x86 架構的簡單介紹

一、目前常見的 CPU 架構

目前主流的 CPU 架構主要分為兩個陣營：以 x86 為核心的複雜指令集架構（CISC），以及以 ARM 和 RISC-V 為代表的精簡指令集架構（RISC）。其中，x86 架構長期以來主導着桌面和服務器市場，代表廠商包括 Intel 與 AMD，其特點是指令集複雜、兼容性強、單核性能高，適合處理需要強大通用計算能力的場景。而 ARM 架構和新興的 RISC-V 架構則以低功耗、高能效比、架構簡潔為主要優勢，廣泛應用於移動終端、物聯網及嵌入式設備領域。ARM 生態成熟、授權模式靈活；RISC-V 則憑藉開源、可定製、免授權費等特性迅速崛起，吸引了眾多芯片廠商和研究機構的關注。經過多年的發展，這兩大陣營正在逐步向對方領域靠攏：x86 架構在能耗比和移動端優化方面持續改進，如 Intel 的低功耗系列處理器（Atom、Core Ultra）與 AMD 的高能效設計。ARM 架構則不斷提升高性能計算能力，已推出針對桌面和服務器市場的處理器，例如 Apple M 系列芯片、Ampere Altra、以及 華為鯤鵬（Kunpeng）服務器處理器等。同時，RISC-V 也開始探索高性能通用計算方向，出現瞭如 SiFive Performance 系列和 Alibaba 平頭哥玄鐵等高端內核。

此外還有經典的基於 RSIC 的 MIPS 架構，目前已開始轉向 RISC-V。由 IBM 主導的基於 RISC 的 Power 架構，用於大型機和高性能計算，包括用於桌面電腦的 PowerPC 和用於服務器的 POWER 系列。

1.1 x86 架構

x86 是個人計算機歷史上最經典、最成功的 CPU 架構之一。從最早的 8086 到如今的 Core、Ryzen，它經歷了 40 多年的發展，形成了龐大的生態體系。幾乎所有的桌面操作系統（如 Windows、Linux、macOS 的早期版本）都對 x86 有深度優化。

核心特點：

• 複雜指令集（CISC）：支持大量指令，功能強大但硬件實現複雜。
• 高性能：得益於超標量、亂序執行、分支預測等技術，單核性能長期領先。
• 功耗高：相比 RISC 架構，功耗與發熱較大，不適合移動端。
• 兼容性強：支持大量指令，功能強大但硬件實現複雜。

x86 的應用領域包括桌面電腦、服務器、數據中心、高性能工作站，並且逐漸朝着高能效的方向演進，比如 Intel Core Ultra、AMD Zen 5。

1.2 ARM 架構

核心特點：

• 精簡指令集計算 (RISC) 架構： 指令集簡單，設計緊湊高效。
• 低功耗和高能效： 這是其最大的優勢，非常適合電池供電的設備。
• 授權模式： ARM公司不生產芯片，而是設計架構和指令集，然後授權給各大芯片製造商進行二次開發和製造。
• 生態：Android、iOS、Linux 等系統都有良好支持。

ARM 的主要應用領域包括智能手機、平板電腦、智能電視、汽車電子、路由器、嵌入式設備等。其正在進軍高性能計算領域。Apple M 系列、華為鯤鵬、Ampere Altra 等產品已進入桌面和服務器市場，挑戰 x86 的地位。

1.3 RISC-V 架構

RISC-V 是一種完全開源的指令集架構，任何公司或個人都可以免費使用和修改。由於其開源的特點，很多想要自主設計芯片的公司基於此研究自己的處理器架構，比如由 RISC-V 轉變為自研架構的龍芯。

核心特點：

• 開源、免費：無專利費，無需授權。
• 精簡指令集
• 可擴展、可定製：適合科研、AI、IoT 等多種場景。
• 生態仍在成長：開發工具、編譯器、操作系統支持正在逐步完善。
• 潛力巨大：中國、歐洲、印度等國家正在積極推動 RISC-V 產業化。

