x86 架构的简单介绍

x86 架构的简单介绍

一、目前常见的 CPU 架构

目前主流的 CPU 架构主要分为两个阵营：以 x86 为核心的复杂指令集架构（CISC），以及以 ARM 和 RISC-V 为代表的精简指令集架构（RISC）。其中，x86 架构长期以来主导着桌面和服务器市场，代表厂商包括 Intel 与 AMD，其特点是指令集复杂、兼容性强、单核性能高，适合处理需要强大通用计算能力的场景。而 ARM 架构和新兴的 RISC-V 架构则以低功耗、高能效比、架构简洁为主要优势，广泛应用于移动终端、物联网及嵌入式设备领域。ARM 生态成熟、授权模式灵活；RISC-V 则凭借开源、可定制、免授权费等特性迅速崛起，吸引了众多芯片厂商和研究机构的关注。经过多年的发展，这两大阵营正在逐步向对方领域靠拢：x86 架构在能耗比和移动端优化方面持续改进，如 Intel 的低功耗系列处理器（Atom、Core Ultra）与 AMD 的高能效设计。ARM 架构则不断提升高性能计算能力，已推出针对桌面和服务器市场的处理器，例如 Apple M 系列芯片、Ampere Altra、以及 华为鲲鹏（Kunpeng）服务器处理器等。同时，RISC-V 也开始探索高性能通用计算方向，出现了如 SiFive Performance 系列和 Alibaba 平头哥玄铁等高端内核。

此外还有经典的基于 RSIC 的 MIPS 架构，目前已开始转向 RISC-V。由 IBM 主导的基于 RISC 的 Power 架构，用于大型机和高性能计算，包括用于桌面电脑的 PowerPC 和用于服务器的 POWER 系列。

架构 类型 代表厂商 主要领域 优势 劣势
x86 CISC Intel、AMD 桌面、服务器 性能强、兼容性好 功耗高
ARM RISC Apple、华为、高通 移动、嵌入式 低功耗、生态成熟 授权依赖
RISC-V RISC SiFive、平头哥 嵌入式、AI、科研 开源灵活、潜力大 生态未完善
MIPS RISC Wave Computing 网络设备（旧） 设计简洁 市场衰退
Power RISC IBM 高性能计算 吞吐量强 成本高、生态小

1.1 x86 架构

x86 是个人计算机历史上最经典、最成功的 CPU 架构之一。从最早的 8086 到如今的 Core、Ryzen，它经历了 40 多年的发展，形成了庞大的生态体系。几乎所有的桌面操作系统（如 Windows、Linux、macOS 的早期版本）都对 x86 有深度优化。

核心特点：

  • 复杂指令集（CISC）：支持大量指令，功能强大但硬件实现复杂。
  • 高性能：得益于超标量、乱序执行、分支预测等技术，单核性能长期领先。
  • 功耗高：相比 RISC 架构，功耗与发热较大，不适合移动端。
  • 兼容性强：支持大量指令，功能强大但硬件实现复杂。

x86 的应用领域包括桌面电脑、服务器、数据中心、高性能工作站，并且逐渐朝着高能效的方向演进，比如 Intel Core Ultra、AMD Zen 5。

1.2 ARM 架构

核心特点：

  • 精简指令集计算 (RISC) 架构： 指令集简单，设计紧凑高效。
  • 低功耗和高能效： 这是其最大的优势，非常适合电池供电的设备。
  • 授权模式： ARM公司不生产芯片，而是设计架构和指令集，然后授权给各大芯片制造商进行二次开发和制造。
  • 生态：Android、iOS、Linux 等系统都有良好支持。

ARM 的主要应用领域包括智能手机、平板电脑、智能电视、汽车电子、路由器、嵌入式设备等。其正在进军高性能计算领域。Apple M 系列、华为鲲鹏、Ampere Altra 等产品已进入桌面和服务器市场，挑战 x86 的地位。

1.3 RISC-V 架构

RISC-V 是一种完全开源的指令集架构，任何公司或个人都可以免费使用和修改。由于其开源的特点，很多想要自主设计芯片的公司基于此研究自己的处理器架构，比如由 RISC-V 转变为自研架构的龙芯。

核心特点：

  • 开源、免费：无专利费，无需授权。
  • 精简指令集
  • 可扩展、可定制：适合科研、AI、IoT 等多种场景。
  • 生态仍在成长：开发工具、编译器、操作系统支持正在逐步完善。
  • 潜力巨大：中国、欧洲、印度等国家正在积极推动 RISC-V 产业化。

