intel x86 что это

Десять имён для одной архитектуры

На пятничном семинаре учебного проекта лаборатории МФТИ-Интел один из студентов задал мне примерно такой вопрос: а почему 64-битный вариант архитектуры процессоров Intel называется x64, а 32-битный — x86? Я начал объяснять, что не всё так просто. Захотелось нарисовать более полную картину. Ведь на самом деле это не x64, и даже не x86.

386-ые, Пентиумы и Коры

На самом деле названий для этого феномена, около сорока лет присутствующего на сцене процессорных технологий, было придумано несколько. Даже больше, чем хотелось бы. Они появились из разных источников и используются в разных контекстах, разными компаниями и разными сообществами. Конечно же, это вносит некоторую неразбериху.
Я постарался здесь собрать все известные мне названия. Не хочу пытаться доказать, что одна группа имён лучше другой, — меньше использовать их не станут.

8086 и семейство

В 1978 году был выпущен 16-битный процессор Intel, который имел «имя» 8086. За ним были 8088, 80186, 80286, 80386 (плюс вариации), 80486 (плюс вариации). Легко заметить, что (почти) все эти числовые имена оканчиваются на две цифры 86, что дало название всей серии x86. Оно укрепилось, его продолжили использовать и после того, как процессорам перестали давать цифровые имена, а появились Intel Pentium, Celeron, Xeon, Core, Atom и т.д. Совместимые продукты других вендоров, таких как IBM, AMD, Cyrix, VIA и т.д., также описываются как x86.
По моим наблюдениям, x86 — самый популярный вариант для имени этой архитектуры в Интернете, статьях и прочей литературе, особенно, когда не стоит задачи точно специфицировать разрядность архитектуры или речь явным образом идёт о 32-битном варианте.
Используются также вариации этого названия для 32-битных вариантов, позволяющие более точно указать минимальный набор поддерживаемых инструкций: i386, i486, i586, i686, — например, для различения вариантов сборок бинарных пакетов дистрибутивов Linux.

Пришествие 64 бит

Своими стараниями Intel расширила машинное слово в описанной ранее серии процессоров с 16 до 32 бит. Достигнуть этой архитектуре 64 бит помогла компания AMD, в 2003 году представившая процессор, поддерживающий новые инструкции и регистры и реализующий AMD64.
Для того, чтобы явно указать повышенную битность процессора/кода/пакета, имя x86 стало получать новый суффикс «64». Вот только через какой знак его приписывать не договорились, и иногда видишь x86_64, а порой x86-64. Например, вывод команды uname в Linux использует подчерк. Наконец, у пакетов можно увидеть и суффикс amd64 строчными буквами.
Intel же обозначала это расширение архитектуры сперва IA-32e, затем EM64T. В настоящее время можно встретить оба варианта в различных именах пакетов, документации и прочем. Тем не менее, есть и третье введённое Intel название…

Как это называет Intel

В официальной документации 32-битная архитектура имеет имя IA-32; её 64-битный вариант получил довольно странное с моей точки зрения имя Intel 64. Почему странное — оно создаёт потенциал для путаницы, как мы увидим ближе к концу статьи.

Компании-поставщики софта

Всё вместе

Ложные имена

Как известно, за свою сорокалетнюю историю Intel выпускала (и выпускает сейчас) не только процессоры IA-32. Были и до сих пор присутствуют продукты других архитектур. Они тоже имеют свои имена, иногда несколько созвучные. При этом происходит путаница, от которой хотелось бы предостеречь.

Intel IA-64. Является полным синонимом термина «Intel Itanium». Используется для обозначения 64-битной архитектуры, несовместимой ни с IA-32, ни с 64-битным её вариантом ни по набору команд, ни по принципам работы. Да, существуют аппаратные и программные прослойки для запуска IA-32 приложений на Итаниуме, но это — тема для отдельного и интересного рассказа. Кстати, и для Itanium есть ещё одно обозначение — IPF, используемое изредка как суффикс.

К сожалению, линейки таких семейств процессоров Intel, как i432, i860, i960 или не дожили до наших дней, или же имеют крайне узкую нишу применения. А то глядишь — пришлось бы для каждого из них запоминать ещё по десятку имён.

Источник

Физический факультет

x86 (Intel 80×86) — это общее название семейства микропроцессоров, как разработанных и выпускаемых компанией Intel, так и совместимых с ними процессоров других производителей (AMD, VIA, Transmeta, Winchip и т. д.).

Такое имя закрепилось за семейством этих микропроцессоров, так как названия ранних моделей процессоров Intel заканчивались на число 86 — 8086, 80186, 80286 (i286), 80386 (i386), 80486 (i486). Более поздние модели стали называть именами собственными, например — Пентиум (Pentium), чтобы иметь возможность зарегистрировать их как торговую марку (для усложнения жизни конкурентам). Другое название для архитектуры этого типа — IA (Intel Architecture) или же IA-32.

Оглавление документа

Основные особенности архитектуры

Реальный режим

Классический режим, использованный в ранних IBM PC. Позволяет адресовать 1 мегабайт памяти и не имеет встроенных средств для защиты памяти и переключения задач, что, впрочем, не мешает реализовать программную многозадачность.

Расширения

Дополнительный набор инструкций, выполняющих характерные для процессов кодирования/декодирования потоковых аудио/видео данных действия за одну машинную инструкцию. Впервые появился в процессорах Pentium MMX. Обеспечивает только целочисленные вычисления.

SSE (англ. Streaming SIMD Extensions, потоковое SIMD-расширение процессора) — это SIMD (англ. Single Instruction, Multiple Data, Одна инструкция — множество данных) набор инструкций, разработанный Intel, и впервые представленный в процессорах серии Pentium III. Поддерживает вычисления с плавающей точкой.

