CPU架構及指令集之研究

　　這幾天一直在搞BLCR，自然對核心接觸的也比較多。不僅在OS版本上的不同，如Ubuntu、Fedora、Suse，還有晶片結構，指令集的不同，從AMD到Intel，從32位到64位。這種水平和垂直方向的跨度，也讓我有了更全面的認識。研究核心，自然會涉及不同的架構，不同的指令集。通過兩篇文章，簡單但又綜合性的介紹一下相關概念。（資料來源：Google，百度）

　　第一部分：x86與i386、i486、i586、i686

　　1. x86

　　x86，或80×86是Intel首先開發製造的一種微處理器體系結構的泛稱，包括8086、80186、80286、80386以及80486等。 因此其架構被稱為“x86”。由於數字並不能作為註冊商標，現在Intel把x86-32稱為IA-32，即Intel Architecture, 32-bit。

　　x86架構於1978年推出的Intel 8086中央處理器中首度出現，它是從Intel 8008處理器中發展而來的，而8008則是發展自Intel 4004的。之後x86便成為了個人計算機的標準平臺，成為了歷來最成功的CPU架構。Intel以外最成功的製造商為AMD，其Athlon系列處理器的市場僅次於Pentium。

　　8086是16位處理器，直到1985年32位的80386的開發，這個架構都維持是16位。接著一系列的處理器表示了32位架構的細微改進，推出了數種的擴充，直到2003年AMD對於這個架構發展了64位的擴充，並命名為AMD64（有時也被稱作x86-64，x64或EM64T），推出了 Opteron處理器家族，開創了x86的64位時代。

　　值得注意的是Intel早在1990年代就與惠普合作提出了一種用在安騰（Itanium）系列處理器中的獨立的64位架構，這種架構被稱為IA-64。IA-64是一種嶄新的系統，和x86架構完全沒有相似性，不應該把它與AMD64或x86-64弄混。關於x86-64，IA-64，AMD64等，將在下一篇文章中介紹。

　　x86是一個Intel通用計算機系列的標準編號縮寫，也標識一套通用的計算機指令集合，X與處理器沒有任何關 系，它是一個對所有*86系統的簡單的萬用字元定義，例如：i386, 586,奔騰(Pentium)。

　　由於早期Intel的CPU編號都是用如8086，80286來編號，這整個系列的CPU都是指令相容的，所以都用x86來標識所使用的指令集合。如今的奔騰、P2、P4、賽揚系列都是支援x86指令系統的，所以都屬於x86家族。目前，也並不都是使用x86系列CPU，部分伺服器和蘋果 (Macintosh)機中還使用美國DIGITAL(數字)公司的Alpha 61164和PowerPC 604e系列CPU。

　　2. i386、i586、i686

　　Intel 80×86簡稱為ix86，比如i386、i586、i686等等，指的是適用於Intel i386、i586、i686相容指令集的微處理器。

　　一般而言，所有x86處理器都能執行386的指令集，80486處理器當然需要486的優化。Pentium就是586，PentiumPro (P6)之後的統稱為686，包含了PentiumPro，PentiumⅡ，PentiumⅢ和P4。

　　換言之，i386適用於intel和AMD所有32位的CPU，以及採用x86架構的32位CPU。i686只是i386的一個子集，支援的CPU從Pentium 2(686)開始，之前的型號不支援。順便說一下，x86_64適用於Intel的Core 2 Duo, Centrino Core 2 Duo，Xeon，AMD Athlon64/x2，Sempron64/x2,，Duron64等採用x86架構的64位CPU。

　　一般來說，等級愈高的機器可接受較低等級的rpm檔案。可以通過/proc/cpuinfo這個文件查詢CPU等級。

　　x86體系結構雖然指令都一樣，但是不同時代的具體實現，在編譯優化上還是有自己的特點，而且後一代往往會多出一些指令，所以編譯rpm時，可以針對不同的體系結構作不同的編譯選項優化。

　　以上只是對相關概念的簡單說明，還有其他更深入的知識，這裡就不一一列出。下一篇主要介紹一下64位結構上的x86-64和IA-64。

　　第二部分：x86，x86-64，IA-64

　　x86：從1978年來的8086處理器開始，就已經出現了x86架構CPU，即32位處理器。（詳見上篇）

　　x86-64：又簡稱為x64，最初開發為1999年AMD，也叫做AMD64或x64，為了擴充IA64。當時的x86-64架構誕生頗有時代意義，處理器的發展遇到了瓶頸，記憶體定址空間由於受到32位CPU的限制而只能最大到約4G。於是就有了x86-64。後被Intel所採用。

　　IA-64：其實IA-64的歷史早於x86-64x，最初由Intel和惠普聯合推出。由於IA-64不與32位相容，所以沒有受到重視。直到Intel採用了AMD的x86-64架構，才正式的批量生產。而後為了日益擴張的計算需求，Intel重新將IA-64拿出來，釋出了安騰系列伺服器CPU。