RISC-V 的應用領域包括物聯網、微控制器、嵌入式系統、AI 加速器、高性能通用計算等等，被視為去美化、去授權依賴的關鍵路線之一，未來可能成為全球芯片生態的重要支柱。

二、x86 架構的組成

在介紹 x86 架構前，我們先明確核心前提 —— 指令集的概念。指令集（ISA，Instruction Set Architecture）是處理器架構的基礎核心，它定義了 CPU 能夠識別和執行的代碼規範。所有高級語言編寫的程序，最終都必須通過編譯轉化為機器碼，而這些機器碼正是指令集的具體落地形式。從硬件的角度看，處理器必須根據 ISA 的定義來構建其內部邏輯電路，以確保能正確解析和執行這些指令。指令集具有架構排他性，比如為 ARM 架構編譯的可執行文件，其包含的機器指令無法被 x86 處理器識別和運行。

指令集合彙編的關係。它們非常相關但不完全等同，是抽象與具體的關係。指令集是一個標準和架構。它定義了我們可以有哪些指令以及這些指令的功能是什麼。彙編指令是這種標準和架構的具體文本表示，是給人看的。它是根據指令集的規範，用助記符（比如 MOV, ADD, JMP）寫出來的代碼。每一條彙編指令都直接對應着一條指令集架構中定義的機器指令。當你用匯編器編譯彙編代碼時，它就會把這些助記符（如 ADD）翻譯成指令集規範所對應的二進制操作碼（如 00000011），也就是CPU真正能執行的機器碼。

指令集與微架構的關係。微架構是實現指令集的具體硬件電路。 指令集是目標，微架構是達成這個目標的手段。沒有微架構，指令集只是一紙空文；沒有指令集，微架構就不知道要執行什麼命令。一個指令集可以有多種微架構實現。Intel的Core i7 和 AMD 的 Ryzen 都執行 x86指令集，所以它們可以運行相同的Windows操作系統和軟件。但它們的內部設計（微架構）完全不同：Intel和AMD的緩存結構、流水線深度、分支預測算法、執行單元數量等都各有千秋。這就是為什麼同為x86 CPU，它們的性能和功耗卻不一樣。 在指令集基本不變的情況下，通過改進微架構（比如增加更多的執行單元、更好的分支預測、更大的緩存），可以讓CPU在同一個時鐘週期內處理更多的指令，從而大幅提升性能。

指令集的主要定義：

同樣採用 x86 架構的不同廠商的處理器一般指令集是兼容的，他們的處理器的區別主要是實現指令集的具體微架構的設計區別。比如同樣實現一個指令，不同廠商執行這個指令的硬件電路設計不同。這就引出了 x86 的整套體系：

• 指令集架構（ISA）：軟件層面定義的指令規則。
• 微架構（Microarchitecture）：硬件層面具體實現方式。
• 擴展技術：如 SIMD^[1]（單指令處理多數據）、虛擬化、內存保護、超線程^[2]等。

2.1 x86 架構的主要組成

2.1.1 指令集

ISA 是 x86 架構的靈魂，它定義了 CPU 可以理解和執行的所有指令、寄存器種類、尋址模式、異常機制等。x86 的 ISA 發展經歷了多個階段：

• x86（16位）：8086~80286 時代。
• IA-32（32位）：80386 開始，廣泛用於早期 PC。
• x86-64（64位）：由 AMD 首先推出（AMD64），支持 64 位尋址與寄存器擴展。
• SIMD 擴展：MMX → SSE → AVX → AVX2 → AVX-512，大幅提升並行計算性能。

1. x86 指令集

這裏列舉一部分：

• 數據傳送指令： MOV, PUSH, POP, LEA（取有效地址）。
• 算術運算指令： ADD, SUB, MUL, DIV, INC, DEC。
• 邏輯運算指令： AND, OR, XOR, NOT, SHL（左移）, SHR（右移）。
• 控制轉移指令： JMP（無條件跳轉）， CALL / RET（函數調用/返回）， Jcc（條件跳轉，如JZ, JNE）。
• 字符串操作指令： MOVS, CMPS, SCAS（與REP前綴配合使用）。
• 系統指令： 用於操作系統，如INT（觸發中斷）， IRET（從中斷返回）， LGDT（加載全局描述符表）， CPUID（獲取CPU信息）。