Улучшенное расширение SSE. Появилось в процессорах Pentium 4. Производит потоковые вычисления с вещественными числами двойной точности (2 числа в одном регистре SSE). Кроме того, добавлены инструкции аналогичные расширению MMX, работающие с регистрами SSE (16 байт, 8 слов, 4 двойных слова или 2 учетверенных слова в одном регистре).

Продолжение SSE и SSE2, появилось в процессорах Prescott

SSSE3

Дополнение к SSE3 для работы с упакованными целыми.

3DNow!

64-битный режим

К началу 2000-х годов стало очевидно, что 32-битное адресное пространство архитектуры x86 ограничивает производительность приложений, работающих с большими объёмами данных. 32-разрядное адресное пространство позволяет процессору осуществлять непосредственную адресацию лишь 4 Гб данных, этого может оказаться недостаточным для некоторых приложений, связанных, например, с обработкой видео или обслуживанием баз данных.

В литературе и названиях версий своих продуктов компании Microsoft и Sun используют объединенное именование AMD64/EM64T, когда речь заходит о 64-х разрядных версиях их операционных систем Windows и Solaris соответственно. В то же время, поставщики программ для операционных систем GNU/Linux, BSD и Mac OS X используют метки «x 86–64 » или «amd64», если необходимо подчеркнуть, что данное ПО использует 64-разрядные инструкции.

Процессоры

Процессоры x86 Intel

16-разрядный процессор i8086 был создан в июне 1978 года, сначала работал на частотах 4,77 МГц, а затем и на 8 и на 10 МГц. Изготавливался по 3 мкм технологии и имел 29000 транзисторов.

Чуть позже, в 1979 году был разработан i8088, который работал на тех же частотах, что и i8086, но использовал 8-разрядную шину данных (внутренняя шина процессора осталась 16-разрядной) для обеспечения большей совместимости с имевшейся в то время в ходу периферией. Благодаря более низкой цене, широко использовался в ранних системах IBM PC вместо 8086.

80186

В 1982 были выпущены 80186 и 80188, которые первоначально не получили широкого распространения из-за того, что IBM не стала использовать их в своих персональных компьютерах. Впрочем, некоторые производители «клонов» сделали это, выпустив ускоренные варианты IBM PC XT. В то же время, эти процессоры оказались чрезвычайно удачными для использования во встроенных системах, и в различных модификациях выпускаются до настоящего времени[источник?]. В эти процессоры были первоначально добавлено несколько новых команд, повышена тактовая частота. Впоследствии появились модификации, содержащие дополнительные аппаратные средства, такие, как интегрированные контроллеры последовательного порта.

80286

80386

Первый 32-разрядный процессор ( 16–33 МГц). Появился в 1985 году. Знаменовал собой революцию в мире процессоров x86. Основные принципы, заложенные в этом чипе, без кардинальных изменений дожили и до наших дней (за всё это время изменения касались, в основном, повышения производительности, расширения набора команд, увеличения разрядности).

Pentium

Pentium (1993 год) — первый суперскалярный процессор и суперконвейерный процессор Intel. Суперскалярность — термин, означающий, что процессор позволяет выполнять более одной операции за один такт. Суперконвейерность означает, что процессор имеет несколько вычислительных конвейеров. У Pentium их два, что позволяет ему при одинаковых частотах в идеале быть вдвое производительней 486, выполняя сразу 2 инструкции за такт. Кроме этого, особенностью процессора Pentium являлся полностью переработанный и очень мощный на то время блок FPU, производительность которого оставалась недостижимой для конкурентов вплоть до конца 90-х годов.

Pentium Pro

Pentium Pro (1995 год) – первый процессор шестого поколения. Идеи и технологии, заложенные в данный чип, определили архитектуры всех современных x86-процессоров: блоки предсказания ветвлений, переименование регистров, RISC-ядро, интегрированный кеш второго уровня. Однако технологическая сложность ядра данного процессора привела к сравнительно невысокому выходу годных чипов при технологиях того времени, что сказалось на высокой цене Pentium Pro. Поэтому данный процессор применялся только в High-End системах и серверах.

Pentium MMX

Pentuum MMX (январь 1997 года) – процессор пятого поколения, и по сути, просто модификация ядра Pentium. Был добавлен новый блок целочисленных матричных вычислений MMX (Multi-Media eXtensions) и увеличен до 32К объем кеша первого уровня.

Pentium II

Pentium II (май 1997 года) – модификация ядра Pentium Pro с целью сделать его более доступным. Интегрированный кеш был вынесен на отдельную микросхему с пониженной в два раза частотой. Это упростило и удешевило ядро, хотя и сделало его более медленным, чем Pentium Pro. Новая конструкция процессора потребовала размещение элементов на печатной плате, что, в свою очередь, привело к изменению конструктива процессора. Данные чипы выпускались в виде картриджей, устанавливающихся в специальный разъем на плате (Slot 1). Кроме этого, в ядро Pentuim II был добавлен блок MMX.

Celeron

Celeron — упрощённый вариант Pentium II/III/IV для построения недорогих компьютеров. Основные отличия этих процессоров в объёме кэша второго уровня и частоте шины.

Pentium III

Pentium III, изготовленный по 0,18 мкм технологическому процессу, отличается от P2 главным образом, добавлением SSE-инструкций.

Pentium 4

Принципиально новый процессор с гиперконвейеризацией (hyperpipelining) — с конвейером, состоящим из 20 ступеней. Согласно заявлениям Intel, процессоры, основанные на данной технологии, позволяют добиться увеличения частоты примерно на 40 процентов относительно семейства P6 при одинаковом технологическом процессе (при «правильной» загрузке процессора).

