X86

x86泛指一系列基於Intel 8086且向後相容的中央處理器指令集架構。最早的8086處理器於1978年由Intel推出，為16位微處理器。該系列較早期的處理器名稱是以數字來表示80x86。由於以“86”作為結尾，包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486，因此其架構被稱為“x86”。由於數字並不能作為註冊商標，因此Intel及其競爭者均在新一代處理器使用可註冊的名稱，如Pentium，來描述x86架構下的處理器產品。現時英特爾將其稱為IA-32，全名為“Intel Architecture, 32-bit”，一般情形下指代32位元的架構。歷史.x86架構於1978年推出的Intel 8086中央處理器中首度出現，它是從Intel 8008處理器中發展而來的，而8008則是發展自Intel 4004的。8086在三年後為IBM PC所選用，之後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。其他公司也有製造x86架構的處理器，計有Cyrix、NEC集團、IBM、IDT以及Transmeta。Intel以外最成功的製造商為AMD，其早先產品Athlon系列處理器的市場份額僅次於Intel Pentium。8086是16位元處理器；直到1985年32位元的80386的開發，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，推出了數種的擴充，直到2003年AMD對於這個架構發展了64位元的擴充，並命名為AMD64。後來英特爾也推出了與之相容的處理器，並命名為Intel 64。兩者一般被統稱為x86-64或x64，開創了x86的64位時代。值得注意的是英特爾早在1990年代就與惠普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，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。但在較新的微架構中，x86處理器會將常用的x86指令盡全力以硬體線路執行，不常用者則轉換為更像RISC的微指令再予執行，從而獲得可與RISC比擬的超純量效能，而仍然保持向後相容。x86架構的處理器一共有四種執行模式，分別是-{真真實模式}-，保護模式，系統管理模式以及虛擬V86模式。在這篇簡短的文章中出現的指令和暫存器助憶符號的名稱，都在Intel檔案中有所指定以及使用在Intel組譯器一直使用Intel的助憶符號。x86組合語言會在文章中有更詳細的討論。運作模式.真真實模式.在真真實模式下，記憶體的存取是被區段開來。為了得到最後20位元的記憶體位址，要將區段的位址往左移動4位元，並且加上偏移的位址。因此，真真實模式下總共可以定址的空間是220位元組，或者是1MB，於1979年是相當讓人印象深刻的象徵。在真真實模式下有兩種定址模式：near和far。在far模式，區段跟偏移都需要被指定；在near模式，只需要偏移模式被指定，而記憶體區段是由適當的區段暫存器獲得。以資料而言是使用DS暫存器，程式碼是CS暫存器，堆疊是SS暫存器。舉個例子，如果DS是A000h且SI是5677h，DS:SI會指向記憶體的絕對位址DS × 16 + SI = A5677h在這種架構下，兩對不同的區段／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。除了異值同址重複性之外，這種架構無法同時一次擁有4個以上的區段。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可以被用來指向其他的地方。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16-bit的32K可以被推入到堆疊中。堆疊是由記憶體的上端往下成長，他的底端是由SS:SP指向。有256個中斷，可以由硬體或是軟體同時組成。中斷是可以串連在一起，使用堆疊來儲存返回被中斷的程式位址。16位元保護模式.Intel 80286可以在不改變任何東西下，支援8086的真真實模式16位元軟體，然而它也支援額外的工作模式稱為保護模式，可以將可定址的實體記憶體擴充到16MB，可定址的虛擬記憶體最大到1GB。這是使用節區暫存器來儲存在節區表格中的索引值。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個節區的描述子，每一個節區可以給予最大到64KB的記憶體存取。節區表格提供一個24位元的。儘管這個推出的功能是一項進步，但是他們並沒有被廣泛地使用，因為保護模式的作業系統無法執行當時的真真實模式軟體。這樣的能力只有在隨後80386處理器的虛擬86模式中出現。