[轉自iThome]IT自救術－x86處理器的結構

IT自救術－x86處理器的結構

文/嚴立群 (記者) 2008-01-10

既然是要研究處理器的「原理」，所以我們得找個「簡單的」來開刀。就類似可憐的青蛙總是要在生物課被解剖一樣，你總不好一開始就解剖大野狼吧！

要了解個人電腦的運作原理，我們決定先研究處理器的原理。而為了研究處理器的原理，我們挑選了所謂的「Intel x86」處理器作為研究的對象。

為何不挑別種處理器？x86處理器是個好的研究對象嗎？

從「幾乎人手一臺」這個角度看，x86是個很讚的研究對象。

有人會說，「x86的架構不夠優雅」、「x86就像是用膠水、剪刀等工具去拼貼出來的怪物」、「x86的概念很落後」、「x86有很多歷史的包袱」。老實說，他們說的都對。

但是，so what？

又沒人要你跟它結婚？我們只是研究一門學問而已。x86處理器雖然不夠完美，可看在它可是目前地球上數量最多的處理器的份上，就用它來當作研究的對象，實在很方便。所以，關於「美學」和「神學」的部份，暫時就不要理會了。

x86的「由來」
處理器早期並不是一顆晶片。早期的電腦，CPU是由一大堆晶片組成，專司「運算」的功能。一大堆晶片，占用很大的空間，真空管閃爍著奇異的光芒並發出高熱，計算的結果用燈號顯示。不過，這種畫面我只看過照片，沒有親眼見過，也許某些紀錄片上出現過吧！

直接跳到近代，Intel製造了所謂的「微處理器」。Intel在處理器市場算是先驅，第一個產品稱為4004，後來又陸續推出了8008、8080、 8086、8088……。不過，真正讓Intel大紅大紫的產品，當然是首先被IBM選用，拿去製造IBM PC的「8088」。

Intel 在8088之後，陸續推出了很多後繼產品，像是80186/188、80286、80386和80486。這些產品（除了 80186/188以外）都大量使用在IBM 相容PC電腦上。由於太受歡迎了，因此有許多公司就開始了「仿製」的工程。幾個比較有名的，包括了NEC（V20、V30）、AMD（AMD的286、 386和Am486等等）、Cyrix……。臺灣的聯電也做過，不過很快就收掉了這個事業（原因很難說，但是很快就收得一絲痕跡都不留）。

使用編號來命名晶片，是電子業的慣例。電子產品使用各家的晶片組裝，而相同（或是類似）編號的晶片會有幾乎一模一樣的性能，也就成為眾所周知的事情。所以，大家仿製Intel的處理器，也會刻意（如果膽子夠大）使用x86的編號。但這對Intel來說，可不是件令他們開心的事情。不幸的是，由於編號不能註冊，Intel也無法主張他們有80x86的商標使用權。因此，80486系列處理器之後，Intel幫處理器改名為Pentium，沿用至最近。目前 Pentium處理器已經陸續被更高階的「Core」系列所取代，但Pentium名稱仍在中、低階產品中繼續使用。

不過，由於80x86這名稱被使用得太廣泛，因此，這系列處理器就被廣泛的稱為x86處理器。相關的產品（作業系統、編譯程式……）也都會冠上x86字眼。舉例來說，Windows Vista其中一個就是「x86版本」。

處理器的「名稱」和「相容」間的關係
多年以前，當Intel把當時他們最新推出的處理器命名為Pentium，並註冊為商標之後，其他廠商就不「方便」再抄了。有一種方法是：那使用原本應該用的「586」當處理器名字（反正你Intel不用，那我用）。另外的方式則是：我也取個自己的名字，但是設法讓大家知道，我的處理器和 Intel相容。

當年市場上的兩個主要x86相容處理器製造廠商，一個是Cyrix，它就曾經推出過所謂的Cyrix 5x86和6x86處理器；另一個就是現在還頗知名的AMD，它當年則推出過所謂的5K86。你可以說，因為競爭激烈，廠商無所不用其極地想玩出自己的一片天。

這時，我們可以給各位一個很重要的概念，稱為處理器的「相容」。

處理器只是個晶片，接收電子訊號，然後傳出電子訊號。這些電子訊號通常有代表意義，送進來的是程式和資料，傳出去的是運算結果。Intel設計出一個處理器，能夠做訊號的處理（也就是接受「輸入」並提供「輸出」）；你如果能做出一個處理器，能夠達到和模仿對象一樣的輸入／輸出結果，那就是「相容」。

請各位先複習一下上期講的，構成處理器的兩個元素，一個是「暫存器」，一個是「指令」。然後，請各位再看看這期的程式範例，一樣的印字程式。

通常，處理器有它的暫存器和專屬的指令，程式得使用該處理器專屬的暫存器結構和指令，才能正常運作。以印字程式為例，「MOV AH, 02」這行程式碼，執行時會變成「電子訊號」送到處理器裡面。「相容處理器」有什麼特色？很簡單，它們只要能處理一樣的程式碼，能夠輸入相同的電子訊號並得到一樣的程式碼執行效果，那就是「相容」。