На практике же, первые модели работали даже медленнее, чем Pentium III.

Семейство процессоров, ориентированных на серверы и многопоточные вычисления.

Процессоры x86 AMD

Процессоры-аналоги i486. В то время, как Intel остановился на частоте 100 МГц у i486, AMD выпускала процессоры с частотами 120 МГц и 133 МГц. Также они отличались увеличенным объёмом кэша первого уровня (16 Кбайт).

Процессоры — аналоги Pentium. Несмотря на превосходство в целочисленных операциях над аналогами от Intel (в ядре данного процессора применялся ряд технологий шестого поколения), производительность блока вычислений с плавающей запятой раза в полтора уступала по производительности процессорам Pentium с аналогичной тактовой частотой. Кроме того, наблюдалась плохая совместимость с ПО некоторых производителей. Недостатки K5 были чрезвычайно преувеличены в различных сетевых и других неформальных обсуждениях и на долгое время способствовали (в целом — несправедливому) ухудшению репутации продукции AMD у пользователей.

Выпущен в апреле 1997 года. Принципиально новый процессор AMD, основанный на ядре, приобретенном у NextGen. Данный процессор имел конструктив пятого поколения, однако относился к шестому поколению и позиционировался как конкурент Pentuim II. Включал в себя блок MMX, и несколько переработанный блок FPU. Однако данные блоки все равно работали на 15–20 % медленнее, чем у аналогичных по частоте процессоров Intel. Процессор имел 64 Кбайт кэша первого уровня. В целом сравнимая с Pentum II производительность, совместимость со старыми материнскими платами и более ранний старт (AMD представила К6 на месяц раньше, чем Intel представила P-II) сделали его достаточно популярным, однако проблемы с производством у АМД значительно испортили репутацию данного процессора.

Дальнейшее развитие ядра К-6. В этих процессорах была добавлена поддержка специализированного набора команд 3DNow!. Реальная производительность, однако, оказалась существенно ниже, чем у аналогичных по частоте Pentium II (это было вызвано тем, что прирост производительности с ростом частоты у P-II был выше благодаря внутреннему кешу), и конкурировать К 6–2 смогли лишь с Celeron. Процессор имел 64 Кбайт кэша первого уровня.

K6-III

K6-III+

Аналог К6-III+ с урезанным до 128 Кб кэшем второго уровня.

Athlon

Очень успешный процессор, благодаря которому фирма AMD сумела восстановить почти утраченные позиции на рынке микропроцессоров. Кэш первого уровня — 128 Кб. Первоначально процессор выпускался в картридже, с размещением кэша второго уровня (512 Кб) на плате, и устанавливался в разъём Slot A, механически, но не электрически совместимый с интеловским Slot 1. Затем устанавливался в разъём Socket A и имел кэш второго уровня (256 Кб) в ядре. По быстродействию — примерный аналог Pentium III.

Duron

Конкурент Celeron поколений Pentium III/4. Отличается от Athlon’a объёмом кэша второго уровня (всего 64 Кб), зато интегрированным в кристалл и работавшем на частоте ядра. Производительность заметно выше, чем у аналогичного Celeron, и при выполнении многих задач соответствует Pentium III.

Athlon XP

Продолжение развития архитектуры Athlon. По быстродействию — аналог Pentium 4. По сравнению с обычным Athlon’ом, добавлена поддержка SSE инструкций.

Sempron

Более дешёвый (за счёт уменьшенного кэша второго уровня) вариант процессоров Athlon XP и Athlon 64. Первоначально процессоры Sempron представляли из себя перемаркированные чипы Athlon XP на ядре Thorton, имевшим 256 Kb кэша 2-го уровня. Поздние представляют собой урезанные версии Athlon 64 (socket 754, одноканальный режим работы с памятью).

Athlon 64

Первый процессор, поддерживающий архитектуру x86_64.

Athlon 64 X2

Продолжение архитектуры Athlon 64, имеет 2 вычислительных ядра.

Athlon FX

Имеет репутацию «самого быстрого процессора для игрушек». Является, по сути, серверным процессором Opteron 1xx на десктопных сокетах без поддержки Registered-memory. Выпускается малыми партиями. Стоит значительно дороже своих «массовых» собратьев.

Geode

Семейство процессоров, ориентированное на сектор встраиваемых решений, SOC.

Выпускала серию процессоров, часть из которых (ядро V20/V30) была программно совместима как с Intel x186, так и с Intel 8080. Переключение между режимами работы осуществлялось при помощи 3 дополнительных инструкций. Аппаратно они выглядели как сильно ускоренная версия 8088 или 8086.

Процессоры на основе ядра V33 не имели режима эмуляции 8080, зато поддерживали, при помощи двух дополнительных инструкций, расширенный режим адресации.

Процессоры МЦСТ

Компанией ЗАО «МЦСТ» выпущен первый процессор «Эльбрус» и вычислительный комплекс на его базе — «Эльбрус–3М1», позволяющий работать в режиме двоичной совместимости с семейством x86 процессоров.

Источник

Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library

Персональные инструменты

	Авторство
	В.И. Ромашов
	Согласовано: 24.04.2016

x86

x86 (англ. Intel 80×86 ) — архитектура процессора c одноимённым набором команд, впервые реализованная в процессорах компании Intel. Название образовано от двух цифр, которыми заканчивались названия процессоров Intel ранних моделей — 8086, 80186, 80286 (i286), 80386 (i386), 80486 (i486). За время своего существования набор команд постоянно расширялся, сохраняя совместимость с предыдущими поколениями. Помимо Intel архитектура также была реализована в процессорах других производителей: AMD, VIA, Transmeta, IDT и др.