在同時，作業系統比如OS/2嘗試使用類似乒乓的方法，讓處理器在保護和真真實模式間切換。這樣都會讓電腦變慢且不安全，像是在真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則允許"Family API"或"bound"程式可以在真真實模式或保護模式下執行。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。保護模式程式並不支援節區選擇子和實體記憶體之間的關係。有時候會錯誤地相信在16位元保護模式下執行真真實模式的程式，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值和使用在上面提到的“節區運算”的方式有關。這個問題也在Windows 3.x上出現。這個推出版本想要在16位元保護模式下執行程式，而先前的版本只能在真真實模式下執行。理論上，如果Windows 1.x或2.x程式是寫得“適當”且避免使用節區運算的方式，它就有可能在真實和保護模式兩者下執行。Windows程式一般來說都會避免節區運算，這是因為Windows實作出軟體的虛擬記憶體方式，及當程式不執行時候，搬移記憶體中的程式碼和資料，所以操作絕對位址的方式是很危險的；當程式不執行時，被認為要保持記憶體區塊的“handles”，這樣的handles已經非常相當於保護模式的選擇子。在保護模式下的Windows 3.0執行一個舊的程式，會觸發一個警告對話盒，建議在真真實模式下執行Windows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位元保護模式下執行，且其它GUI程式在真真實模式執行，可能是因為這會需要兩個分開的環境且會依於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，真真實模式就消失了。32位元保護模式.Intel 80386推出後，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是32位元架構但僅只有定址。除此之外其他架構都是32位元 - 所有的暫存器、指令集、輸出輸入空間和記憶體定址。為了能夠在後者所說的功能工作，要使用32位元擴充的保護模式。然而不像286，386所有的區段可以使用32位元的偏移量，即使記憶體空間有使用區段，但也允許應用程式存取超過4GB空間而不需要區段的分隔。此外，32位元保護模式提供分頁的支援，是一種讓虛擬記憶體得以實現的機制。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。因為有更多的暫存器數量、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，包含執行碼的區段可以被標示為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位元的區段包含32位元的指令碼，反之亦然。分頁跟區段的記憶體存取是為了支援現在多工作業系統所必須要的。Linux、、Windows NT和Windows 95都是一開始為386所發展，因為它是第一顆提供可靠地程式分離記憶體空間的支援。這種386的基本架構變成未來所有x86系列發展的基礎。Intel 80386數學輔助運算處理器也在整合到這個CPU之後的x86系列中，也就是Intel 80486。新的FPU可以幫助浮點數運算，對於科學計算和圖形設計是非常重要。系統管理模式.Intel首次在80386SL將系統管理模式引入x86體系結構。功能擴充.MMX.1996年Intel的MMX技術出現。儘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堆疊有相重疊。不幸的是，這些指令無法非常簡單地對應到由原來C編譯器所產生的指令碼中。MMX也只侷限於整數的運算。這項技術的缺點導致MMX在它早期的存在有輕微的影響。現今，MMX通常是用在某些2D影片應用程式中。3DNow!1997年AMD推出3DNow!，是對於MMX的SIMD的浮點指令增強。儘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休閒娛樂應用程式之崛起。3D遊戲開發者和3D繪圖硬體製造商在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。微軟後來也在其開發的Direct X7.0中加入針對3DNow!的最佳化，使當時的Athlon處理器在3D遊戲效能上首次全面超過對手英特爾的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。這些指令類似於AMD的3DNow!