Intel¶
史前时代: 8086 - NetBurst¶
16 bit 的感动¶
- 8086
一切都要从传奇的 8086 开始, 这是 Intel x86 架构的开山之作, 时至今日, 后者依旧是世界上最流行的 CPU 架构 (或许没有之一).
尽管 8086 发布于 1978 年，至今 (2025 年) 已经有 47 年的历史，我们的《汇编语言》《汇编与接口》等课程仍然在学习最古老的 8086 与其所使用的 x86 指令集. 这也不意外，毕竟 Intel 为了让那些古老的程序依旧能够跑在现代 CPU 上, 付出了不知道多少努力. 在现代 x86-64 架构的 CPU 中，你仍然可以看到 8086 的影子, 比如启动时的实模式, 以及 cs, ds, es, ss 等段寄存器, 都是 8086 的遗产.
8086 的 die shot 如下图所示, 由 Ken Shirriff 拍摄并标注, 来源是: A look at the die of the 8086 processor
8086 最开始使用 3 μm 工艺, 在 1981 年之后切换至了 2 μm 工艺, 晶体管数量为 29,000, 速度为 5 MHz.
- 80186
随后的 80186 依旧是 16 位微处理器, 是对 8086 进行的小改进, 相较于 8086, 其 reg+imm 的寻址方式更快，乘法器和除法器、移位运算的速度快几倍.
80186 也引入了一些新的指令, enter/leave 用于快速构建函数栈帧, bound 用于检查数组下标是否越界, pusha/popa 用于快速保存/恢复寄存器, ins/outs 用于字符串 I/O 操作等. 其中 enter/leave 以及 bound 指令与当时流行的编程语言 Pascal 有着紧密的联系, 体现出软硬件协同设计的思想.
80186 简化后的微架构如下, 来自维基百科，由 Appaloosa 制作:
特点:
- 加入了 DMA 控制器, 用于高速数据传输以及与外设的通信
80186 采用 3 μm 工艺, 与 8086 相同, 晶体管数量为 55,000, 速度为 6 MHz.
保护模式与 32 位处理器¶
- 80286 (16 位)
80286 是第一款具有保护模式的 x86 处理器, 数据总线仍然是 16 位, 但将地址总线扩展为 24 位, 可以寻址 16 MiB 的内存. 保护模式首次在硬件层面提供了虚拟内存管理, 采取分段管理内存的机制, 这使得现代的多任务操作系统成为可能. 通过分段机制, 80286 支持高达 1 GiB 的虚拟内存空间.
保护模式下不兼容实模式时代的 MS-DOS 程序, 因此 286 不能够运行多个 MS-DOS 程序, 在后面的 386 中, Intel 添加了虚拟 8086 模式, 增强了对 MS-DOS 程序的兼容性.
80286 的简化微架构如下, 同样由 由 Appaloosa 制作:
比较显著的特点:
- 首次添加片上内存管理单元 (MMU), 用于逻辑地址与物理地址的转换
- 数据总线与地址总线分离
- 内存地址的计算不再需要占用 ALU, 提高了 CPI
- 添加了对内存段的权限检查和访问越界检查, 有效阻止非法访问
- 指令预取从 6 byte 升级为 8 byte
80286 采用 1.5 μm 工艺, 晶体管数量为 134,000, 速度为 5/6/8 MHz, 随后还推出了 16/20/25 MHz 的版本.
- 80386 (i386)
80386 是第三代 x86 架构的微处理器，首个 32 位 x86 处理器. 80386 继承了 80286 的保护模式, 并添加虚拟 8086 模式以兼容 MS-DOS 程序. 同时, 80386 还引入了分页机制, 与分段机制相结合, 为操作系统提供了更加灵活的内存管理方式.
80386 的简化微架构如下:
-
i486
-
P5
-
P6