Содержание

История

x86 — это CISC-архитектура. Доступ к памяти происходит по «словам». «Слова» размещаются по принципу little-endian, известному также как Intel-формат. Современные процессоры включают в себя декодеры команд x86 для преобразования их в упрощённый внутренний формат с последующим их выполнением.

Архитектура x86 в 1978 году с первым 16-разрядным процессором Intel, 8086, представила старые 8-разрядные процессоры 8080 и 8085 предназначенные для замены. Хотя 8086 не был изначально очень успешен, была поставлена IBM в 1981 году на первый компьютер. Из-за огромного успеха IBM PC и его многочисленных клонов, называемых IBM совместимыми персональными компьютерами, архитектура x86 была в течение нескольких лет одной из самых успешных архитектур процессоров в мире, и осталась таковой и в наши дни.

Процессоры

Процессоры Intel

16-разрядный процессор Intel 8086, был создан в июне 1978 года. Сначала работал на частотах 4,77 МГц, затем на 8 и 10 МГц. Изготавливался по технологии 3 мкм и имел 29 000 транзисторов. (см. Рис 2)

Чуть позже, в 1979 году, был разработан Intel 8088, который работал на тех же частотах, что и Intel 8086, но использовал 8-разрядную шину данных (внутренняя шина процессора осталась 16-разрядной) для обеспечения большей совместимости с имевшейся в то время в ходу периферией. Благодаря более низкой цене, широко использовался в ранних системах IBM PC вместо 8086. (см. Рис 3)

80386 (i386)

Первый 32-разрядный процессор, работал на частотах 16-40 МГц. Появился в 1985 году. Знаменовал собой революцию в мире процессоров x86. Основные принципы, заложенные в этом чипе, без кардинальных изменений дожили и до наших дней (за всё это время изменения касались, в основном, повышения производительности, расширения набора команд, увеличения разрядности). Первые 386 процессоры содержали серьёзную ошибку, приводящую к невозможности функционирования в защищенном режиме. Исправленная версия называлась 386DX.

Также выпускались более дешевые процессоры i386SX с урезанной до 16 бит внешней шиной данных и 24-битной шиной адреса. Для встроенного применения выпускался и выпускается процессор i386EX. Он имеет на кристалле последовательные порты, программируемые таймеры (совместимые с Intel 8254), контроллеры приоритетных прерываний (совместимые с Intel 8259A) и контроллеры прямого доступа к памяти (совместимые с Intel 8237A). i386 — первый процессор, который мог использовать кэш-память (расположенную на внешнем чипе).

80486 (i486)

Процессор i486 (1989 год) является усовершенствованным 386 процессором и первым скалярным процессором Intel (ряд операций выполнялись за один такт). Имел встроенный FPU (Floating Point Unit — блок вычислений с плавающей запятой) и впервые — встроенную кэш-память (8 Кбайт). 80486 — первый процессор Intel, для которого была применена технология умножения частоты шины FSB (в моделях DX2-50, DX2-66, DX4-75 и DX4-100). (см. Рис. 4) Для ноутбуков и встраиваемых систем в начале 1990-х была выпущена «облегченная» модификация i486SX без встроенного блока FPU. Существовала также модификация для встроенных применений — i486GX. Она представляла собой низковольтный 486SX с шиной данных, урезанной до 16-ти бит. Корпусировка i486GX — TQFP-176, частоты — от 16 МГц при Vcore = 2,0 В до 33 МГц при 2,7 В.

Pentium (i586)

Pentium (1993 год. Intel отказалась от номерных названий типа 8086, 80286 и др., потому что не могла запатентовать числа) — первый суперскалярный и суперконвейерный процессор Intel. Суперскалярность — означает, что процессор позволяет выполнять более одной операции за один такт. Суперконвейерность означает, что процессор имеет несколько вычислительных конвейеров. У Pentium их два, что позволяет ему при одинаковых частотах в идеале быть вдвое производительней 486, выполняя сразу 2 инструкции за такт. Кроме того, особенностью процессора Pentium являлся полностью переработанный и очень мощный на то время блок FPU, производительность которого оставалась недостижимой для конкурентов вплоть до конца 1990-х годов.

Pentium II (i686)

Pentium II (май 1997 года) — модификация ядра Pentium Pro с целью сделать его более доступным. Интегрированный кэш и тег кэша были вынесены на отдельные микросхемы с пониженной в два раза частотой. Это упростило и удешевило процессор, хотя и сделало его более медленным, чем Pentium Pro. Первые процессоры Pentium II выпускались с кэш-памятью второго уровня емкостью 256 Кбайт, затем её объём был увеличен до 512 Кбайт. Новая конструкция процессора потребовала размещения элементов на печатной плате, что, в свою очередь, привело к изменению конструктива процессора. Данные ЦПУ выпускались в виде картриджей SECC, устанавливающихся в специальный разъём на плате (Slot 1). Кроме того, в ядро Pentium II был добавлен блок MMX.

Celeron

Celeron — упрощённая модификация процессоров Pentium II / III / IV / Core / Core 2 для построения недорогих компьютеров. Первый Celeron (ядро Covington, частоты 266/300 МГц) представлял собой Pentium II, лишенный кеша второго уровня и пластикового картриджа. Печатная плата также была упрощена. Такая упаковка получила название SEPP (Single Edge Processor Package). В результате эти процессоры демонстрировали удручающе низкую производительность, хотя стоили очень недорого и легко прибавляли до 50 % частоты при разгоне. Все последующие варианты этого процессора имели интегрированный полночастотный кеш второго уровня. Основные отличия процессоров Celeron в объёме этого кэша и частоте шины, а также часто в увеличенной латентности доступа к кэш-памяти по отношению к оригинальному процессору (см. Рис 5).

