x86 單片機(jī)
x86或80x86是英特爾Intel首先開發(fā)制造的一種微處理器體系結(jié)構(gòu)的泛稱。該系列較早期的處理器名稱是以數(shù)字來表示，并以“86”作為結(jié)尾，包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486，因此其架構(gòu)被稱為“x86”。由于數(shù)字并不能作為注冊商標(biāo)，因此Intel及其競爭者均在新一代處理器使用可注冊的名稱，如Pentium?，F(xiàn)時Intel把x86-32稱為IA-32，全名為“Intel Architecture, 32-bit”。
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x86 特點
x86架構(gòu)是重要的可變指令長度的CISC（復(fù)雜指令集計算機(jī)，Complex Instruction Set Computer）。字組（word, 4字節(jié)）長度的存儲器訪問允許不對齊存儲器地址，字組是以低位字節(jié)在前的順序儲存在存儲器中。向前兼容性一直都是在x86架構(gòu)的發(fā)展背后一股驅(qū)動力量（設(shè)計的需要決定了這項因素而常常導(dǎo)致批評，尤其是來自對手處理器的擁護(hù)者和理論界，他們對于一個被廣泛認(rèn)為是落后設(shè)計的架構(gòu)的持續(xù)成功感到不解）。但在較新的微架構(gòu)中，x86處理器會把x86指令轉(zhuǎn)換為更像RISC的微指令再予執(zhí)行，從而獲得可與RISC比擬的超標(biāo)量性能，而仍然保持向前兼容。x86架構(gòu)的處理器一共有四種執(zhí)行模式，分別是真實模式，保護(hù)模式，系統(tǒng)管理模式以及虛擬V86模式。
x86 的工作模式
實時模式
Intel 8086和8088有14個16位寄存器。其中四個（AX, BX, CX, DX）是通用目的（盡管每個寄存器都有附加目的；舉個例子：只有CX可以被用來當(dāng)作loop（循環(huán)）指令的計數(shù)器。）每個寄存器可以被當(dāng)成兩個分開的字節(jié)訪問（因此BX的高位可以被當(dāng)成BH，低位則可以當(dāng)成BL）。除了這些寄存器，還有四個區(qū)段寄存器（CS、DS、SS、ES）。他們用來產(chǎn)生存儲器的絕對地址。還有兩個指針寄存器（SP是指向堆棧的底部，BP可以用來指向堆?；虼鎯ζ鞯钠渌胤剑蓚€指針寄存器（SI和DI）可以用來指向數(shù)組的內(nèi)部。最后，有標(biāo)志寄存器（包含狀態(tài)標(biāo)志比如進(jìn)位、溢出、零標(biāo)志，等等）。以及IP是用來指向目前運行指令的地址。
在實模式下，存儲器的訪問是被區(qū)段開來。為了得到最后20位的存儲器地址，要將區(qū)段的地址往左移動4位，并且加上偏移的地址。因此，實模式下總共可以尋址的空間是2字節(jié)，或者是1MB，于1979年是相當(dāng)讓人印象深刻的象征。在實模式下有兩種尋址模式：near和far。在 far模式，區(qū)段跟偏移都需要被指定；在near模式，只需要偏移模式被指定，而存儲器區(qū)段是由適當(dāng)?shù)膮^(qū)段寄存器獲得。以數(shù)據(jù)而言是使用DS寄存器，代碼是CS寄存器，堆棧是SS寄存器。舉個例子，如果DS是A000h且SI是5677h，DS:SI會指向計憶體的絕對地址DS × 16 + SI = A5677h。
在這種架構(gòu)下，兩對不同的區(qū)段/偏移可以指向一個相同的絕對地址。因此如果DS是A111h且 SI是4567h，DS:SI會指向跟上一段相同的A5677h。除了duplicity之外，這種架構(gòu)無法同時一次擁有4個以上的區(qū)段。此外，CS、 DS和SS是為了程序正確功能而必須的，因此僅僅只有ES可以被用來指向其它的地方。這種模式原本是為了與Intel 8085兼容，導(dǎo)致程序設(shè)計師永無止盡的痛苦。
