CPU兩大陣營(yíng)對(duì)擂，X86構(gòu)架讓英特爾如日中天

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前面我們講到了處理器的各個(gè)時(shí)代，從 8 位到 64 位經(jīng)過了長(zhǎng)期的研發(fā)及比拼，成就了英特爾、AMD、微軟等國(guó)際大佬，那么從本節(jié)開始我們開啟處理器構(gòu)架的章節(jié)。

每當(dāng)人們談到處理器的時(shí)候，總是從性能談起，隨著話題的深入，通常會(huì)提到著名的摩爾定律，對(duì)于這個(gè)定律，到目前為止，依舊被公認(rèn)為是金科玉律。

What?

摩爾定律，聽起來應(yīng)該是一個(gè)叫“摩爾”的人提出來的理論。摩爾，這個(gè)名字聽起有些耳熟，對(duì)吧？沒錯(cuò)，這個(gè)摩爾就是戈登·摩爾，英特爾公司創(chuàng)始人之一，現(xiàn)在想起來了吧？

1965 年戈登·摩爾在《電子學(xué)》雜志（Electronics Magazine）第 114 頁(yè)發(fā)表了影響科技業(yè)至今的摩爾定律：

1、集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔 18 個(gè)月就翻一番。
2、微處理器的性能每隔 18 個(gè)月提高一倍，而價(jià)格下降二分之一。
3、用一個(gè)美元所能買到的電腦性能，每隔 18 個(gè)月翻兩番。

與摩爾定律齊名的，還有著名的英特爾鐘擺策略：在奇數(shù)年，英特爾將會(huì)推出新的工藝；而在偶數(shù)年，英特爾則會(huì)推出新的架構(gòu)。

這個(gè)策略，來源于鐘擺理論，什么是鐘擺理論？看下面的圖。

一個(gè)鐘擺，一會(huì)兒朝左，一會(huì)兒朝右，周而復(fù)始，來回?cái)[動(dòng)，但是鐘擺總是圍繞著一個(gè)中心值在一定范圍內(nèi)作有規(guī)律的擺動(dòng)，所以被冠名為鐘擺理論。

英特爾鐘擺策略 Tick-Tock（工藝年 - 構(gòu)架年）是英特爾的芯片技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略模式。

Tick-Tock 就是時(shí)鐘的“嘀嗒”的意思，一個(gè)嘀嗒代表著一秒。而在 Intel 的處理器發(fā)展戰(zhàn)略上，每一個(gè)嘀嗒代表著 2 年一次的工藝制造的進(jìn)步。每個(gè) Tick-Tock 中的“Tick”，代表著工藝的提升、晶體管變小，并在此基礎(chǔ)上增強(qiáng)原有的微架構(gòu)；而 Tick-Tock 中的“Tock”，則在維持相同工藝的前提下，進(jìn)行微架構(gòu)的革新。

這樣在制造工藝和核心架構(gòu)的兩條提升道路上，總是交替進(jìn)行，一方面避免了同時(shí)革新可能帶來的失敗風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)持續(xù)的發(fā)展也可以降低研發(fā)的周期，并可以對(duì)市場(chǎng)造成持續(xù)的刺激，并最終提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

所以，Tick 指每隔兩年的奇數(shù)年推出更小、更先進(jìn)工藝的處理器；Tock 指每隔兩年的偶數(shù)年推出新架構(gòu)的處理器。

舉個(gè)例子，05 年說 Tick，英特爾更新從 90 納米走向 65 納米；06 年是 tock，用英特爾推出酷睿架構(gòu)，07 年走向 45 納米。值得注意的是，首先它不會(huì)在一年內(nèi)兩個(gè)技術(shù)同時(shí)出現(xiàn)。每一年都可以在上個(gè)技術(shù)上再提升一個(gè)規(guī)模。

鐘擺策略發(fā)展趨勢(shì)一般是今年架構(gòu)、明年工藝，是讓大家循序漸進(jìn)，而且實(shí)行鐘擺策略也是帶著整個(gè)行業(yè)按著這個(gè)鐘擺形成一種共同的結(jié)構(gòu)往前走。

理論普及完畢，現(xiàn)在看一下什么是架構(gòu)？

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CPU 架構(gòu)是 CPU 廠商給屬于同一系列的 CPU 產(chǎn)品定的一個(gè)規(guī)范，主要目的是為了區(qū)分不同類型 CPU 的重要標(biāo)示。

目前市面上的 CPU 指令集分類主要分有兩大陣營(yíng)：一個(gè)是 intel、AMD 為首的復(fù)雜指令集 CPU，另一個(gè)是以 IBM、ARM 為首的精簡(jiǎn)指令集 CPU。

兩個(gè)不同品牌的 CPU，其產(chǎn)品的架構(gòu)也不相同，例如，Intel、AMD 的 CPU 是 x86 架構(gòu)的，而 IBM 公司的 CPU 是 PowerPC 架構(gòu)，ARM 公司是 ARM 架構(gòu)。

2.1? X86 架構(gòu)的發(fā)展
x86 這三個(gè)字母到底代表什么？

x86 是一個(gè) Intel 通用計(jì)算機(jī)系列的標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)縮寫，也標(biāo)識(shí)一套通用的計(jì)算機(jī)指令集合。

x86 指的是特定微處理器執(zhí)行的一些計(jì)算機(jī)語(yǔ)言指令集，定義了芯片的基本使用規(guī)則，例如：

今天的 X64、IA-64 等。關(guān)于名稱的來歷，要從上個(gè)世紀(jì) 70 年代說起。

1、x86 架構(gòu)的發(fā)展歷程
穿越歷史，回到 1978 年 6 月 8 日，Intel 發(fā)布了新款 16 位微處理器 --8086，也同時(shí)開創(chuàng)了一個(gè)新時(shí)代：x86 架構(gòu)誕生了。Intel 8086 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

