Intel微处理器的发展史 

先后推出的中央处理器：

Intel4004、Intel8008、Intel8080/8085、8086/8088、80186、80286、i386、i486

Pentium（奔腾）、Pentium II、Pentium III、Pentium IV

Xeon（至强）、Xeon3、Xeon5、Xeon7

Itanium（安腾）、Itanium 2

           Core（酷睿）、i3、i5、i7、i9 系列

推出 80486 后，英特尔以 IA （ Intel Architecture ）指称该架构，也称  x86-32 架构。

由于从 8086 开始其后产品以 80186 、 80188 、 80286 、 i386 、 i486 等为代号命名，因而被外界称为 x86 架构， 奔腾系列、 Xeon 系列、酷睿系列全部是基于 x86 架构的产品， 它属于复杂指令集架构， Complex Instruction Set Computer， CISC。

IA-64 架构是一种全新处理器架构，与 x86 不能兼容， 为了与 IA-32 兼容，设计了 x86-64 结构 （也称 Intel64 ， x64 ）。 扩充的内容有：物理内存、指令集、 CPU 寄存器结构、应用程序的虚拟内存。

x86 从 32 位到 64 位的变化，并没有像从 16 位到 32 位的变化那样，在 系统软件层 面带来了 革命性的变化 （例如页式地址管理、多任务的引入等等）， 操作系统仍然使用以前的各种机制来对硬件进行管理。

        寄存器 Register 

                存储0、1串，可以是操作数、操作数地址等

                通用寄存器

                寄存器组中有8个32位的寄存器（通用寄存器）：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、ESP、EBP

            EAX: 累加器         Accumulator（可看成是某存储单元的地址）

            EBX: 基址寄存器     Base

            ECX: 计数器         Count

            EDX: 数据寄存器     Data

            ESI: 源变址寄存器   Source Index

            EDI: 目的变址寄存器 Destination Index

            ESP: 堆栈指示器     Stack Pointer

            EBP: 堆栈基址寄存器 Base Pointer

                还可细分：

                16位寄存器：AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP

                8位寄存器：AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL

                Q: 将EAX的低16位全部置成0，指令如何写？ 

                MOV   AX, 0

                Q: 将EAX的低8~15位全部置成1，指令如何写？

                MOV   AH, 0FFH

                Q: 将EAX的低16位全部置成0，指令如何写？

                    MOV  AX, 0

or                SUB  AX, AX

or                XOR  AX, AX

or                AND  AX, 0

or                SHL  AX, 16

or                IMUL  AX, 0

                x86-64位 CPU 中的通用寄存器：

16 个 64 位的通用寄存器

            rax、rbx、rcx、rdx、rbp、rsi、rdi、rsp、r8、 r9、 r10、r11、r12、r13、r14、r15

这些寄存器的低双字、最低字、最低字节都可被独立的访问，各自有自己的名字：

16 个低双字寄存器（ 32 位）

                   eax、ebx、ecx、edx、ebp、esi、edi、esp、r8d -- r15d

16 个低字寄存器 （ 16 位）

                   ax、 bx、cx、dx、bp、si、di、sp、r8w -- r15w

16 个 最低字节寄存器 （ 16 个）

                   al、bl、cl、dl、bpl、sil、dil、spl、r8b -- r15b

                注：AH、BH、CH、DH 仍可使用，但一条指令不能同时使用旧的高字节(AH、BH、CH、DH)和一个新的最低字节寄存器（bpl、sil、dil、spl、r8b - r15b）

                REX（Register Extension）

        REX 前缀字节是用于增强寄存器扩展的 x86 和 x86-64 指令集体系结构中的一个特殊字节。REX 前缀字节通常出现在指令的开头，用于扩展指令的功能，主要用于以下几个方面：

1. 64 位寻址：在 64 位模式下，REX 前缀字节用于指示使用 64 位寄存器进行操作。默认情况下，大多数指令在 64 位模式下会使用 32 位或 64 位的寄存器，但是在需要时，REX 前缀字节可以强制指定使用 64 位寄存器。