RISC-V 的应用领域包括物联网、微控制器、嵌入式系统、AI 加速器、高性能通用计算等等，被视为去美化、去授权依赖的关键路线之一，未来可能成为全球芯片生态的重要支柱。

二、x86 架构的组成

在介绍 x86 架构前，我们先明确核心前提 —— 指令集的概念。指令集（ISA，Instruction Set Architecture）是处理器架构的基础核心，它定义了 CPU 能够识别和执行的代码规范。所有高级语言编写的程序，最终都必须通过编译转化为机器码，而这些机器码正是指令集的具体落地形式。从硬件的角度看，处理器必须根据 ISA 的定义来构建其内部逻辑电路，以确保能正确解析和执行这些指令。指令集具有架构排他性，比如为 ARM 架构编译的可执行文件，其包含的机器指令无法被 x86 处理器识别和运行。

指令集合汇编的关系。它们非常相关但不完全等同，是抽象与具体的关系。指令集是一个标准和架构。它定义了我们可以有哪些指令以及这些指令的功能是什么。汇编指令是这种标准和架构的具体文本表示，是给人看的。它是根据指令集的规范，用助记符（比如 MOV, ADD, JMP）写出来的代码。每一条汇编指令都直接对应着一条指令集架构中定义的机器指令。当你用汇编器编译汇编代码时，它就会把这些助记符（如 ADD）翻译成指令集规范所对应的二进制操作码（如 00000011），也就是CPU真正能执行的机器码。

指令集与微架构的关系。微架构是实现指令集的具体硬件电路。 指令集是目标，微架构是达成这个目标的手段。没有微架构，指令集只是一纸空文；没有指令集，微架构就不知道要执行什么命令。一个指令集可以有多种微架构实现。Intel的Core i7 和 AMD 的 Ryzen 都执行 x86指令集，所以它们可以运行相同的Windows操作系统和软件。但它们的内部设计（微架构）完全不同：Intel和AMD的缓存结构、流水线深度、分支预测算法、执行单元数量等都各有千秋。这就是为什么同为x86 CPU，它们的性能和功耗却不一样。 在指令集基本不变的情况下，通过改进微架构（比如增加更多的执行单元、更好的分支预测、更大的缓存），可以让CPU在同一个时钟周期内处理更多的指令，从而大幅提升性能。

指令集的主要定义：

类别 说明 举例
指令系统（Instruction Set） 定义 CPU 能执行的所有操作 加法、乘法、跳转、加载/存储等
寄存器集（Registers） 定义 CPU 内部可直接操作的高速存储单元 EAX、RAX（x86）；X0–X31（ARM）
数据类型（Data Types） 支持的数据格式 字节、字、双字、浮点数、向量
寻址方式（Addressing Modes） 指定操作数的获取方式 立即数、寄存器间接、基址+偏移
异常与中断机制 定义错误处理、系统调用等机制 页错误、除零错误、中断向量表
内存模型（Memory Model） 定义程序的内存访问与一致性规则 物理地址、虚拟地址、分页机制

同样采用 x86 架构的不同厂商的处理器一般指令集是兼容的，他们的处理器的区别主要是实现指令集的具体微架构的设计区别。比如同样实现一个指令，不同厂商执行这个指令的硬件电路设计不同。这就引出了 x86 的整套体系：

  • 指令集架构（ISA）：软件层面定义的指令规则。
  • 微架构（Microarchitecture）：硬件层面具体实现方式。
  • 扩展技术：如 SIMD[1]（单指令处理多数据）、虚拟化、内存保护、超线程[2]等。

2.1 x86 架构的主要组成

层次 组成 功能
指令集层 指令系统、寄存器、寻址模式 软件与硬件的接口
微架构层 取指、译码、执行、调度、预测 执行指令的实际逻辑
存储层 缓存、MMU、总线 提供数据支撑
控制层 模式切换、异常处理、虚拟化 管理与调度 CPU 资源

2.1.1 指令集

ISA 是 x86 架构的灵魂，它定义了 CPU 可以理解和执行的所有指令、寄存器种类、寻址模式、异常机制等。x86 的 ISA 发展经历了多个阶段：

  • x86（16位）：8086~80286 时代。
  • IA-32（32位）：80386 开始，广泛用于早期 PC。
  • x86-64（64位）：由 AMD 首先推出（AMD64），支持 64 位寻址与寄存器扩展。
  • SIMD 扩展：MMX → SSE → AVX → AVX2 → AVX-512，大幅提升并行计算性能。
1. x86 指令集