，主要是增加浮點數運算的SIMD指令。SSE2.2001年英特爾推出SSE2指令集，增加了：第一個的增加導致MMX幾乎是過時可以捨棄的，第二個則允許這些指令可以讓傳統的編譯器現實地產生。SSE3.於2004年隨著Pentium 4處理器的改版Prescott核心推出。SSE3增加特定的記憶體和thread-handling指令來提升Intel超執行緒的效能，在科學計算方面也有增強。SSE4.2007年1月，Intel公開發表使用其45奈米製程""晶片家族的PC和伺服器。"Penryn"是這一系列依據英代爾Core微架構之筆記型電腦、桌上型電腦和伺服器晶片家族的代號，首次正式釋出時共有16款處理器，除了一款Intel Core 2 Extreme QX9650是針對普通桌上型電腦市場外，其餘的雙核Xeon 5200系列和四核5400系列都是伺服器處理器。基本上Penryn是繼之後的縮小版Core 2 Duo，再加上47條新的SSE4指令集等額外配備。SSE4指令集之首次發表時間為2006年9月的英特爾開發者論壇。另外，x86處理器製造廠商AMD也在該公司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。定址模式.定址模式在16-bit的x86處理器：formula_132-bit定址模式在32-bit或64-bit的x86處理器：formula_264-bit定址模式在64-bit的x86處理器：formula_3x86彙編指令lea，是Load Effective Address的縮寫，其優勢是：x86暫存器.16位元.自Intel 8086和8088起，有14個16位元暫存器。其中四個。以及IP是用來指向目前執行指令的位址。32位元.自Intel 80386起，四個通用暫存器，但是區段暫存器在32位元模式下改做為記憶體區塊的選擇子暫存器。旗標暫存器被擴充套件為32位元，較低的16位元與原本在16位元下的旗標暫存器重疊共用。64位元.MMX暫存器，它們分別與浮點運算器〈FP0～FP7〉相重疊，所以MMX與浮點運算不可同時使用，必須透過切換選擇要使用哪一種。AMD64.英特爾原本已經決定在64位元的世代推出新的架構IA-64技術的Itanium處理器產品線來接替取代x86，但它與x86的軟體天生不相容，因此藉以各種形式來執行x86的軟體，不過，效率十分低下，加之處理器本身和軟體移植的成本難以控制，因此這個計畫最終告吹。AMD自行把32位元x86，EM64T後來被英代爾正式更名為Intel 64。這個架構也被稱為 64位元拓展架構，即x64，譬如四個通用暫存器等等。 這些資源只可在x64處理器的64位元模式下使用，在用來支援x86軟體的遺留模式和相容模式中是不可見的。128位元.自SSE起，SIMD的暫存器XMM0 - XMM15.256位元.SIMD registers YMM0 - YMM15.512位元.SIMD registers ZMM0 - ZMM31.暫存器結構.Note: The ?PL registers are only available in 64-bit mode.Note: The ?IL registers are only available in 64-bit mode.虛擬化.Intel CPU的x86虛擬化技術有VT-x、VT-d等。AMD CPU的x86虛擬化技術有AMD-V等。x86指令格式.x86與x86-64指令集的指令的格式為：指令字首.分為4組，每組用1個位元組編碼。每組在指令中至多指定1個字首值。4組的順序可以任意。指令碼.長度為1、2或3位元組，此外ModR/M中還可能有3位。對於雙位元組指令碼或三位元組指令碼，其中的第1個位元組為0FH，用於與指令字首區分。ModR/M與SIB.許多指令的記憶體運算元需要使用ModR/M位元組作為定址模式說明符。其中的mod與r/m組合，共有32個值，表示8個暫存器與24種定址模式。reg/opcode表示暫存器號或者額外的3位指令碼，其具體含義依賴基本指令碼。Mod與R/M的5位表示的第一運算元的定址方式如下：某些ModR/M位元組表示的尋找模式，需要SIB位元組來補充定址方式。scale表示比例係數；index表示變址暫存器號；base表示基址暫存器號。使用scale與index的5位定義比例變址暫存器如下：3位base表示的基址暫存器號，定義如下：在彙編程式設計中，一般把第1運算元的定址方式總結為如下8種：綜合指令格式中的ModR/M與SIB兩個位元組的語義規定，指令的第1運算元的定址方式可總結為4種物理實現：位移與立即數.某些定址方式需要給出位移值。有些指令需要給出立即數作為運算元。生產商.目前仍在設計、生產並販賣x86處理器的公司包括：曾經設計、生產並販賣x86處理器，但現已退-{}-出x86處理器市場的公司包括：