2. 扩展寄存器编号：REX 前缀字节还可以用于扩展寄存器的编号范围。在 64 位模式下，寄存器编号被扩展以支持额外的 8 个寄存器，分别是 R8 到 R15。REX 前缀字节允许在指令中使用这些额外的寄存器。

3. 扩展操作码：在某些情况下，REX 前缀字节还可以用于扩展操作码以支持新的指令操作。

        标志寄存器 

        16位 CPU 中的标志寄存器是 16 位，称 FLAGS ；

        32位的 EFLAGS 包含 16 位 FLAGS 的全部标志位且向下兼容。

        条件标志位

1.         Sign  Flag         符号标志：运算结果的最高二进制位为1，则SF=1，否则SF=0
2.         Zero  Flag         零标志：运算结果为0，则 ZF＝1，否则 ZF＝0
3.         Overflow  Flag   溢出标志：加法：2个同符号数相加，结果的符号位发生了改变，则 OF=1。
4.         Carry  Flag       进位标志：运算时从最高位向前产生了进位（或借位），则CF=1；否则 CF=0。

add 指令不区分有符号数加法和无符号数加法。

    不论将 x, y，z 定义为 unsigned short，还是short,

        执行 ：  

x = 32766;   
y = 3;   
z = x+y;

         z 都是 8001H; 并且标志位设置是相同的。

         两次显示结果不同，即将 8001H分别当成有符号数、无符号数解释，得到的结果不同。

对于 有 符号数运算，是否溢出可判断 OF 是否为 1 ；

        对于无符号数运算，是否溢出可判断 CF 是否为 1；

        控制标志位

        1．方向标志DF   (Direction  Flag)

                串操作指令中使用，DF=0，正向(低地址向高地址)处理数据串。DF =1 (Down)

        2．中断允许标志IF (Interrupt Flag)

                IF=1，CPU开中断，CPU响应外设的中断请求。

        3．跟踪标志 TF (Trace Flag)

                TF=1，CPU处于单步工作方式，即每执行完一条指令后，CPU自动产生一个类型为1的中断，使程序单步执行。

        系统标志位

1．IO特权标志 IOPL

        IOPL共占2位，指定了要求执行I/O指令的特权级。如果CPU当前特权级等于或高于IOPL时，则I/O指令可以执行，否则产生一个保护异常。

2．嵌套任务标志 NT

        控制中断返回指令的执行。NT=1，CPU当前执行的任务，嵌套在另一个任务之中，待执行完该任务时，应返回原来的任务中；否则，按堆栈中保存的断点返回。

3．重启动标志 RF

        该标志位与系统调试寄存器一起使用，以确定是否接受调试故障。当一条指令成功执行时，CPU将RF清0。若RF置1时，下一条指令的所有调试故障被忽略，否则接受调试故障。

4．虚拟8086方式标志 VM

        当VM置1时，说明CPU在虚拟8086方式下工作，否则在保护方式下工作。

        指令预取部件和指令译码部件 

        指令指示器 

                保存着下一条将要被CPU执行的指令的偏移地址(简称EA) 。

                EIP/IP的值由微处理器硬件自动设置，不能由指令直接访问，执行转移指令、子程序调用指令等可使其改变。

        五段流水线

•           取指令(IF)：根据PC的值从存储器取出指令。
•           指令译码(ID)：产生指令执行所需的控制信号。
•           取操作数(OF)：读取存储器操作数或寄存器操作数。
•           执行(EX)：对操作数完成指定操作。
•           写回(WB)：将操作结果写入存储器或寄存器。

流水线的冲突/冒险(hazard)情况 

Hazards：指流水线遇到无法正确执行后续指令或执行了不该执行的指令

结构冒险  (hardware resource conflicts，硬件资源冲突):