2. x86 寄存器組

• 通用寄存器：用於算術運算、邏輯運算、內存尋址等。某些寄存器有特殊用途，如ECX常用於循環計數，ESP始終指向棧頂。
  • 32位： EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, ESP, EBP。
  • 64位：在32位基礎上擴展為RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RSP, RBP，並新增了R8到R15。
• 段寄存器：在實模式和保護模式的早期，用於內存分段管理。在現代64位模式下，它們的意義不大，通常被設置為0。
  • CS（代碼段）， DS（數據段）， SS（堆棧段）， ES, FS, GS（附加數據段）。
• 指令指針：存放下一條要執行的指令的內存地址。CPU就是通過改變它來實現跳轉和函數調用。
  • EIP（32位） / RIP（64位）
• 標誌寄存器：存儲CPU運算後的狀態和控制標誌。
  • EFLAGS（32位） / RFLAGS（64位）
• 控制寄存器：控制CPU的操作模式（如開啓分頁、保護模式）。只有操作系統內核能訪問。比如CR0 包含系統控制標誌，如保護模式使能位（PE）、分頁使能位（PG）。頁目錄基址寄存器 CR3，存放當前進程頁表的物理地址，是 MMU 的核心。
  • CR0, CR1, CR2, CR3, CR4...

2.1.2 微架構

微架構是 實現 ISA 的硬件邏輯設計。不同 CPU（如 Intel Core i9、AMD Ryzen 9）雖然都屬於 x86 指令集，但它們的微架構不同（比如 Intel 的 Alder Lake、AMD 的 Zen 5）。微架構的主要組成部分包括：

1. 取指單元（Fetch Unit）

   負責從緩存或內存中讀取即將執行的指令，並預先存入指令隊列。現代 CPU 通常具備 分支預測器（Branch Predictor），提前預測跳轉結果以減少流水線停頓。

2. 譯碼單元（Decode Unit）

   將複雜的 x86 指令翻譯成更簡單的 微操作（Micro-ops 或 µops）。內部的執行單元通常是以類似 RISC 風格的微操作執行的。

3. 調度與執行單元（Execution Engine）

   將譯碼後的微操作交由不同的功能單元執行：ALU（算術邏輯單元），負責整數運算。FPU（浮點單元），負責浮點計算。SIMD/AVX 單元，負責並行向量計算。Load/Store 單元，負責數據讀寫。支持亂序執行^[3]（Out-of-Order Execution）與超標量^[4]（Superscalar）技術。

   亂序執行是現代 CPU 性能的關鍵。x86 亂序執行的一些關鍵點：寄存器重命名，解決指令間的假數據依賴，讓更多指令可以並行執行；保留站，微操作在這裏等待他們所需的操作數就緒；調度器，監視保留站，一旦某個微操作的操作數就緒，就把它分派給一個空閒的執行單元，不嚴格按照原始程序順序，從而實現“亂序執行”。

   

2.1.3 存儲與緩存層次（Memory Hierarchy）

x86 處理器採用多級緩存結構來解決 CPU 與內存速度差異，這一點基本所有架構是一致的：

• L1 緩存：分為指令緩存與數據緩存，速度最快。
• L2 緩存：容量更大，訪問稍慢。
• L3 緩存：多個核心共享，提升整體數據吞吐。
• 主存（DRAM）：由內存控制器訪問。
• 內存管理單元 MMU：集成在CPU內，負責將程序使用的虛擬地址通過查詢頁錶轉換為物理地址。

2.1.4 控制單元與系統管理

• 實模式（Real Mode）：16 位尋址，兼容早期 DOS。
• 保護模式（Protected Mode）：支持多任務與內存保護。
• 長模式（Long Mode）：64 位尋址。
• 系統管理模式（SMM）：用於硬件級控制（如電源管理）。
• 虛擬化擴展：Intel VT-x、AMD-V 支持虛擬機運行。