Вторая модификация Celeron (ядро Mendocino, частоты 300…533 МГц) на многих задачах демонстрировала более высокую производительность, чем равночастотный Pentium II. Это объяснялось тем, что маленький (128 Кбайт) кеш Mendocino располагался на одном кристалле с ядром и работал на частоте ядра, в то время как большой (512 Кбайт) кеш Pentium II находился достаточно далеко от ядра и работал на половинной частоте. Больше таких промашек фирма Intel не допускала, и все последующие Celeron гарантированно медленнее полноценных процессоров того же поколения.

Pentium III (i686)

Pentium III, изготовленный изначально по технологическому процессу 0,18 мкм, отличается от P2 главным образом добавлением инструкций SSE. Поздние процессоры этой серии изготавливались по технологическому процессу 0,13 мкм, получили интегрированную в кристалл ядра полночастотную кэш-память (сначала 256 Кбайт, затем — 512 Кбайт) и послужили прообразом процессоров архитектуры Pentium M. Выпускались в конструктивах как SECC/SECC2 (Slot 1), так и FCPGA-370 (PGA-370).

Pentium 4

Pentium 4 — принципиально новый процессор с гиперконвейеризацией (hyperpipelining) — с конвейером, состоящим из 20 ступеней. Согласно заявлениям Intel, процессоры, основанные на данной технологии, позволяют добиться увеличения частоты примерно на 40 % относительно семейства P6 при одинаковом технологическом процессе (при «правильной» загрузке процессора). На практике же, первое поколение процессоров работало даже медленнее, чем Pentium III. Позже были дополнены поддержкой Hyper-threading и 64-битного кода (см. Рис. 6).

Core / Core 2

После провала последнего поколения процессоров Pentium 4 на ядре Tejas, было решено обратиться к другой ветви продукции. В основе новых процессоров лежит переработанное ядро Pentium M. Таким образом, ядро P6, использованное ещё в процессорах Pentium Pro, продолжило свою эволюцию, нарастив частоту со 150 МГц до 3,2 ГГц и обзаведясь новой системной шиной, поддержкой многоядерности, мультимедийных инструкций (см. Рис. 7). Процессоры Core — решение для ноутбуков, одно- и двухъядерное, исполняющее 32-битный код. Процессоры Core 2 — выпускаются как в настольном, так и мобильном исполнении, включают ряд микроархитектурных улучшений и способны исполнять 64-битный код. Количество ядер варьируется от одного до четырёх.

Core i7/Core i5/Core i3

Дальнейшее развитие идей, заложенных в процессорах Core 2. Сохранив основную конструкцию процессорных ядер, появившийся первым Core i7 получил модульную структуру, позволяющую легко варьировать их количество, встроенный контроллер памяти (трёхканальной DDR3 в высшем сегменте и двухканальной DDR3 в массовом) и новую шину, соединяющую процессор с чипсетом. Микроархитектурные улучшения позволяют Core i7 показывать повышенную производительность в сравнении с Core 2 на равных частотах. Большое внимание было уделено вопросу энергоэффективности нового процессора. Позже появились более дешевые Core i5/i7 с двухканальным контроллером памяти и четырьмя ядрами, затем — Core i3/i5 с двумя ядрами и встроенным видеоядром. В секторе наиболее производительных решений выпускаются также процессоры Core i7 с трехканальным контроллером памяти и шестью ядрами. Благодаря использованию технологии Hyper-threading эти процессоры способны одновременно исполнять до 12 потоков команд. Также в ассортименте компании Intel есть особо производительные процессоры для домашних ПК: Core i7 с трехканальным контроллером памяти и восемью ядрами. Количество потоков возросло до 16.

Семейство процессоров, ориентированных на серверы и многопоточные вычисления. Первый представитель этого семейства базировался на архитектуре Pentium II, представлял собой картдридж с печатной платой, на которой монтировались ядро, кэш-память второго уровня и тег кэша. Монтировался в гнездо Slot 2. Современные Xeon базируются на архитектуре Core 2/Core i7.

Процессоры AMD

Am8086 / Am8088 / Am186 / Am286 / Am386 / Am486

Клоны соответствующих процессоров от Intel. Обычно выпускались с максимальной частотой на ступеньку выше, чем у оригинала. Так, Am386DX выпускался с максимальной частотой 40 МГц, тогда как i386DX — 33 МГц. Вплоть до 486DX2-66 других различий между процессорами не было. Программно отличить эти процессоры было невозможно. 5×86 Клон i486. В то время, как Intel для i486 остановился на частоте 100 МГц, AMD выпускала процессоры с частотами до 133 МГц. Также они отличались увеличенным объёмом кэша первого уровня (16 Кбайт) и множителем (×4). (см. Рис. 8)

Принципиально новый процессор AMD (апрель 1997 года), основанный на ядре, приобретённом у NexGen. Данный процессор имел конструктив пятого поколения, однако относился к шестому поколению и позиционировался как конкурент Pentium II. Включал в себя блок MMX и несколько переработанный блок FPU. Однако данные блоки всё равно работали на 15-20 % медленнее, чем у аналогичных по частоте процессоров Intel. Процессор имел 64 Кбайт кэша первого уровня. В целом, сравнимая с Pentium II производительность, совместимость со старыми материнскими платами и более ранний старт (AMD представила К6 на месяц раньше, чем Intel представила P-II) и более низкая цена сделали его достаточно популярным, однако проблемы с производством у AMD значительно испортили репутацию данного процессора.