 现象：同一个部件同时被不同指令所使用    

 一个部件每条指令只能使用1次，且只能在特定周期使用

设置多个部件，以避免冲突。如指令存储器IM 和数据存储器DM分开

        数据冒险 (data dependencies，数据相关):

现象：后面指令用到前面指令结果数据时，前面指令的结果还没产生

转发(Forwarding/Bypassing旁路) 或 前半周期读后半周期写

Load-use冒险不能通过转发解决，需阻塞(stall)一个时钟周期

编译程序优化指令顺序

        控制 (分支) 冒险 (changes in program flow，改变控制流):

现象：转移或异常改变流程，后继指令在目标地址产生前已被取出

采用静态或动态分支预测

编译程序优化指令顺序(分支延迟)

         分段部件和分页部件

在 x86 架构中，分段部件是指用于管理内存分段的硬件组件或机制。在早期的 x86 处理器中，内存管理是通过分段来实现的，这种方式允许程序使用不同的段来存储不同类型的数据或指令，并且每个段都可以有自己的大小和访问权限。分段部件负责管理这些段，并确保程序可以正确访问它们。

分段部件主要包括以下几个方面的功能：

1. 段描述符（Segment Descriptor）: 分段部件使用段描述符来描述每个段的属性，例如基地址、段限制、访问权限等。段描述符存储在全局描述符表（Global Descriptor Table，GDT）或局部描述符表（Local Descriptor Table，LDT）中。

2. 段选择子（Segment Selector）: 段选择子是用于标识和选择段描述符的标识符。它包含了指向段描述符的索引以及当前段的特权级别（即所处的特权级别，如内核态或用户态）。

3. 段寄存器（Segment Registers）: x86 架构中有多个段寄存器，如 CS（代码段寄存器）、DS（数据段寄存器）、SS（堆栈段寄存器）等。这些寄存器用于存储当前正在使用的段选择子，从而确定当前正在访问的段。

4. 段选择（Segmentation）: 分段部件根据段选择子找到对应的段描述符，并根据其属性对内存访问进行限制和保护。例如，通过段描述符中的访问权限位可以控制段的读写权限，以及是否允许执行代码等。

5. 地址转换（Address Translation）: 分段部件负责将逻辑地址（段选择子和偏移量）转换为线性地址，然后进一步转换为物理地址，以便访问内存中的实际数据。

        分段部件中的段寄存器 

                6个16位的段寄存器：

                        CS：代码段寄存器  Code  Segment 

                        DS：数据段寄存器  Data  Segment

                        SS：堆栈段寄存器  Stack Segment

                        ES：附加数据段寄存器

                        FS

                        GS

        “.CODE”表示代码段，该段的选择子是段寄存器CS；

        “.DATA”表示数据段，该段的选择子是段寄存器DS；

           C程序中定义的全局变量就存储在数据段中；

        “.STACK”表示堆栈段，该段的选择子是段寄存器SS；

          C程序中定义的局部变量、函数参数存储在堆栈段中。

x86的3种工作方式 

1．实地址方式（简称实方式）

• 可以使用32位寄存器和32位操作数
• 可以采用32位的寻址方式。
• 此时的32位CPU与16位CPU一样，只能寻址1MB物理存储空间，程序段的大小不超64KB，段基址和偏移地址都是16位的，这样的段也称为“16位段”。

2．保护方式

        使用32位地址线，寻址4GB的物理存储空间，段基址和段内偏移量都是32位的。

        提供了支持多任务的硬件机构，能为每个任务提供一台虚拟处理器来仿真多台处理器；

        实施执行环境的隔离和保护，对不同的段设立特权级并进行访问权限检查，以防不同的程序之间的非法访问和干扰破坏，使操作系统和各应用程序都受到保护。

3．虚拟8086方式

• 在保护方式下运行的类似实方式的工作环境；
• 能充分利用保护方式提供的多任务硬件机构、强大的存储管理和保护能力；
• 多个8086程序可以通过分页存储管理机制，将各自的1MB地址空间映射到4GB物理地址的不同位置，从而共存于主存且并行运行。