附錄

x86 指令集的發展

1. x86 (16位)。始於Intel 8086/8088處理器。16位寄存器（AX, BX, CX...），1MB內存尋址空間，使用分段內存模型。
2. x86-32 / IA-32。由 80386 處理器引入。擴展到32位寄存器（EAX, EBX, ECX...）。引入保護模式，支持虛擬內存、內存保護和多任務。尋址空間擴展到 4GB。這是現代操作系統（如Windows XP, Linux）真正興起的基礎。
3. x86-64 / AMD64 / Intel 64。由 AMD 首先設計並推廣，後來被Intel採納。寄存器擴展到64位（RAX, RBX...），並新增了8個通用寄存器（R8-R15）。尋址空間理論上達到2^64字節，實際上目前是 48 位或 57 位。幾乎完全向後兼容 32 位代碼。這是我們現在使用的桌面、服務器 CPU 的基準指令集。
4. MMX。Pentium MMX處理器，目的是加速多媒體處理（如圖像、音頻），使用80x87浮點寄存器的尾數部分，定義了8個64位寄存器（MM0-MM7），進行單指令多數據 SIMD操作，即一條指令可以同時處理多個小位寬的數據（如8個8位像素）。
5. SSE。Pentium III處理器引入，為了解決MMX的一些缺陷，並提升浮點性能。引入了獨立的128位寄存器（XMM0-XMM7），後來增加到16個（XMM0-XMM15）。支持單精度浮點數的 SIMD 操作。SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4.1, SSE4.2 是一系列連續的擴展，功能不斷增強，例如SSE2加入了雙精度浮點數和整數的SIMD操作。
6. AVX。Sandy Bridge架構（Intel）和 Bulldozer架構（AMD）。進一步擴展了 SIMD 能力。將寄存器寬度從128位擴展到256位（YMM0-YMM15）。引入了新的三操作數指令格式，更靈活。AVX, AVX2, AVX-512 是更強大的擴展。其中AVX-512將寄存器進一步擴展到512位（ZMM0-ZMM31），並引入了掩碼寄存器等強大功能，主要用於高性能計算和服務器領域。

什麼是 SIMD

x86的SIMD技術經歷了以下幾個主要階段，其核心是寄存器寬度和功能的不斷擴展：

在傳統的標量運算中，如果你要對兩個數組進行加法運算：

for (int i = 0; i < 4; i++) {
    c[i] = a[i] + b[i];
}

CPU需要執行大致需要執行4條加法指令：

1. 取 a[0] 和 b[0]，相加，結果存入 c[0]。
2. 取 a[1] 和 b[1]，相加，結果存入 c[1]。
3. 取 a[2] 和 b[2]，相加，結果存入 c[2]。
4. 取 a[3] 和 b[3]，相加，結果存入 c[3]。

而在SIMD模式下，假設我們有一個128位的SIMD寄存器：

1. 我們可以將 a[0] 到 a[3] 這4個32位整數，一次性打包加載到一個128位的SIMD寄存器中。
2. 同樣，將 b[0] 到 b[3] 也打包加載到另一個SIMD寄存器中。
3. 然後，執行一條SIMD加法指令，這條指令會同時將 a[0]+b[0], a[1]+b[1], a[2]+b[2], a[3]+b[3] 這4個加法計算一次性完成。
4. 最後，將結果一次性存回內存的 c[0] 到 c[3]。

只執行了1條加法指令。

SIMD是一種通過一條指令同時處理多個數據的並行計算技術。它是現代CPU提升數據吞吐量、實現高性能計算的最關鍵手段之一。 當你聽到 SSE、AVX 這些術語時，它們就是 x86 平台上 SIMD 指令集的具體實現。編譯器（如GCC、Clang、MSVC）通常可以自動將合適的循環代碼向量化，生成SIMD指令，而程序員也可以使用內置函數來手動編寫高性能的SIMD代碼。

註釋

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