Athlon

Очень успешный процессор, благодаря которому фирма AMD сумела восстановить почти утраченные позиции на рынке микропроцессоров. Кэш первого уровня — 128 Кбайт. Первоначально процессор выпускался в картридже с размещением кэша второго уровня (512 Кбайт) на плате и устанавливался в разъём Slot A (который механически, но не электрически совместим со Slot 1 от Intel). Затем перешёл на разъём Socket A и имел 256 Кбайт кэша второго уровня в ядре. По быстродействию — примерный аналог Pentium III. Duron Урезанная версия Athlon, отличается от родителя объёмом кэша второго уровня (всего 64 Кбайт, зато интегрированным в кристалл и работавшем на частоте ядра). Конкурент Celeron поколений Pentium III / Pentium 4. Производительность заметно выше, чем у аналогичных Celeron, и при выполнении многих задач соответствует Pentium III.

Athlon 64

Первый несерверный процессор, поддерживающий архитектуру x86-64.

Athlon 64 X2

Продолжение архитектуры Athlon 64, имеет 2 вычислительных ядра. (см. Рис. 9)

Phenom

Дальнейшее развитие архитектуры Athlon 64, выпускается в вариантах с двумя (Athlon 64 X2 Kuma), тремя (Phenom X3 Toliman) и четырьмя (Phenom X4 Agena) ядрами.

Phenom II

Модификация Phenom. Небольшие архитектурные изменения, переход на более тонкий технологический процесс и добавление кэша L3 объёмом от 4 до 6 Мбайт позволили нарастить производительность этих процессоров на 10-20 % по сравнению с предшественниками. Выпускаются в конструктивах Socket AM2+ и Socket AM3. При этом первые могут работать только с памятью DDR2, а вторые — как с DDR2, так и с DDR3. Максимальное число ядер выросло до шести.

Athlon II

Phenom II без кеша L3 и количеством ядер не более четырёх.

Процессоры, выпускавшиеся в СССР и России

КР1810ВМ86

КР1834ВМ86/ЭКР1834ВМ86 — аналог 8086. К1810ВМ88 — аналог 8088. КФ1847ВМ286 (позднее ЭКФ1847ВМ2) — аналог 80286. Опытные образцы выпускались заводом имени Дзержинского (разработчик НТЦ «Белмикросистемы») НПО «Интеграл».

Процессоры МЦСТ

Компанией ЗАО МЦСТ выпущена серия микропроцессоров «Эльбрус», позволяющих работать в режиме двоичной совместимости с архитектурой x86. Совместимость обеспечивается за счёт программной динамической трансляции x86-кодов с использованием аппаратной поддержки, заложенной в архитектуру микропроцессора «Эльбрус». (см. Рис. 10)

Сведения общего характера

Понятие архитектуры

Архитектура как совместимость с кодом

Наверняка вы часто встречались с термином «x86», или «Intel-совместимый процессор» (или «IBM PC compatible» — но это уже по отношению к компьютеру). Иногда также встречается термин «Pentium-совместимый» (почему именно Pentium — вы поймете сами чуть позже). Что за всеми этими названиями скрывается на самом деле? На данный момент наиболее корректно с точки зрения автора выглядит следующая простая формулировка: современный x86-процессор — это процессор, способный корректно исполнять машинный код архитектуры IA32 (архитектура 32-битных процессоров Intel). В первом приближении это код, исполняемый процессором i80386 (известным в народе как «386-й»), окончательно же основной набор команд IA32 сформировался с выходом процессора Intel Pentium Pro. Что означает «основной набор» и какие есть еще? Для начала ответим на первую часть вопроса. «Основной» в данном случае означает то, что с помощью исключительно этого набора команд, может быть написана любая программа, которая вообще может быть написана для процессора архитектуры x86 (или IA32, если вам так больше нравится).

Кроме того, у архитектуры IA32 существуют «официальные» расширения (дополнительные наборы команд) от разработчика самой архитектуры, компании Intel: MMX, SSE, SSE2 и SSE3. Также существуют «неофициальные» (не от Intel) расширенные наборы команд: EMMX, 3DNow! и Extended 3DNow! — их разработала компания AMD. Впрочем, «официальность» и «неофициальность» в данном случае понятие относительное — де-факто все сводится к тому, что некоторые расширения набора команд Intel как разработчик изначального набора признает, а некоторые — нет, разработчики же программного обеспечения используют то, что им лучше всего подходит. В отношении расширенных наборов команд существует одно простое правило хорошего тона: прежде чем их использовать, программа должна проверить, поддерживает ли их процессор. Иногда отступления от этого правила встречаются (и могут приводить к неправильному функционированию программ), но объективно это является проблемой некорректно написанного программного обеспечения, а не процессора.

Для чего предназначены дополнительные наборы команд? В первую очередь — для увеличения быстродействия при выполнении некоторых операций. Одна команда из дополнительного набора, как правило, выполняет действие, для которого понадобилась бы небольшая программа, состоящая из команд основного набора. Опять-таки, как правило, одна команда выполняется процессором быстрее, чем заменяющая ее последовательность. Однако в 99% случаев, ничего такого, чего нельзя было бы сделать с помощью основных команд, с помощью команд из дополнительного набора сделать нельзя.

Таким образом, упомянутая выше проверка программой поддержки дополнительных наборов команд процессором, должна выполнять очень простую функцию: если, например, процессор поддерживает SSE — значит, считать будем быстро и с помощью команд из набора SSE. Если нет — будем считать медленнее, с помощью команд из основного набора. Корректно написанная программа обязана действовать именно так. Впрочем, сейчас практически никто не проверяет у процессора наличие поддержки MMX, так как все CPU, вышедшие за последние 5 лет, этот набор поддерживают гарантированно. Для справки приведем табличку, на которой обобщена информация о поддержке различных расширенных наборов команд различными десктопными (предназначенными для настольных ПК) процессорами.

