然而這是給原本為保護模式下設計的程式有關，反之則不然。保護模式程式并不支援節(jié)區(qū)選擇子和實體內(nèi)存之間的關系。有時候會錯誤地相信在16位元保護模式下執(zhí)行真實模式的程式，導致IBM必須選擇使用Intel保留給BIOS的中斷呼叫。事實上這類的程式使用任意的選擇子數(shù)值和使用在上面提到的“節(jié)區(qū)運算”的方式有關。
這個問題也在Windows 3.x上出現(xiàn)。這個推出版本想要在16位元保護模式下執(zhí)行程式，而先前的版本只能在真實模式下執(zhí)行。理論上，如果Windows 1.x或2.x程式是寫得“適當”且避免使用節(jié)區(qū)運算的方式，它就有可能在真實和保護模式兩者下執(zhí)行。Windows程式一般來說都會避免節(jié)區(qū)運算，這是因為Windows實作出軟件的虛擬內(nèi)存方式，及當程式不執(zhí)行時候，搬移內(nèi)存中的程式碼和資料，所以操作絕對位址的方式是很危險的；當程式不執(zhí)行時，被認為要保持內(nèi)存區(qū)塊的“handles”，這樣的handles已經(jīng)非常相當于保護模式的選擇子。在保護模式下的Windows 3.0執(zhí)行一個舊的程式，會觸發(fā)一個警告對話盒，建議在真實模式下執(zhí)行Windows（推測還是仍然可以使用擴充內(nèi)存，可能是在80386機器用EMM386模擬，因此它并不被局限于640KB）或是從廠商那更新到新的版本。好的行為之程式可能可以使用特別的工具來避免這樣的對話盒。不可能有些GUI程式在16位元保護模式下執(zhí)行，且其它GUI程式在真實模式執(zhí)行，可能是因為這會需要兩個分開的環(huán)境且會依于前面所提到的處理器在兩個模式間的乒乓效應。從Windows 3.1版開始，真實模式就消失了。

32位元保護模式
Intel 80386推出后，也許是到目前為止x86架構的最大躍進。除了需要值得注意的Intel 80386SX是32位元架構但僅只有24位元尋址（和16位元資料總線）。除此之外其他架構都是32位元 - 所有的暫存器、指令集、輸出輸入空間和內(nèi)存尋址。為了能夠在后者所說的功能工作，要使用32位元擴充的保護模式。然而不像286，386所有的區(qū)段可以使用32位元的偏移量，即使內(nèi)存空間有使用區(qū)段，但也允許應用程式存取超過4GB空間而不需要區(qū)段的分隔。此外，32位元保護模式提供分頁的支援，是一種讓虛擬內(nèi)存得以實現(xiàn)的機制。
沒有新的通用暫存器被加入。所有16位元的暫存器除了區(qū)段暫存器外都擴充為32位元。Intel在暫存器的助記符號上加入“E”來表示（因此擴充的AX變成EAX，SI變成ESI，依此類推）。因為有更多的暫存器數(shù)量、指令、和運算單元，因此機器碼的格式也被擴充。為了提供與先前的架構相容，包含執(zhí)行碼的區(qū)段可以被標示為16或是32位元的指令集。此外，特殊的前置符號也可以用來在16位元的區(qū)段包含32位元的指令碼，反之亦然。
分頁跟區(qū)段的內(nèi)存存取是為了支援現(xiàn)在多工操作系統(tǒng)所必須要的。Linux、386BSD、Windows NT和Windows 95都是一開始為386所發(fā)展，因為它是第一顆提供可靠地程式分離內(nèi)存空間的支援（每個程式擁有自己的尋址空間）以及可以在必要的情況下打斷他們程式的執(zhí)行（使用ring，一種x86保護模式下權力分級的名稱）。這種386的基本架構變成未來所有x86系列發(fā)展的基礎。
Intel 80386數(shù)學輔助運算處理器也在整合到這個CPU之后的x86系列中，也就是Intel 80486。新的FPU可以幫助浮點數(shù)運算，對于科學計算和圖形設計是非常重要。

MMX和之后
1996年Intel的MMX（AMD認為這是矩陣數(shù)學擴充Matrix Math Extensions的縮寫，但大多數(shù)時候都被當成Multi-Media Extension，而Intel從來沒有官方宣布過詞源）技術出現(xiàn)。盡管這項新的科技得到廣泛宣傳，但它的精髓是非常簡單的：MMX定義了八個64位元SIMD暫存器，與Intel Pentium處理器的FPU堆棧有相重疊。不幸的是，這些指令無法非常簡單地對應到由原來C編譯器所產(chǎn)生的指令碼中。MMX也只局限于整數(shù)的運算。這項技術的缺點導致MMX在它早期的存在有輕微的影響�，F(xiàn)今，MMX通常是用在某些2D影片應用程式中。

