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X86架构的发展与不足之处

导读: X86架构(The X86 architecture)是微处理器执行的计算机语言指令集,指一个intel通用计算机系列的标准编号缩写,也标识一套通用的计算机指令集合。

X86架构(The X86 architecture)是微处理器执行的计算机语言指令集,指一个intel通用计算机系列的标准编号缩写,也标识一套通用的计算机指令集合。

X86架构的发展与不足之处

X86的发展史

1978年6月8日,Intel发布了新款16位微处理器“8086”,也同时开创了一个新时代:x86架构诞生了。x86指的是特定微处理器执行的一些计算机语言指令集,定义了芯片的基本使用规则,一如今天的x64、IA64等。

x86是一个intel通用计算机系列的标准编号缩写,也标识一套通用的计算机指令集合,X与处理器没有任何关系,它是一个对所有*86系统的简单的通配符定义,例如:i386, 586,奔腾(pentium)。由于早期intel的CPU编号都是如8086,80286来编号,由于这整个系列的CPU都是指令兼容的,所以都用X86来标识所使用的指令集合如今的奔腾,P2,P4,赛扬系列都是支持X86指令系统的,所以都属于X86家族 。

X86指令集是美国Intel公司为其第一块16位CPU(i8086)专门开发的,美国IBM公司1981年推出的世界第一台PC机中的CPU--i8088(i8086简化版)使用的也是X86指令,同时电脑中为提高浮点数据处理能力而增加的X87芯片系列数学协处理器则另外使用X87指令,以后就将X86指令集和X87指令集统称为X86指令集。虽然随着CPU技术的不断发展,Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium 4(以下简为P4)系列,但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源,所以Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集,所以它的CPU仍属于X86系列。

英特尔推出X86架构已满40年了,同486相比,Pentium向前迈进了一大步, 而PⅡ的前进步伐则没有这么大了,X86 CPU的发展似乎已到了尽头。英特尔非常清楚,是X86指令集限制了CPU性能的进一步提高,因此,他们正同惠普共同努力开发下一代指令集架构(Instruction Set Architecture ,ISA): EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing,显性并行指令计算)。

对英特尔而言, IA-64(英特尔的64位架构)是下一个10到15年的架构。新的ISA将使英特尔摆脱X86架构的限制,从而设计出超越所有现有RISC CPU和X86 CPU的新型处理器。那么EPIC的先进之处在什么地方呢?

为什么英特尔会放弃使它成为芯片巨人的X86架构呢? IA-32的问题,我们知道,工程师可以通过提高每个时钟的指令执行数来提高性能,英特尔新的指令集的首要目的在于,让指令更容易解码,更容易并行执行。这样就可以不受限制地开发新型处理器。 但是,对工程师而言,兼容8086的X86指令集一直是必须完成的任务。毕竟,兼容前代产品是使英特尔成长壮大起来的关键因素,而且还可以保护用户原先的投资和使用数以百万计应用软件。

X86不足的地方

1、可变的指令长度X86指令的长度是不定的,而且有几种不同的格式,结果造成X86 CPU的解码工作非常复杂,为了提高CPU的工作频率,不得不延长CPU中的流水线,而过长的流水线在分支预测出错的情况下,又会带来CPU工作停滞时间较长的弊端。

2、寄存器的贫乏 X86指令集架构只有8个通用寄存器,而且实际只能使用6个。这种情况同现代的超标量CPU极不适应,虽然工程师们采用寄存器重命名的技术来弥补这个缺陷,但造成了CPU过于复杂,流水线过长的局面。

3、内存访问 X86指令可访问内存地址,而现代RISC CPU则使用LOAD/STORE模式,只有LOAD和STORE指令才能从内存中读取数据到寄存器,所有其他指令只对寄存器中的操作数计算。在CPU的速度是内存速度的5倍或5倍以上的情况下,后一种工作模式才是正途。

4、浮点堆栈 X87 FPU是目前最慢的FPU,主要的原因之一就在于X87指令使用一个操作数堆栈。如果没有足够多的寄存器进行计算,你就不得不使用堆栈来存放数据,这会浪费大量的时间来使用FXCH指令(即把正确的数据放到堆栈的顶部)。

5、4GB限制 这似乎不是问题,但是,在2000年前,主流PC只有4MB内存,现在绝大部分PC装备了2G以上的内存,是以前的512倍,所以,PC内存突破16GB绝对不会令人惊讶,大型服务器已经使用了32GB以上的内存,突破64GB内存的情况已经出现。

6、芯片变大 所有用于提高X86 CPU性能的方法,如寄存器重命名、巨大的缓冲器、乱序执行、分支预测、X86指令转化等等,都使CPU的芯片面积变得更大,也限制了工作频率的进一步提高,而额外集成的这些晶体管都只是为了解决X86指令的问题。

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