这里列举一部分：

  • 数据传送指令： MOV, PUSH, POP, LEA（取有效地址）。
  • 算术运算指令： ADD, SUB, MUL, DIV, INC, DEC。
  • 逻辑运算指令： AND, OR, XOR, NOT, SHL（左移）, SHR（右移）。
  • 控制转移指令： JMP（无条件跳转）， CALL / RET（函数调用/返回）， Jcc（条件跳转，如JZ, JNE）。
  • 字符串操作指令： MOVS, CMPS, SCAS（与REP前缀配合使用）。
  • 系统指令： 用于操作系统，如INT（触发中断）， IRET（从中断返回）， LGDT（加载全局描述符表）， CPUID（获取CPU信息）。
2. x86 寄存器组
  • 通用寄存器：用于算术运算、逻辑运算、内存寻址等。某些寄存器有特殊用途，如ECX常用于循环计数，ESP始终指向栈顶。
    • 32位： EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, ESP, EBP。
    • 64位：在32位基础上扩展为RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RSP, RBP，并新增了R8到R15。
  • 段寄存器：在实模式和保护模式的早期，用于内存分段管理。在现代64位模式下，它们的意义不大，通常被设置为0。
    • CS（代码段）， DS（数据段）， SS（堆栈段）， ES, FS, GS（附加数据段）。
  • 指令指针：存放下一条要执行的指令的内存地址。CPU就是通过改变它来实现跳转和函数调用。
    • EIP（32位） / RIP（64位）
  • 标志寄存器：存储CPU运算后的状态和控制标志。
    • EFLAGS（32位） / RFLAGS（64位）
  • 控制寄存器：控制CPU的操作模式（如开启分页、保护模式）。只有操作系统内核能访问。比如CR0 包含系统控制标志，如保护模式使能位（PE）、分页使能位（PG）。页目录基址寄存器 CR3，存放当前进程页表的物理地址，是 MMU 的核心。
    • CR0, CR1, CR2, CR3, CR4...

2.1.2 微架构

微架构是 实现 ISA 的硬件逻辑设计。不同 CPU（如 Intel Core i9、AMD Ryzen 9）虽然都属于 x86 指令集，但它们的微架构不同（比如 Intel 的 Alder Lake、AMD 的 Zen 5）。微架构的主要组成部分包括：

  1. 取指单元（Fetch Unit）

    负责从缓存或内存中读取即将执行的指令，并预先存入指令队列。现代 CPU 通常具备 分支预测器（Branch Predictor），提前预测跳转结果以减少流水线停顿。

  2. 译码单元（Decode Unit）

    将复杂的 x86 指令翻译成更简单的 微操作（Micro-ops 或 µops）。内部的执行单元通常是以类似 RISC 风格的微操作执行的。

  3. 调度与执行单元（Execution Engine）

    将译码后的微操作交由不同的功能单元执行：ALU（算术逻辑单元），负责整数运算。FPU（浮点单元），负责浮点计算。SIMD/AVX 单元，负责并行向量计算。Load/Store 单元，负责数据读写。支持乱序执行[3]（Out-of-Order Execution）与超标量[4]（Superscalar）技术。

    乱序执行是现代 CPU 性能的关键。x86 乱序执行的一些关键点：寄存器重命名，解决指令间的假数据依赖，让更多指令可以并行执行；保留站，微操作在这里等待他们所需的操作数就绪；调度器，监视保留站，一旦某个微操作的操作数就绪，就把它分派给一个空闲的执行单元，不严格按照原始程序顺序，从而实现“乱序执行”。

2.1.3 存储与缓存层次（Memory Hierarchy）

x86 处理器采用多级缓存结构来解决 CPU 与内存速度差异，这一点基本所有架构是一致的：

  • L1 缓存：分为指令缓存与数据缓存，速度最快。
  • L2 缓存：容量更大，访问稍慢。
  • L3 缓存：多个核心共享，提升整体数据吞吐。
  • 主存（DRAM）：由内存控制器访问。
  • 内存管理单元 MMU：集成在CPU内，负责将程序使用的虚拟地址通过查询页表转换为物理地址。

2.1.4 控制单元与系统管理

  • 实模式（Real Mode）：16 位寻址，兼容早期 DOS。
  • 保护模式（Protected Mode）：支持多任务与内存保护。
  • 长模式（Long Mode）：64 位寻址。
  • 系统管理模式（SMM）：用于硬件级控制（如电源管理）。
  • 虚拟化扩展：Intel VT-x、AMD-V 支持虚拟机运行。

