CPU架构那点事 篇二：X86架构：计算机历史的见证者

计算机技术是现代社会的基石，推动着人类科技的进步和各行业的发展。其中，x86架构作为最广泛使用的计算机体系结构之一，具有举足轻重的地位。从早期的8086微处理器到现在的13代酷睿，x86架构经历了多次技术创新和突破，为各行业提供了强大和灵活的计算能力。本文将详细探讨x86架构的起源以及其发展历程中的各个关键阶段。

x86架构自诞生以来在计算机发展历史上占有举足轻重的地位。作为最成功和广泛使用的CISC(复杂指令集计算机)体系结构之一,x86架构基于CISC(复杂指令集计算机)设计理念的优势,提供了强大的向后兼容性,丰富的指令系统和较好的代码密度,成为商业计算领域的事实标准,被广泛应用于服务器、个人电脑、嵌入式系统等各种场景。x86架构的成功基础,源自其强大的生态系统和持续创新。

x86架构的起源及早期发展

x86架构的起源可以追溯到1978年，当时的英特尔公司开发出第一款16位微处理器8086,这标志着x86架构的诞生。8086拥有29,000个晶体管，主频高达8MHz，是当时性能最强的微处理器。紧随其后的是1979年面世的8088,它是8086的经济型版本，具有8位外部数据总线。两年后的1981年IBM公司推出了一款基于Intel 8088微处理器的个人电脑。这款电脑的成功奠定了x86架构的基础。

8086照片，图片来自X

随后，英特尔公司推出了更先进的80286、80386和80486等x86系列处理器。这些处理器都向下兼容，连续推动了x86架构的发展。尤其是1985年的80386,集成了32位寄存器，是第一款真正的32位x86处理器。它的出现提高了x86架构的性能，也成为此后几年x86处理器发展的技术基础。Intel决定将x86架构向32位发展。这是一个正确但也存在风险的选择。扩展到32位可以大幅提高计算性能，但设计一个全新的32位微架构也将承担巨大风险。幸运的是，经过80386的验证，Intel证明了x86的32位演进是可行的，并为未来奠定了基础。80386作为第一款32位x86处理器，在当时产生了深远的影响。但是，32位计算的潜力并未被完全开发利用，随后几代x86处理器仍需在此基础上不断扩展和优化，才能逐步发掘出32位指令集的强大功能。任何新技术的引入都需要一个过程，80386只是打开了32位计算的大门。

在80486之后,Intel于1992年推出了代号为Pentium的新一代x86处理器,采用了全新的P6微体系结构。Pentium带来的指令流水线、分支预测等技术显著提升了x86的性能,使之成为1990年代主流个人计算的首选,奠定了x86在这个时代的市场地位。Pentium处理器采用流水线执行技术，大幅提升了x86架构的性能。但是，过分依赖流水线也存在风险，比如数据相关性未处理好时会造成严重的流水线停顿。Pentium在商业上非常成功，但从工程角度来看，仍有很大的优化空间。其后Intel又推出了Pentium Pro, Pentium II, Pentium III等产品,将P6架构不断发展和优化,使x86的性能不断领先同期竞争对手，它引入了MMX（多媒体扩展）指令集，为多媒体应用提供了强大的支持。

一代奔腾

随着Intel公司不断推出新的x86处理器，越来越多的计算机厂商开始生产基于x86架构的电脑。这使得x86架构逐渐成为全球最主流的计算机体系结构之一。

除了Intel外，其他公司如AMD、Cyrix等也在不同时期设计生产了自己的x86兼容CPU。例如，Cyrix则在1993年推出了第一款x86兼容的Cx486SLC处理器。AMD于1991年首次推出Am386系列处理器，与Intel 386 architecture直接竞争。1999年，AMD公司推出的K7（Athlon XP）处理器，在性能上首次超越了Intel的奔腾系列，从而奠定了x86处理器市场双雄争霸的格局。

左Cx486SLC 右AM386

进入21世纪:64位计算和多核时代

在不同的发展阶段，x86架构都取得了独特的创新和突破。2003年，AMD公司推出了首款支持64位运算的x86处理器——AMD Opteron（皓龙），引领了x86架构向64位发展的趋势。同年，Intel公司也推出了相应的64位处理器——Itanium（安腾） 2，进一步推动了x86架构的性能提升。