不過，硬體是個很複雜的東西，老實說要做到「100%相容」真不是件容易的事。只不過利之所趨，還是有人有辦法可以做出相容處理器，並且執行各種程式，真是很厲害。

x86與x64的簡單說明
當然，在競爭者環伺的情況下，Intel只有設法不斷推出更新、更快、更好的產品以設法擊敗競爭者。所以早期的處理器有所謂的16位元處理器，像是8086/8088和80286。

所謂16位元，這「位元」指的是暫存器的寬度（一般說法是如此）。暫存器是「暫存資料，供處理器用在運算用途的空間」，因此它的寬度（空間大小），會影響資料處理的速度和精密程度。一般而言，16位元處理器的暫存器寬度，實在是太小了，因此在80386推出時，Intel使用的是32位元暫存器架構，整個指令集也因此大幅翻新。

這個架構，到現在仍是所有x86處理器和應用程式使用的主要架構，可說是夠偉大囉！

所以，目前只要提到x86架構，大多是指這個32位元的Intel處理器架構，Intel自己則是使用「IA-32」這樣的名稱。

AMD 為了要贏過Intel，並提供自己的處理器一個更優的特點，在幾年前則推出了所謂的64位元架構，使用在自己的AMD Athlon處理器上。只是後來Intel處理器也全面支援這個架構，並使用自己的「IA-64」或是「EM64T」的名稱。目前新出世的處理器，大多支援此架構了。而Microsoft最新推出的Windows Vista，也因此有所謂的Vista x86和Vista x64兩個版本。簡而言之，「x86」就是32位元架構，而「x64」則是指64位元架構。這樣的說法不算精確，乃是「約定俗成」，但是一般都是如此稱呼，各位知道一下並無壞處。

此外就是，x86處理器升級到64位元之後，通常在設計上就是「雙模」，既可以跑32位元程式，也可以跑64 位元程式。不過，這都得在64位元作業系統下才能發揮。這部份的課題稍微複雜，我現在僅簡單跟各位宣布：目前64位元的應用程式主要都是「專業的繪圖、數學軟體」，一般應用軟體就很少了。

那有沒有128位元處理器？

我聽過一個說法，64位元處理器就夠地球人移民到織女星了，所以128位元處理器應該是不用想太多。

x86暫存器架構
當你在命令列使用DEBUG，無論你的處理器是Pentium III、Pentium 4還是Core/Core 2 Duo，這時它的行為都會像是個8086。
太好了，因為這樣夠單純，所以我們來看看8086的暫存器架構。

再次強調，所謂的「暫存器」就是可以「暫時地記住數字」，方便處理器進行演算用的空間而已，「暫存一下數字」就對了。早期的處理器暫存器數量很小，寬度也不寬。8086已經算是先進的產品！有十四個主要的暫存器，並有六種不同的種類：

一般用途暫存器
8086 共有四個General Purpose Register，稱為AX、BX、CX、DX。不過，ABCD可不是因為「它們是英文的前面四個字母」而已，A可以視為是「Accumulator」，累積器（就是最一般、最常用的用途的意思）；B可視為是「Base」，基底的意思（基底是什麼意思？先別管好了）；C通常用來當作「Counter」，計數器；D通常表示「Data General」，「一般存放資料用途」的意思。

一般用途暫存器雖然是「可以萬用」，但實際上不是每個都可以的，像是CX，大多就真的用來做計數器，並不會隨便亂用之，所以8086的一般用途暫存器其實很少的。

節區暫存器
執行程式時，x86的設計是讓程式碼中分區存放程式、資料等等，其中的管理會依靠所謂的「Segment Register」。8086共有CS、DS、SS和ES等四個節區暫存器。

堆疊暫存器
SP和BP是Stack Pointer暫存器，通常是用在「程式碼堆疊的控制」上頭。

喔，堆疊是啥？呵呵，也一樣，先別管吧！等你寫程式時，用到了才能比較理解。

索引暫存器
SI和DI是所謂的Index暫存器，可以用來當作像是大量記憶空間（程式裡面的陣列）中，像是A[1]、A[2]的索引指示用。

旗標暫存器
Flag Register主要是記錄程式執行的一些「狀態」，很像是「信號機」。利用這些旗標狀態的變化，程式設計師才得以控制程式的流程。

程式計數器
IP（Instruction Pointer）主要就是記錄程式碼目前執行位址的暫存器。

本期結語：只能從實踐中漸漸了解
其實，從「文字說明」中，各位很難了解處理器運作的原理。你得從程式的「實作」中，才能真正了解到底暫存器是怎麼一回事？堆疊、指標又是怎麼運用？老實說，無論是文書處理還是該死的病毒，都是用這些程式原理去撰寫的，不了解之，你就無法了解電腦的運作原理了。

下期我想先從DEBUG的教學，來教各位認識x86處理器的簡單架構。