除了以上所說的，8086也擁有8-bit的64K（另一種說法是16-bit的32K）輸入輸出（en:I/O）空間，以及一個由硬件支持的64K（一個區(qū)段）存儲器堆棧。只有words（2字節(jié)）可以被推入到堆棧中。堆棧是由存儲器的上端往下成長，他的底端是由SS:SP指向。有256個中斷（interrupts），可以由硬件或是軟件同時組成。中斷是可以串連在一起，使用堆棧來儲存返回被中斷的程序地址。
16位保護(hù)模式
Intel 80286可以在不改變?nèi)魏螙|西下，支持8086的實模式16位軟件，然而它也支持額外的工作模式稱為保護(hù)模式，可以將可尋址的物理內(nèi)存擴(kuò)充到16MB，可尋址的虛擬內(nèi)存最大到 1GB。這是使用節(jié)區(qū)寄存器來儲存在節(jié)區(qū)表格中的索引值。處理器中有兩個這樣的表格，分別為GDT和LDT，每一個可以儲存最多8192個節(jié)區(qū)的描述子，每一個節(jié)區(qū)可以給予最大到64KB的存儲器訪問。節(jié)區(qū)表格提供一個24位的基底地址（base address），可以用此基底地址增加想要的偏移量來創(chuàng)造出一個絕對地址。此外，每一個節(jié)區(qū)可以被賦予四種權(quán)限等級中的一種（稱為 "rings"）。
盡管這個推出的功能是一項進(jìn)步，但是他們并沒有被廣泛地使用，因為保護(hù)模式的操作系統(tǒng)無法運行現(xiàn)有的實模式軟件。這樣的能力只有在隨后80386處理器的虛擬86模式中出現(xiàn)。
在同時，操作系統(tǒng)比如OS/2嘗試使用類似乒乓的方法，讓處理器在保護(hù)和實模式間切換。這樣都會讓計算機(jī)變慢且不安全，像是在實模式下的程序可以輕易地使計算機(jī)當(dāng)機(jī)。OS/2也定義了限制性的程序設(shè)計規(guī)則允許"Family API"或"bound"程序可以在實模式或保護(hù)模式下運行。然而這是給原本為保護(hù)模式下設(shè)計的程序有關(guān)，反之則不然。保護(hù)模式程序并不支持節(jié)區(qū)選擇子和物理內(nèi)存之間的關(guān)系。有時候會錯誤地相信在16位保護(hù)模式下運行實模式的程序，導(dǎo)致IBM必須選擇使用Intel保留給BIOS的中斷調(diào)用。事實上這類的程序使用任意的選擇子數(shù)值和使用在上面提到的“節(jié)區(qū)運算”的方式有關(guān)。
這個問題也在Windows 3.x上出現(xiàn)。這個推出版本想要在16位保護(hù)模式下運行程序，而先前的版本只能在實模式下運行。理論上，如果Windows 1.x或2.x程序是寫得“適當(dāng)”且避免使用節(jié)區(qū)運算的方式，它就有可能在真實和保護(hù)模式兩者下運行。Windows程序一般來說都會避免節(jié)區(qū)運算，這是因為Windows實現(xiàn)出軟件的虛擬內(nèi)存方式，及當(dāng)程序不運行時候，搬移存儲器中的代碼和數(shù)據(jù)，所以操作絕對地址的方式是很危險的；當(dāng)程序不運行時，被認(rèn)為要保持存儲器區(qū)塊的“handles”，這樣的handles已經(jīng)非常相當(dāng)于保護(hù)模式的選擇子。在保護(hù)模式下的Windows 3.0運行一個舊的程序，會觸發(fā)一個警告對話盒，建議在實模式下運行Windows（推測還是仍然可以使用擴(kuò)充存儲器，可能是在80386機(jī)器用 EMM386模擬，因此它并不被局限于640KB）或是從廠商那更新到新的版本。好的行為之程序可能可以使用特別的工具來避免這樣的對話盒。不可能有些 GUI程序在16位保護(hù)模式下運行，且其它GUI程序在實模式運行，可能是因為這會需要兩個分開的環(huán)境且會依于前面所提到的處理器在兩個模式間的乒乓效應(yīng)。從Windows 3.1版開始，實模式就消失了。