　　雖然x86-64和IA-64處理器都能夠執行64位作業系統和應用程式，但是區別在於：

• x86-64架構基於x86，是為了讓x86架構CPU相容64位計算而產生的技術。X86-64架構的設計是採用直接簡單的方法將目前的x86指令集擴充套件。這個方法與當初的由16位擴充套件至32位的情形很相似。優點在於使用者可以自行選擇x86平臺或x64平臺，相容性高。

• IA-64則是原生的純64位計算處理器，並且與x86指令不相容。如果想要執行x86指令需要硬體虛擬化支援，而且效率不高。優點在於 IA-64架構體系將擁有64位記憶體定址能力，能夠支援更大的記憶體定址空間。並且由於架構的改變，效能比起x86-64的64位相容模式更高更強。

　　所以，IA-64作業系統也是比較少見的，由於只能在Intel安騰系列處理器及AMD部分伺服器處理器執行，所以主流市場並不常見。而且，這些IA-64架構處理器也不能夠使用x64作業系統。而x86-64處理器則可以自由選擇x86或是x64作業系統。

　　Itanium（官方中文名稱為安騰），是 Intel Itanium 架構（通常稱之為IA-64）的 64位處理器。Intel 推出了兩個 Itanium 的家族：其一是 Itanium，另一個是 Itanium 2。在 2007年 11月1日，Itanium 2 的家族又再一次稱為Itanium。該處理器的市場定位是在於企業伺服器與高效能運算系統。該架構由 HP 創始，後來則是 HP 與 Intel 共同開發。

　　Itanium的微架構是徹底的不同於其他 Intel 處理器採用的 x86（包含x86-64）架構。這個架構是建基於顯性的指令併發，由編譯器來決定哪些指令併發處理。這種方式允許處理器在每個週期最多可以執行 6 個指令。與超標量架構的不同點，Itanium在併發處理中並沒有複雜的線路來判斷指令依賴性，所以編譯器必須要在編譯的時候就已經處理妥當。

　　在一系列的拖延開發進度後，第一款 Itanium 於 2001年推出，效能更強的 Itanium 處理器在之後則是有周期性的持續推出。採用 Itanium 處理器的製造商之中，以 HP 的製造量最多。在 2007年，Itanium 在企業界系統採用的架構之中是位於第四名，而前三名則是x86-64、IBM POWER 與 SPARC。Intel 推出最新的 Itanium 處理器為 Montvale 核心，於 2007年 11月推出。

　　IBM POWER是RISC處理器架構的一種，由IBM設計，全稱為“Performance Optimization With Enhanced RISC”，《IBM Connect電子報》2007年8月號譯為“增強RISC效能優化”。POWER系列微處理器在不少IBM伺服器、超級電腦、小型電腦及工作站中，廣泛作為主CPU使用。而PowerPC架構也是源自POWER架構，並應用在蘋果電腦的麥金塔電腦及部份IBM的工作站，以及各式各樣的嵌入式系統上。此外，IBM透過Power.org網站，向其他開發者及製造商推廣POWER架構及其他衍生產品。

　　POWER同樣也是一系列實施了同樣架構指令集的微處理器的名字。POWER系列微處理器用於IBM的伺服器、微電腦、工作站、超級電腦的主處理器。POWER3以及隨後的POWER系列微處理器均全部實施了64-bit PowerPC架構。從POWER3開始及其之後的POWER處器都不再具備與支援更早之前的舊POWER的指令集架構（Instruction Set Architecture，ISA），包括PowerPC指令集架構或任何POWER2所追加延伸的指令，如lfq或stfq等，都不再具備與支援。

　　SPARC，全稱為“可擴充處理器架構”（Scalable Processor ARChitecture），是RISC微處理器架構之一。它最早於1985年由太陽微系統所設計，也是SPARC國際公司的註冊商標之一。這家公司於1989年成立，其目的是向外界推廣SPARC，以及為該架構進行符合性測試。此外該公司為了擴闊SPARC設計的生態系統，SPARC國際也把標準開放，並授權予多間生產商採用，包括德州儀器、Cypress半導體、富士通等。由於SPARC架構也對外完全開放，因此也出現了完全開放原始碼的LEON處理器，這款處理器以VHDL語言寫成，並採用LGPL授權。

　　SPARC架構原設計給工作站使用，及後應用在昇陽、富士通等製造的大型SMP伺服器上。而昇陽開發的Solaris作業系統也是為SPARC設計的系統之一，除Solaris外，NeXTSTEP、Linux、FreeBSD、OpenBSD及NetBSD系統也提供SPARC版本。

　　現時最新版本的SPARC為第8及第9版，在2005年12月，昇陽方面宣佈其UltraSPARC T1處理器將採用開放原始碼方式。2006年4月12日，太陽微系統宣佈完整的UltraSPARC T2處理器已經進行試產。