处理器系列之X86微处理器体系结构 - 全文

中央处理器，也称微处理器（CPU，Central Processing Unit），是微型计算机的运算和指挥控制控制中心。不同型号的微型计算机，其性能的差别首先在于其微处理器性能的不同，而微处理器性能又与其内部结构、组成有关。

 

CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。指令是由一个字节或者多个字节组成，其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字以及特征码。有的指令中也直接包含操作数本身。

 

CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。

 

 

在计算机指令系统的优化发展过程中，出现过两个截然不同的优化方向：CISC技术和RISC技术。CISC是指复杂指令系统计算机(ComplexInstructionSetComputer)；RISC是指精减指令系统计算机（ReducedInstructionSetComputer)。这里的计算机指令系统指的是计算机的最低层的机器指令，也就是CPU能够直接识别的指令。随着计算机系统的复杂，要求计算机指令系统的构造能使计算机的整体性能更快更稳定。最初，人们采用的优化方法是通过设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统实现，以此来提高计算机的执行速度，这种计算机系统就被称为复杂指令系统计算机，即ComplexInstructionSetComputer，简称CISC。另一种优化方法是在20世纪80年代才发展起来的，其基本思想是尽量简化计算机指令功能，只保留那些功能简单、能在一个节拍内执行完成的指令，而把较复杂的功能用一段子程序来实现，这种计算机系统就被称为精简指令系统计算机。即ReducedInstructionSetComputer，简称RISC。RISC技术的精华就是通过简化计算机指令功能，使指令的平均执行周期减少，从而提高计算机的工作主频，同时大量使用通用寄存器来提高子程序执行的速度。

 

CPU架构是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品定的一个规范，主要目的是为了区分不同类型CPU的重要标示。我们日常使用的台式机，笔记本等采用X86架构的处理器，属于CISC范畴，而ARM架构的手机、平板等则属于RISC范畴。

 

由于CPU内部工作原理内容较多，比较复杂不宜学习并且对于选购CPU没有太大意义，本文主讲和CPU性能有关的参数内容。

 

x86或80x86是英特尔Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。该系列较早期的处理器名称是以数字来表示，并以“86”作为结尾，包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486，因此其架构被称为“x86”。由于数字并不能作为注册商标，因此Intel及其竞争者均在新一代处理器使用可注册的名称，如Pentium。现时Intel把x86-32称为IA-32，全名为“Intel Architecture, 32-bit”。

 

“X86”是Intel和其他几家公司处理器所支持的一组机器指令集，它大致确定了芯片的使用规范。从8086到80186、80286、80386、80486，再到后来的奔腾系列以及现在的多核技术，都是使用一脉相承的x86指令集，既不断扩展又向后兼容。

 

三十年前，英特尔发布了第一款16位微处理器—8086，当时的著名广告语是：“开启了一个时代”。而当8086的光环退去之后，其支撑架构—我们后来所熟知的x86也成为了最成功的业界技术标准之一。

 

在8086之后的30年间，x86家族横跨了桌面、服务器、便携式电脑，超级计算机等等。无数对手败在了它的脚下。

 

目前采用X86架构制造CPU的厂家有三个，INTEL、AMD和VIA，由于VIA制造的CPU性能市场占有率过小，在此忽略VIA的X86架构处理器。

 

移动版X86处理器和台式机CPU没有本质区别，外观上或许感觉差异较大，但这只是封装形式不同造成，其内部参数性能比较没有本质区别。

台式机CPU

 

 

X86的历史

1971 年，英特尔为一家日本计算器厂商制造了英特尔历史上的第一块处理器——4位的4004。很快，在1975年，英特尔又推出了8位处理器8008和8080。

 

3年以后，16位的8086初次登场。在上世纪80年代初，IBM选择了8086的衍生产品8088作为IBM PC的处理器。IBM的这一举措给x86带来了巨大的发展机遇，并且帮助它成为了行业标准——直到今天。

 

英特尔执行副总裁Patrick Gelsinger说：“PC行业发展的革命性转折点是1985年32位处理器80386的推出，它推动了整个行业的发展。”

 

386 之后，19**486诞生了。由于当时数字不能作为商标，英特尔从1993年开始改变了产品命名方法。第五代处理器被命名为Pentium而不是586。

 

所有的基于x86架构的芯片，开始于8086，一直延续到今天。当然他们的命名发生了变化，运算速度也有了惊人的提升。

 

X86成功的秘诀

x86为什么能一直成功，击退甚至完全打败其他的处理器架构？从一开始，x86的诞生就可谓生逢其时。1978年，计算机从巨大、昂贵的中型计算机转变为小型、便宜的微型计算机已经有几年了。台式电脑成为变革的前沿。

 

更重要的是，x86证明了戈登·摩尔在1965年提出的一个定律。戈登·摩尔后来成为英特尔的主席和CEO。摩尔说，在成本不变的前提下，微处理器每过二年其运算速度会翻一番。他的预言后来被称为摩尔定律，30年来始终被证明是有效的。

 

8086及其后续产品还一直与电脑业的两个大名鼎鼎的名字紧紧联系在一起。1972年，比尔 ·盖茨和保罗·艾伦就尝试用性能很弱的8008开发Basic编程语言，但没有成功。但他们最终在性能强劲一些的8080处理器上开发出了Basic语言，并在1975年把 Basic语言应用到Altair8800 PC。

 

这成为英特尔和微软亲密关系的开始。微软从那时起，便创造了一个庞大的软件帝国并推动了整个行业的发展。英特尔首席技术官Justin Rattner指出，x86体系架构的灵活性是它过去以及今后成功的关键。他说，虽然人们通常将x86指令集看作是某种一成不变的规范，但是不管是指令集还是体系架构本身，都在过去几年里发生了巨大的变革。Rattner说，x86在上世纪九十年代曾凭借其内置MMX和SSE指令集扩展，一举提高了多媒体和通信应用所需的速度，从而击退了其他专业媒体处理器对它发起的挑战。他还举例说明了x86体系架构在过去几年中新增的一些改进功能。比如在内存管理和虚拟化方面的硬件支持等。

 

Rattner指出，同样重要的是，英特尔在x86体系架构发展的每一个阶段都保持了向后兼容的特性。指令集的发展以及产品系列内部的兼容性大大扩展了x86体系架构的应用范围，将个人用户与企业用户、便携式电脑和超级计算机都包括了进来。

 

加州大学伯克利分校的计算机科学教授David Patterson说：“认识到x86体系架构并非一种凝固的设计这一点很重要。30多年来，它们每月都会增加一个说明。现在x86指令集的说明已经达到500多个。每一代都会增加20到100多个。前后兼容很重要，它也一直在增加新的内容。”