附录

x86 指令集的发展

  1. x86 (16位)。始于Intel 8086/8088处理器。16位寄存器（AX, BX, CX...），1MB内存寻址空间，使用分段内存模型。
  2. x86-32 / IA-32。由 80386 处理器引入。扩展到32位寄存器（EAX, EBX, ECX...）。引入保护模式，支持虚拟内存、内存保护和多任务。寻址空间扩展到 4GB。这是现代操作系统（如Windows XP, Linux）真正兴起的基础。
  3. x86-64 / AMD64 / Intel 64。由 AMD 首先设计并推广，后来被Intel采纳。寄存器扩展到64位（RAX, RBX...），并新增了8个通用寄存器（R8-R15）。寻址空间理论上达到2^64字节，实际上目前是 48 位或 57 位。几乎完全向后兼容 32 位代码。这是我们现在使用的桌面、服务器 CPU 的基准指令集。
  4. MMX。Pentium MMX处理器，目的是加速多媒体处理（如图像、音频），使用80x87浮点寄存器的尾数部分，定义了8个64位寄存器（MM0-MM7），进行单指令多数据 SIMD操作，即一条指令可以同时处理多个小位宽的数据（如8个8位像素）。
  5. SSE。Pentium III处理器引入，为了解决MMX的一些缺陷，并提升浮点性能。引入了独立的128位寄存器（XMM0-XMM7），后来增加到16个（XMM0-XMM15）。支持单精度浮点数的 SIMD 操作。SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4.1, SSE4.2 是一系列连续的扩展，功能不断增强，例如SSE2加入了双精度浮点数和整数的SIMD操作。
  6. AVX。Sandy Bridge架构（Intel）和 Bulldozer架构（AMD）。进一步扩展了 SIMD 能力。将寄存器宽度从128位扩展到256位（YMM0-YMM15）。引入了新的三操作数指令格式，更灵活。AVX, AVX2, AVX-512 是更强大的扩展。其中AVX-512将寄存器进一步扩展到512位（ZMM0-ZMM31），并引入了掩码寄存器等强大功能，主要用于高性能计算和服务器领域。

什么是 SIMD

x86的SIMD技术经历了以下几个主要阶段，其核心是寄存器宽度和功能的不断扩展：

技术 引入时间 寄存器宽度 典型数据容量 特点
MMX 1997 64位 8个8位整数 / 4个16位整数 使用浮点寄存器，主要处理整数
SSE 1999 128位 (XMM) 4个32位单精度浮点数 革命性，引入独立寄存器，支持浮点
SSE2/3/4 2000s 128位 2个64位双精度浮点数 / 16个8位整数 功能不断增强和完善
AVX 2011 256位 (YMM) 8个32位单精度浮点数 更宽的寄存器，新指令格式
AVX-512 2013 512位 (ZMM) 16个32位单精度浮点数 极度强大，主要用于服务器/HPC

在传统的标量运算中，如果你要对两个数组进行加法运算：

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

CPU需要执行大致需要执行4条加法指令：

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

而在SIMD模式下，假设我们有一个128位的SIMD寄存器：

  1. 我们可以将 a[0] 到 a[3] 这4个32位整数，一次性打包加载到一个128位的SIMD寄存器中。
  2. 同样，将 b[0] 到 b[3] 也打包加载到另一个SIMD寄存器中。
  3. 然后，执行一条SIMD加法指令，这条指令会同时将 a[0]+b[0], a[1]+b[1], a[2]+b[2], a[3]+b[3] 这4个加法计算一次性完成。
  4. 最后，将结果一次性存回内存的 c[0] 到 c[3]。

只执行了1条加法指令。

SIMD是一种通过一条指令同时处理多个数据的并行计算技术。它是现代CPU提升数据吞吐量、实现高性能计算的最关键手段之一。 当你听到 SSE、AVX 这些术语时，它们就是 x86 平台上 SIMD 指令集的具体实现。编译器（如GCC、Clang、MSVC）通常可以自动将合适的循环代码向量化，生成SIMD指令，而程序员也可以使用内置函数来手动编写高性能的SIMD代码。

注释

Steady Progress!

  1. SIMD/AVX 向量化并行处理数据，提高多媒体性能 ↩︎

  2. 超线程指单核心同时处理多线程任务 ↩︎

  3. 乱序执行可以提前执行不相关的指令，以提高程序执行效率 ↩︎

  4. 超标量执行指每个周期执行多条指令 ↩︎

posted @ 2025-11-13 17:19  阿源-  阅读(96)  评论(0)    收藏  举报