3DNow!
1997年AMD推出3DNow!，是對于MMX的SIMD的浮點指令增強（針對相同的 MMX 暫存器）。盡管這些也沒有解決編譯器的難題，但這項技術的推出符合了PC上的3D休閑娛樂應用程式之崛起。3D游戲開發(fā)者和3D繪圖硬件制造商在AMD的AMD K6和Athlon系列處理器上，使用3DNow!來幫助增加他們的效能。微軟后來也在其開發(fā)的Direct X7.0中加入針對3DNow!的最佳化，使當時的Athlon處理器在3D游戲效能上首次全面超過對手 Intel 的Pentium 3處理器。

SSE
在1999年Intel推出SSE指令集，增加了八個新的128-bit暫存器（不跟其他的暫存器重疊使用）。這些指令類似于AMD的3DNow!，主要是增加浮點數(shù)運算的SIMD指令。

SSE2
2001年Intel推出SSE2指令集，增加了：

完整地補充了整數(shù)指令（與MMX相似）到原來的SSE暫存器。
64位元的SIMD浮點運算指令到原來的SSE暫存器。

第一個的增加導致MMX幾乎是過時可以舍棄的，第二個則允許這些指令可以讓傳統(tǒng)的編譯器現(xiàn)實地產(chǎn)生。

SSE3
于2004年隨著Pentium 4處理器的改版Prescott核心推出。SSE3增加特定的內(nèi)存和thread-handling指令來提升Intel超執(zhí)行緒的效能，在科學計算方面也有增強。

SSE4
2007/01，Intel公開發(fā)表使用其45納米制程Penryn芯片家族的PC和服務器。Penryn是這一系列依據(jù)英特爾Core微架構之筆記型電腦、桌上型電腦和服務器芯片家族的代號�；旧螾enryn是繼Merom之后的縮小版Core 2 Duo，再加上47條新的SSE4指令集等額外配備。SSE4指令集之首次發(fā)表時間為 2006/09 開發(fā)員論壇（Intel Developer Forum）。
另外，x86處理器制造廠商AMD也在該公司最新K10架構的Phenom處理器中，加入4條新的SSE4A指令集。注意，SSE4與SSE4A無法彼此相容

64位元
到2002年，由于32位元特性的長度，x86的架構開始到達某些設計的極限。這個導致要處理大量的資訊儲存大于4GB會有困難，像是在數(shù)據(jù)庫或是影片編輯上可以發(fā)現(xiàn)。
Intel原本已經(jīng)決定在64位元的世代完全地舍棄x86相容性，推出新的架構稱為IA-64技術作為他的Itanium處理器產(chǎn)品線的基礎。IA-64與x86的軟件天生不相容；它使用各種模擬形式來執(zhí)行x86的軟件，不過，以模擬方式來運行的效率十分低下，并且會影響其他程序的運行。
AMD主動把32位元x86，或稱為IA-32擴充為64位元。它與一個稱為AMD64的架構出現(xiàn)（在重新命名前也稱為x86-64），且以這個技術為基礎的第一個產(chǎn)品是Opteron和Athlon 64處理器家族。由于AMD64處理器產(chǎn)品線的成功，Intel采取AMD64指令集且增加某些新的擴充到他們自己的產(chǎn)品，命名為EM64T架構（顯然地他們不想承認這些指令集是來自它的主要對手），EM64T后來被Intel正式更名為Intel 64。
這是由非Intel的制造商所發(fā)起和設計的第一次重大的x86架構升級。也許更重要的，它也是第一次Intel實際上從外部來源接受這項本質(zhì)的技術。

虛擬
虛擬x86是很困難的，因為它的架構并無達到Popek and Goldberg virtualization requirements。然而，有好幾個商業(yè)的虛擬x86產(chǎn)品，比如VMware和微軟的Virtual PC。Intel和AMD兩者都有公開宣布未來的x86處理器將會有新的增強來容易達到更有效率的虛擬。Intel針對這項虛擬特性的代號稱為"Vanderpool"和"Silvervale"；AMD則使用"Pacifica"這個代號。

生產(chǎn)商

有多間公司設計、生產(chǎn)并售賣x86處理器及其兼容產(chǎn)品，其中包括：

英特爾
AMD
Chips and Technologies
Cyrix被VIA收購
IBM
IDT
國家半導體（National Semiconductor）
日本電氣（NEC）
NexGen被AMD收購
Rise Technology被硅統(tǒng)科技收購
SGS-Thomson
硅統(tǒng)科技（SiS）
德州儀器
全美達（Transmeta）
聯(lián)華電子（UMC）
威盛電子（VIA）
Movtalvo

通信詞典解釋