Различия между ядрами одной микроархитектуры

«Процессорное ядро» (как правило, для краткости его называют просто «ядро») — это конкретное воплощение [микро]архитектуры (т.е. «архитектуры в аппаратном смысле этого слова»), являющееся стандартом для целой серии процессоров. Например, NetBurst — это микроархитектура, которая лежит в основе многих сегодняшних процессоров Intel: Celeron, Pentium 4, Xeon. Микроархитектура задает общие принципы: длинный конвейер, использование определенной разновидности кэша кода первого уровня (Trace cache), прочие «глобальные» особенности. Ядро — более конкретное воплощение. Например, процессоры микроархитектуры NetBurst с шиной 400 МГц, кэшем второго уровня 256 килобайт, и без поддержки Hyper-Threading — это более-менее полное описание ядра Willamette. А вот ядро Northwood имеет кэш второго уровня уже 512 килобайт, хотя также основано на NetBurst. Ядро AMD Thunderbird основано на микроархитектуре K7, но не поддерживает набор команд SSE, а вот ядро Palomino — уже поддерживает. Таким образом, можно сказать что «ядро» – это конкретное воплощение определенной микроархитектуры «в кремнии», обладающее (в отличие от самой микроархитектуры) определенным набором строго обусловленных характеристик. Микроархитектура — аморфна, она описывает общие принципы построения процессора. Ядро — конкретно, это микроархитектура, «обросшая» всевозможными параметрами и характеристиками. Чрезвычайно редки случаи, когда процессоры сменяли микроархитектуру, сохраняя название. И, наоборот, практически любое наименование процессора хотя бы несколько раз за время своего существования «меняло» ядро. Например, общее название серии процессоров AMD — «Athlon XP» — это одна микроархитектура (K7), но целых четыре ядра (Palomino, Thoroughbred, Barton, Thorton). Разные ядра, построенные на одной микроархитектуре, могут иметь, в том числе разное быстродействие.

Частота работы ядра

Как правило, именно этот параметр в просторечии именуют «частотой процессора». Хотя в общем случае определение «частота работы ядра» всё же более корректно, так как совершенно не обязательно все составляющие CPU функционируют на той же частоте, что и ядро (наиболее частым примером обратного являлись старые «слотовые» x86 CPU — Intel Pentium II и Pentium III для Slot 1, AMD Athlon для Slot A — у них L2-кэш функционировал на 1/2, и даже иногда на 1/3 частоты работы ядра). Ещё одним распространённым заблуждением является уверенность в том, что частота работы ядра однозначным образом определяет производительность. На самом деле это дважды не так: во-первых, каждое конкретное процессорное ядро (в зависимости от того, как оно спроектировано, сколько содержит исполняющих блоков различных типов, и т.д. и т.п.) может исполнять различное количество команд за один такт, частота же — это всего лишь количество таких тактов в секунду. Таким образом (приведенное далее сравнение, разумеется, очень сильно упрощено и поэтому весьма условно) процессор, ядро которого исполняет 3 инструкции за такт, может иметь на треть меньшую частоту, чем процессор, исполняющий 2 инструкции за такт — и при этом обладать полностью аналогичным быстродействием.

Во-вторых, даже в рамках одного и того же ядра, увеличение частоты вовсе не всегда приводит к пропорциональному увеличению быстродействия.. Дело в том, что скорость исполнения команд ядром процессора — это вовсе не единственный показатель, влияющий на скорость выполнения программы. Не менее важна скорость поступления команд и данных на CPU. Представим себе чисто теоретически такую систему: быстродействие процессора — 10’000 команд в секунду, скорость работы памяти — 1000 байт в секунду. Таким образом, следует понимать: невозможно непрерывно наращивать одну только частоту ядра, не ускоряя одновременно подсистему памяти, так как в этом случае начиная с определённого этапа, увеличение частоты CPU перестанет сказываться на увеличении быстродействия системы в целом.

Кодирование инструкций

Префиксы (каждый из них опционален):

Встроенные в инструкцию данные (опциональны):

В списке выше и далее для технических имён принято наименование «только латиница, арабские цифры» и знак минуса «-» со знаком подчёкивания «_», а регистр — CamelCase (любое слово начинается с прописной, а далее только строчные даже если аббревиатура: «UTF-8» → «Utf8» — все слова вместе). Префиксы AddressSize, Segment, BranchHint, Lock, OperandsSize и Repeat могут перемешаны между собой. Остальные элементы должны идти именно в указанном порядке. И видно что байтовые значения некоторых префиксов совпадают. Их назначение и наличие определяет уже сама инструкция. Префиксы переопределения сегмента могут применяться с большинством инструкций, а префиксы BranchHint применяются только с инструкциями условного перехода. Аналогичная ситуация с префиксами Mandatory и Repeat — где-то они уточняют инструкцию, а где-то указывают на повторение. Префикс OperandSize вместе в префиксами Mandatory ещё относят к префиксам SIMD-инструкции. Отдельно следует сказать про префикс Vex. Он заменяет префиксы Rex, Mandatory, Escape и OperandsSize, компактизируя их в себе. С ним не допустимо использование префикса Lock. Сам же префикс Lock может добавляться когда приёмником является операнд в памяти.

Обзорный список всех интересующих режимов с точки зрения кодирования инструкций:

В скобках английские названия режимов соответствуют официальным. Ещё есть синтетические режимы на вроде нереального (Unreal x86 Mode), но они все вытекают из этих трёх (по сути это гибриды, которые отличаются лишь размером адреса, операндов и прочим). В каждом из них используется «родной» режим адресации, но его можно сменить на альтернативный префиксом OperandsSize. В 16-битном режиме включится 32-битный режим адресации, в 32-битном режиме — 16-битный, а в 64-битном — 32-битный. Но если это делать, то адрес расширяется с дополнением нулями (если он меньше) или же его старшие биты сбрасываются (если он больше).