2005年，AMD公司推出了基于K8（Athlon 64）架构的处理器，首次引入了支持DDR2内存的技术，显著提升了x86处理器的内存带宽。这一技术突破为x86处理器在性能提升方面开辟了新的道路。

随后，Intel公司在2006年推出了基于Core（酷睿）架构的处理器，将x86处理器的性能推向了一个新的高度。Core架构处理器的推出，标志着x86处理器开始走向多核化，为处理器的并行计算能力提供了强大的支持。

Intel Core 2 Duo E43002

2008年，Intel公司推出了Nehalem微架构，这是该公司第一个包含内存控制器和QPI（快速通道互连）的处理器架构。这一改变使得处理器之间的通信更加高效，从而提高了整体系统性能。同样在2008年，AMD公司推出了Bobcat微架构，这是该公司首个基于x86架构的节能核心。2010年，Intel公司推出了Westmere微架构，这是Nehalem架构的改进版本，但制造工艺升级到了32纳米。

2011年，Intel公司推出了代号为Sandy Bridge的第二代酷睿处理器，首次实现了CPU和GPU（图形处理器）的融合。这一突破使得x86处理器的图形性能得到了显著提升，推动了个人电脑在图形处理方面的应用发展。

同年，AMD公司也推出了代号为Bulldozer（推土机）的FX系列处理器，进一步提高了x86处理器的多核性能。然而，推土机架构并未取得预期的成功。从市场和性能表现等各个角度来看推土机架构都是十分失败的，甚至可以说被钉在了CPU历史的耻辱柱上。

AMD FX-8120

2017年，Intel公司推出了代号为Kaby Lake的第七代酷睿处理器，进一步优化了处理器的能效和续航能力，使得x86处理器的能效得到了显著提升，为移动设备的续航性能提供了更好的支持。Kaby Lake也是Intel第一款只支持Windows 10以及之后版本Windows操作系统的处理器系列。

2017年之后，x86架构继续高速发展。Intel推出了第8到13代酷睿处理器，采用了更先进的制程工艺，在单线程性能上保持领先。同时，AMD推出了代号为Zen、Zen+和Zen 2的Ryzen系列处理器。AMD在Zen微体系结构的设计中采用了多项创新技术，大幅提升了x86的性能。通过采用14纳米工艺、SMT多线程技术，以及用神经网络预测取代分支预测等优化，AMD的Zen系列产品的IPC指令执行效率和多核心可扩展性有了显著提高。这使得AMD重新获得与Intel竞争的实力。

2023年，Intel公司提出了一项名为x86-S（S表示“简化”）的重大改变，这是一种新的处理器架构，它是英特尔在2023年提出的，旨在改进和简化x86-64架构。

x86-s的s代表Simplification，也就是精简化。它的主要思想是去掉一些过时或者很少用到的指令集和操作模式，只保留纯64位模式。这样可以减少软件和硬件之间的兼容性问题，提高处理器的性能和安全性。

x86-s的一些具体变化包括：

*只支持64位长模式，不支持16位实模式和32位保护模式。

*只保留ring 0 和 ring 3，移除ring 1 和 ring 2，以及gate等过时特性。

*移除16位寻址支持，删除ring 3 I/O接口进入支持，删除字符串接口I/O。

*使用X2APIC作为中断控制器 (APIC)，移除传统8259支持。

*移除虚拟8086模式等一些未使用的操作系统模式。

*只使用可变MTRR，移除Fixed MTRR。

x86-s对于操作系统和BIOS都有影响，需要进行相应的修改。但是对于32位和64位的ring 3应用程序，应该不会有太大影响。如果需要运行传统的64位操作系统，可以通过虚拟化软件来实现。

目前，x86-s架构仍处于设计和征求意见的阶段，它的引入将是x86架构自x86-64指令集引入64位寄存器和内存地址以来的一次重大更新。这一创新将对英特尔在PC、云计算和移动设备领域的发展产生积极影响。

总结

x86架构作为计算机技术的重要组成部分，经历了数十年的发展和演变。从早期的8086微处理器到现在的Ryzen 5000处理器，x86架构凭借其不断发展和优化，满足了各行业对计算能力的需求。在发展过程中，x86架构不断进行技术创新和突破，从早期的单核处理器到现在的多核和64位处理器，从单一的PC形态到现在的多样化应用场景，总体而言，x86架构在计算机领域保持着不可替代的地位。未来，随着技术不断进步和市场变化，x86架构将继续优化与发展，以满足日益增长的计算需求和各行业的发展要求。

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