Intel 8086 處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

事實(shí)上，8086 處理器發(fā)布之初并沒有獲得太多關(guān)注，開始也沒有被大范圍采用，但它在 PC 業(yè)界的地位怎么形容都不為過，這就是因?yàn)樗鼛砹?x86。它不僅成就了 Intel 如日中天的地位，也成為了一種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，即使是在當(dāng)今強(qiáng)大的多核心處理器上也能看到 x86 的身影。

現(xiàn)在，想必大家已經(jīng)明白了：

X 與處理器沒有任何關(guān)系，它是一個(gè)對(duì)所有*86 系統(tǒng)的簡(jiǎn)單的通配符定義，例如：i386、586、奔騰(pentium)。

由于早期 Intel 的 CPU 編號(hào)都是如 8086、80286 來編號(hào)，由于這整個(gè)系列的 CPU 都是指令兼容的，所以都用 X86 來標(biāo)識(shí)所使用的指令集合。如今的奔騰、P2、P4、賽揚(yáng)系列都是支持 X86 指令系統(tǒng)的，所以都屬于 X86 家族。

在 40 多年的發(fā)展史中，x86 家族不斷壯大，從桌面轉(zhuǎn)戰(zhàn)筆記本、服務(wù)器、超級(jí)計(jì)算機(jī)、編寫設(shè)備，期間還挫敗或者限制了很多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的發(fā)展，讓不少處理器廠商及其架構(gòu)技術(shù)成為歷史名字，即使有些封閉發(fā)展的也難以為繼，比如蘋果就已經(jīng)放棄 PowerPC 了。

在這里，我們不得不聊一聊一個(gè)故事：x86-64 和 EM64T 的斗爭(zhēng)。

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2003 年，AMD 推出了業(yè)界首款 64 位處理器 Athlon 64，也帶來了 x86-64，即 x86 指令集的 64 位擴(kuò)展超集，具備向下兼容的特點(diǎn)。當(dāng)時(shí) Intel 也在推行 64 位技術(shù)，但其 IA-64 架構(gòu)并不兼容 x86，只是用在服務(wù)器處理器 Itanium 上。為了和 AMD 展開競(jìng)爭(zhēng)，Intel 也在 2004 年推出了自己的 64 位版 x86，也就是 EM64T。

對(duì)此，AMD 和 Intel 互相指責(zé)對(duì)方，但無論如何至少推廣了 64 位技術(shù)的發(fā)展和普及，也讓 x86 技術(shù)得以繼續(xù)發(fā)揚(yáng)光大。

關(guān)于這場(chǎng)“斗爭(zhēng)”，一位權(quán)威人士是這樣評(píng)價(jià)的：

“這證明，x86 指令集的彈性完全可以拿來對(duì)付 Intel，所以即使 Intel 統(tǒng)治了整個(gè)市場(chǎng)，其他公司依然可以改變 x86 的發(fā)展方向。”

那么這位權(quán)威人士是何人？David A.Patterson，下面就是這位的照片。

David A.Patterson，加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授

除此之外，他還有其他的頭銜：美國(guó)國(guó)家工程研究院院士，IEEE 和 ACM 會(huì)士，曾因成功的啟發(fā)式教育方法被 IEEE 授予 James H.Mulligan，Jr. 教育獎(jiǎng)?wù)?。他因?yàn)閷?duì) RISC 技術(shù)的貢獻(xiàn)而榮獲 1995 年 IEEE 技術(shù)成就獎(jiǎng)，而在 RAID 技術(shù)方面的成就為他贏得了 1999 年 IEEE Reynold Johnson 信息存儲(chǔ)獎(jiǎng)。2000 年他和 John L.Hennessy 分享了 John von Neumann 獎(jiǎng)。

面對(duì)如此閃亮的“光環(huán)”，有沒有被閃到？別急，還有更耀眼的：

David Patterson 是 RISC 最初提倡者之一。他創(chuàng)造了 RISC 一詞，定義了 RISC 的含義，是 Sun 公司 SPARC 處理器的主要顧問。他提出了 RAID(廉價(jià)磁盤冗余陣列)，帶來了為大量數(shù)據(jù)服務(wù)器提供磁盤存儲(chǔ)的工業(yè)的革命，并且又提出了 NOW(工作站網(wǎng)絡(luò))的概念。

所以，David Patterson 是計(jì)算機(jī)界的超級(jí)大牛，RSIC、RAID、Cluster 等業(yè)界重要技術(shù)的發(fā)明者。從 06 年開始，他在 Berkeley 的并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)為期 5 年的研究項(xiàng)目，主要由 Intel and Microsoft 資助。

名副其實(shí)的“權(quán)威人士”！“大神”亮相完畢，后面我們分析一下 X86 的指令集。

與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，謝絕轉(zhuǎn)載！

系列匯總：

之一：第一款處理器之謎

之二：處理器的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代：8 位處理器的恩怨與紛爭(zhēng)（上）

之三：處理器的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代：8 位處理器的恩怨與紛爭(zhēng)（下）

之四：處理器的三國(guó)時(shí)代：蘋果攪動(dòng) MCU 江湖

之五：處理器的三國(guó)時(shí)代：DR 公司盛氣凌人，IBM 轉(zhuǎn)身成就微軟

之六：32 位處理器的攻“芯”計(jì)：英特爾如何稱霸 PC 江湖？

之七：AMD 稱霸 PC 處理器市場(chǎng)的“曇花一現(xiàn)”