X86指令集發(fā)展簡史和不足

　　X86架構(gòu)(The X86 architecture)是微處理器執(zhí)行的計(jì)算機(jī)語言指令集，指一個(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的發(fā)展史

　　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。x86指的是特定微處理器執(zhí)行的一些計(jì)算機(jī)語言指令集，定義了芯片的基本使用規(guī)則，一如今天的x64、IA64等。

　　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,X與處理器沒有任何關(guān)系，它是一個(gè)對所有*86系統(tǒng)的簡單的通配符定義，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 。

　　X86指令集是美國Intel公司為其第一塊16位CPU(i8086)專門開發(fā)的，美國IBM公司1981年推出的世界第一臺(tái)PC機(jī)中的CPU--i8088(i8086簡化版)使用的也是X86指令，同時(shí)電腦中為提高浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力而增加的X87芯片系列數(shù)學(xué)協(xié)處理器則另外使用X87指令，以后就將X86指令集和X87指令集統(tǒng)稱為X86指令集。雖然隨著CPU技術(shù)的不斷發(fā)展，Intel陸續(xù)研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium 4(以下簡為P4)系列，但為了保證電腦能繼續(xù)運(yùn)行以往開發(fā)的各類應(yīng)用程序以保護(hù)和繼承豐富的軟件資源，所以Intel公司所生產(chǎn)的所有CPU仍然繼續(xù)使用X86指令集，所以它的CPU仍屬于X86系列。

　　英特爾推出X86架構(gòu)已滿40年了，同486相比，Pentium向前邁進(jìn)了一大步， 而PⅡ的前進(jìn)步伐則沒有這么大了，X86 CPU的發(fā)展似乎已到了盡頭。英特爾非常清楚，是X86指令集限制了CPU性能的進(jìn)一步提高，因此，他們正同惠普共同努力開發(fā)下一代指令集架構(gòu)(Instruction Set Architecture ，ISA)： EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing，顯性并行指令計(jì)算)。

　　對英特爾而言， IA-64(英特爾的64位架構(gòu))是下一個(gè)10到15年的架構(gòu)。新的ISA將使英特爾擺脫X86架構(gòu)的限制，從而設(shè)計(jì)出超越所有現(xiàn)有RISC CPU和X86 CPU的新型處理器。那么EPIC的先進(jìn)之處在什么地方呢?

　　為什么英特爾會(huì)放棄使它成為芯片巨人的X86架構(gòu)呢? IA-32的問題，我們知道，工程師可以通過提高每個(gè)時(shí)鐘的指令執(zhí)行數(shù)來提高性能，英特爾新的指令集的首要目的在于，讓指令更容易解碼，更容易并行執(zhí)行。這樣就可以不受限制地開發(fā)新型處理器。 但是，對工程師而言，兼容8086的X86指令集一直是必須完成的任務(wù)。畢竟，兼容前代產(chǎn)品是使英特爾成長壯大起來的關(guān)鍵因素，而且還可以保護(hù)用戶原先的投資和使用數(shù)以百萬計(jì)應(yīng)用軟件。

　　X86不足的地方

　　1、可變的指令長度X86指令的長度是不定的，而且有幾種不同的格式，結(jié)果造成X86 CPU的解碼工作非常復(fù)雜，為了提高CPU的工作頻率，不得不延長CPU中的流水線，而過長的流水線在分支預(yù)測出錯(cuò)的情況下，又會(huì)帶來CPU工作停滯時(shí)間較長的弊端。

　　2、寄存器的貧乏 X86指令集架構(gòu)只有8個(gè)通用寄存器，而且實(shí)際只能使用6個(gè)。這種情況同現(xiàn)代的超標(biāo)量CPU極不適應(yīng)，雖然工程師們采用寄存器重命名的技術(shù)來彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，但造成了CPU過于復(fù)雜，流水線過長的局面。

　　3、內(nèi)存訪問 X86指令可訪問內(nèi)存地址，而現(xiàn)代RISC CPU則使用LOAD/STORE模式，只有LOAD和STORE指令才能從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)到寄存器，所有其他指令只對寄存器中的操作數(shù)計(jì)算。在CPU的速度是內(nèi)存速度的5倍或5倍以上的情況下，后一種工作模式才是正途。

　　4、浮點(diǎn)堆棧 X87 FPU是目前最慢的FPU，主要的原因之一就在于X87指令使用一個(gè)操作數(shù)堆棧。如果沒有足夠多的寄存器進(jìn)行計(jì)算，你就不得不使用堆棧來存放數(shù)據(jù)，這會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間來使用FXCH指令(即把正確的數(shù)據(jù)放到堆棧的頂部)。

　　5、4GB限制 這似乎不是問題，但是，在2000年前，主流PC只有4MB內(nèi)存，現(xiàn)在絕大部分PC裝備了2G以上的內(nèi)存，是以前的512倍，所以，PC內(nèi)存突破16GB絕對不會(huì)令人驚訝，大型服務(wù)器已經(jīng)使用了32GB以上的內(nèi)存，突破64GB內(nèi)存的情況已經(jīng)出現(xiàn)。

　　6、芯片變大 所有用于提高X86 CPU性能的方法，如寄存器重命名、巨大的緩沖器、亂序執(zhí)行、分支預(yù)測、X86指令轉(zhuǎn)化等等，都使CPU的芯片面積變得更大，也限制了工作頻率的進(jìn)一步提高，而額外集成的這些晶體管都只是為了解決X86指令的問題。