Дизайн

Архитектура x86 использует CISC набор команд с переменной длиной инструкции. Доступ к памяти по размеру слова также могут не выровнено по границе слова адреса памяти. Слова в Little Endian хранящегося направлении. Easy портативность Intel 8085 на ассемблере код был движущей силой развития архитектуры. Это вызвало некоторые неоптимальные и проблематичные в ретроспективе проектных решений.

64 бита

Примерно в 2002 году, расширение памяти современных x86 машин достиг вызвано 32-битного адресного ограничения размера адресации в инструкции x86 архитектуру набора 4 Гб. Хотя Intel имел Pentium Pro представила способ решения более 4 Гб оперативной памяти, но ее использование программно трудоемким и процесс в доступной памяти остался так до сих пор ограничен до 4 Гб.

Для 64-разрядных процессоров, которые основаны на архитектуре x86, термин x86-64 или вскоре x64 используется.

Виртуализация

Режимы работы

Реальный режим

В реальном режиме при вычислении линейного адреса, по которому процессор собирается читать содержимое памяти или писать в неё, сегментная часть адреса умножается на 16 (или, то же самое, что и сдвиг влево на 4 бита) и суммируется со смещением (если процессору передаётся не полный адрес из двух 16-битных значений — сегмента и смещения, — а только 16-битное смещение, то сегмент берётся из одного из сегментных регистров). Таким образом, адреса 0400h:0001h и 0000h:4001h ссылаются на один и тот же физический адрес, так как 400h×16+1 = 0×16+4001h.

Такой способ вычисления физического адреса позволяет адресовать 1 Мб + 64 Кб − 16 байт памяти (диапазон адресов 0000h…10FFEFh). Однако в процессорах 8086/8088 всего 20 адресных линий, поэтому реально доступен только 1 мегабайт (диапазон адресов 0000h…FFFFFh), а при адресации выше (в диапазоне 100000h…10FFEFh) происходит «заворот» — старший единичный бит адреса игнорируется и происходит обращение к 64 килобайтам в начальных адресах (0000h…FFEFh).

Процессор 80286 имеет 24-битную адресную шину (возможна адресация 224 = 16 Мб памяти), поэтому в них переполнения не происходит. Компьютеры IBM PC/AT построены на процессоре Intel 80286, но, из соображений совместимости с IBM PC и IBM PC/XT, построенных на Intel 808x, в них был введён логический элемент (вентиль), управляющий работой 21-го адресного провода (A20). Этот логический элемент, получивший название «Gate A20», по умолчанию отключен, что соответствует режиму совместимости, но управляется через контроллер клавиатуры (микросхема Intel 8042).

Линейная адресация памяти

Линейная адресация памяти — схема адресации памяти компьютера в защищённом режиме (начиная с Intel 80386 и других совместимых x86-процессорах). Используется большинством современных многозадачных ОС. (см. Рис. 11)

Благодаря механизму линейной адресации можно создавать любое (ограниченное только размерами оперативной памяти) количество независимых виртуальных адресных пространств. Причём каждая страница линейного адресного пространства может находиться по любому физическому адресу или даже быть выгруженной на диск.

При использовании линейной адресации 32-битный логический адрес делится на три части:

Защищенный режим

Суть защищённого режима в следующем: программист и разрабатываемые им программы используют логическое адресное пространство, размер которого может составлять 1 гигабайт. Логический адрес преобразуется в физический адрес автоматически с помощью схемы управления памятью (MMU). При этом содержимое сегментного регистра не связано напрямую с физическим адресом, а является номером сегмента в соответствующей таблице. Благодаря защищённому режиму, в памяти может храниться только та часть программы, которая необходима в данный момент, а остальная часть может храниться во внешней памяти (например, на жёстком диске). В случае обращения к той части программы, которой нет в памяти в данный момент, операционная система может приостановить программу, загрузить требуемую секцию кода из внешней памяти и возобновить выполнение программы. Следовательно, становятся допустимыми программы, размер которых больше объёма имеющейся памяти, и пользователю кажется, что он работает с большей памятью, чем на самом деле.

Физический адрес формируется следующим образом. В сегментных регистрах хранится селектор, содержащий индекс дескриптора в таблице дескрипторов (13 бит), 1 бит, определяющий к какой таблице дескрипторов будет производиться обращение (к локальной или к глобальной) и 2 бита запрашиваемого уровня привилегий. Далее происходит обращение к соответствующей таблице дескрипторов и соответствующему дескриптору, который содержит начальный 24-битный адрес сегмента, размер сегмента и права доступа, после чего вычисляется необходимый физический адрес путём сложения адреса сегмента со смещением из 16-разрядного регистра.

Режим виртуального 8086

Источник

Дизайнер	Intel, AMD
Биты	16-bit, 32-bit and 64-bit
Представлен	1978 (16-bit), 1985 (32-bit), 2003 (64-bit)
Дизайн	CISC
Тип	Register-memory
Кодирование	Variable (1 to 15 bytes)
Разветвление	Status register
Порядок байтов	Little
Размер страницы	8086–i286: None i386, i486: 4 KB pages P5 Pentium: added 4 MB pages (Legacy PAE: 4 KB→2 MB) x86-64: added 1 GB pages
Расширения	x87, IA-32, MMX, SSE, SSE2, x86-64, SSE3, SSSE3, SSE4, SSE5, AVX
Открыто	Partly. For some advanced features, x86 may require license from Intel; x86-64 may require an additional license from AMD. The 80486 processor has been on the market for more than 20 years [1] and so cannot be subject to patent claims. The pre-586 subset of the x86 architecture is therefore fully open.
Регистры
Общее назначение