32位保護(hù)模式
Intel 80386推出后，也許是到目前為止x86架構(gòu)的最大躍進(jìn)。除了需要值得注意的Intel 80386SX是32位架構(gòu)但僅只有24位尋址（和16位數(shù)據(jù)總線）。除此之外其他架構(gòu)都是32位 - 所有的寄存器、指令集、輸出輸入空間和存儲器尋址。為了能夠在后者所說的功能工作，要使用32位擴(kuò)充的保護(hù)模式。然而不像286，386所有的區(qū)段可以使用32位的偏移量，即使存儲器空間有使用區(qū)段，但也允許應(yīng)用程序訪問超過4GB空間而不需要區(qū)段的分隔。此外，32位保護(hù)模式提供分頁的支持，是一種讓虛擬內(nèi)存得以實現(xiàn)的機(jī)制。
沒有新的通用寄存器被加入。所有16位的寄存器除了區(qū)段寄存器外都擴(kuò)充為32位。Intel在寄存器的助記符號上加入“E”來表示（因此擴(kuò)充的AX變成EAX，SI變成ESI，依此類推）。因為有更多的寄存器數(shù)量、指令、和運算單元，因此機(jī)器碼的格式也被擴(kuò)充。為了提供與先前的架構(gòu)兼容，包含運行碼的區(qū)段可以被標(biāo)示為16或是32位的指令集。此外，特殊的前置符號也可以用來在16位的區(qū)段包含32 位的腳本，反之亦然?！》猪摳鷧^(qū)段的存儲器訪問是為了支持現(xiàn)在多任務(wù)操作系統(tǒng)所必須要的。Linux、386BSD、Windows NT和Windows 95都是一開始為386所發(fā)展，因為它是第一顆提供可靠地程序分離存儲器空間的支持（每個程序擁有自己的尋址空間）以及可以在必要的情況下打斷他們程序的運行（使用ring，一種x86保護(hù)模式下權(quán)力分級的名稱）。這種386的基本架構(gòu)變成未來所有x86系列發(fā)展的基礎(chǔ)。
Intel 80386數(shù)學(xué)輔助運算處理器也在集成到這個CPU之后的x86系列中，也就是Intel 80486。新的FPU可以幫助浮點數(shù)運算，對于科學(xué)計算和圖形設(shè)計是非常重要。
系統(tǒng)管理模式
Intel首次在80386SL之后引入其x86體系結(jié)構(gòu)。
虛擬V86模式MMX和之后
1996年Intel的MMX（AMD認(rèn)為這是矩陣數(shù)學(xué)擴(kuò)充Matrix Math Extensions的縮寫，但大多數(shù)時候都被當(dāng)成Multi-Media Extension，而Intel從來沒有官方宣布過詞源）技術(shù)出現(xiàn)。盡管這項新的技術(shù)得到廣泛宣傳，但它的精髓是非常簡單的：MMX定義了八個64位SIMD寄存器，與Intel Pentium處理器的FPU堆棧有相重疊。不幸的是，這些指令無法非常簡單地對應(yīng)到由原來C編譯器所產(chǎn)生的腳本中。MMX也只局限于整數(shù)的運算。這項技術(shù)的缺點導(dǎo)致MMX在它早期的存在有輕微的影響?，F(xiàn)今，MMX通常是用在某些2D影片應(yīng)用程序中。3DNow! 1997年AMD推出3DNow!，是對于MMX的SIMD的浮點指令增強（針對相同的 MMX 寄存器）。盡管這些也沒有解決編譯器的難題，但這項技術(shù)的推出符合了PC上的3D休閑娛樂應(yīng)用程序之崛起。3D游戲開發(fā)者和3D繪圖硬件制造商在AMD的AMD K6和Athlon系列處理器上，使用3DNow!來幫助增加他們的效能。微軟后來也在其開發(fā)的Direct X7.0中加入針對3DNow!的最佳化，使當(dāng)時的Athlon處理器在3D游戲效能上首次全面超過對手 Intel 的Pentium 3處理器。
X86 的指令集
SSE
在1999年Intel推出SSE指令集，增加了八個新的128-bit寄存器（不跟其他的寄存器重疊使用）。這些指令類似于AMD的3DNow!，主要是增加浮點數(shù)運算的SIMD指令。
SSE2
2001年Intel推出SSE2指令集，增加了：完整地補充了整數(shù)指令（與MMX相似）到原來的SSE寄存器。64位的SIMD浮點運算指令到原來的SSE寄存器。第一個的增加導(dǎo)致MMX幾乎是過時可以舍棄的，第二個則允許這些指令可以讓傳統(tǒng)的編譯器現(xiàn)實地產(chǎn)生。
SSE3
于2004年隨著Pentium 4處理器的改版Prescott內(nèi)核推出。SSE3增加特定的存儲器和thread-handling指令來提升Intel超線程的效能，在科學(xué)計算方面也有增強。
SSE4
2007年1月，Intel公開發(fā)表使用其45納米制程"Penryn"芯片家族的PC和服務(wù)器。"Penryn"是這一系列依據(jù)英特爾Core微架構(gòu)之筆記本電腦、臺式機(jī)和服務(wù)器芯片家族的代號，首次正式發(fā)布時共有16款處理器，除了一款I(lǐng)ntel Core 2 Extreme QX9650是針對普通臺式機(jī)市場外，其余的雙核Xeon 5200系列和四核5400系列都是服務(wù)器處理器?；旧螾enryn是繼Merom之后的縮小版Core 2 Duo，再加上47條新的SSE4指令集等額外配備。SSE4指令集之首次發(fā)表時間為2006年9月的英特爾開發(fā)者論壇（IDF，Intel Developer Forum）?！×硗?，x86處理器制造廠商AMD也在該公司最新K10架構(gòu)的Phenom處理器中，加入4條新的SSE4A指令集。注意，SSE4與 SSE4A無法彼此兼容。
X86 的架構(gòu)問題
64位架構(gòu)
到2002年，由于32位特性的長度，x86的架構(gòu)開始到達(dá)某些設(shè)計的極限。這個導(dǎo)致要處理大量的信息儲存大于4GB會有困難，像是在數(shù)據(jù)庫或是影片編輯上可以發(fā)現(xiàn)。
Intel原本已經(jīng)決定在64位的時代完全地舍棄x86兼容性，推出新的架構(gòu)稱為IA-64技術(shù)作為他的Itanium處理器產(chǎn)品線的基礎(chǔ)。IA-64與x86的軟件天生不兼容；它使用各種模擬形式來運行x86的軟件，不過，以模擬方式來運行的效率十分低下，并且會影響其他程序的運行。
AMD主動把32位x86（或稱為IA-32）擴(kuò)充為64位。它以一個稱為AMD64的架構(gòu)出現(xiàn)（在重命名前也稱為x86-64），且以這個技術(shù)為基礎(chǔ)的第一個產(chǎn)品是單內(nèi)核的Opteron和Athlon 64處理器家族。由于AMD的64位處理器產(chǎn)品線首先進(jìn)入市場，且微軟也不愿意為Intel和AMD開發(fā)兩套不同的64位操作系統(tǒng)，Intel也被迫采納AMD64指令集且增加某些新的擴(kuò)充到他們自己的產(chǎn)品，命名為EM64T架構(gòu)（顯然他們不想承認(rèn)這些指令集是來自它的主要對手），EM64T后來被Intel正式更名為Intel 64。
這是由非Intel的制造商所發(fā)起和設(shè)計的第一次重大的x86架構(gòu)升級。也許更重要的，它也是第一次Intel實際上從外部來源接受這項本質(zhì)的技術(shù)。
虛擬
虛擬x86是很困難的，因為它的架構(gòu)并未達(dá)到波佩克與戈德堡虛擬化需求。然而，有好幾個商業(yè)的虛擬x86產(chǎn)品，比如VMware和微軟的Virtual PC。Intel和AMD兩者都有公開宣布未來的x86處理器將會有新的增強來容易達(dá)到更有效率的虛擬。Intel針對這項虛擬特性的代號稱為"Vanderpool"和"Silvervale"；AMD則使用"Pacifica"這個代號。
