X86架構(gòu)CPU的邏輯原理

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(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 。

X86指令集是美國(guó)Intel公司為其第一塊16位CPU（i8086）專門開發(fā)的，美國(guó)IBM公司1981年推出的世界第一臺(tái)PC機(jī)中的CPU--i8088（i8086簡(jiǎn)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(jiǎn)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。

另外除Intel公司之外，AMD和Cyrix等廠家也相繼生產(chǎn)出能使用X86指令集的CPU，由于這些CPU能運(yùn)行所有的為Intel CPU所開發(fā)的各種軟件，所以電腦業(yè)內(nèi)人士就將這些CPU列為Intel的CPU兼容產(chǎn)品。由于Intel X86系列及其兼容CPU都使用X86指令集，所以就形成了今天龐大的X86系列及兼容CPU陣容。當(dāng)然在臺(tái)式（便攜式）電腦中并不都是使用X86系列CPU，部分服務(wù)器和蘋果（Macintosh）機(jī)中還使用美國(guó)DIGITAL（數(shù)字）公司的Alpha 61164和PowerPC 604e系列CPU。

Intel從8086開始，286、386、486、586、P1、P2、P3、P4都用的同一種CPU架構(gòu)，統(tǒng)稱X86。

X86架構(gòu)CPU的邏輯原理

一、馮洛伊曼體系的運(yùn)作過程：

1、CPU的歷史就不扯了，有興趣的朋友可以網(wǎng)上搜一下。

2、X86CPU是基于馮洛伊曼架構(gòu)體系，所以大致上無非就這幾點(diǎn)：

①、指令集和數(shù)據(jù)都用二進(jìn)制來表示，且混在一個(gè)存儲(chǔ)器。

②、計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器（cache）、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備所組成。PS：cache不同于寄存器，寄存器是分布在控制器和運(yùn)算器里面的。

③、指令是一條接著一條順序的執(zhí)行。

如下圖所示：

二、下面分別討論幾個(gè)主要組件：

寄存器：處于CPU存儲(chǔ)金字塔的最頂層，容量最小，速度最快（1-10個(gè)指令周期）。主要作用是用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)供運(yùn)算器運(yùn)算的。各自都有不同的功能。

控制器：數(shù)據(jù)寄存器，指令寄存器，程序計(jì)數(shù)器，指令譯碼器，時(shí)序產(chǎn)生器，操作控制器所組成。

運(yùn)算器：運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元（ALU）、累加寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器和狀態(tài)條件寄存器組成。

三、執(zhí)行過程：

當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，程序計(jì)數(shù)器先記錄當(dāng)前的地址，把他放到地址記錄器，程序計(jì)數(shù)器再加一（指向下一條指令的地址），

然后就從內(nèi)存讀取指令放到指令寄存器（IR）。然后在傳到指令譯碼器，具體功能如下：

指令譯碼器：

（1）譯碼分析。確定指令應(yīng)完成的操作，產(chǎn)生相應(yīng)操作的控制電位。去參與形成該指令功能所需要的全部控制命令（微操作控制信號(hào)）。

（2）根據(jù)尋址方式（8086是采用段地址+偏移地址合成一個(gè)20bit的尋址范圍，從32bit開始淘汰）的分析和指令功能要求，形成操作數(shù)的有效地址，并按此地址取出操作數(shù)（運(yùn)算型指令）或形成轉(zhuǎn)移地址（轉(zhuǎn)移類指令），以實(shí)現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移。

指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。操作碼一經(jīng)譯碼后，即可向操作控制器發(fā)出具體操作的特定信號(hào)。

時(shí)序發(fā)生器： 時(shí)序信號(hào)發(fā)生器是產(chǎn)生指令周期控制時(shí)序信號(hào)的部件，當(dāng)CPU開始取指令并執(zhí)行指令時(shí)，操作控制器利用時(shí)序信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的定時(shí)脈沖的順序和不同的脈沖間隔，提供計(jì)算機(jī)各部分工作時(shí)所需的各種微操作定時(shí)控制信號(hào)，有條理、有節(jié)奏地指揮機(jī)器各個(gè)部件按規(guī)定時(shí)間動(dòng)作。（區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和指令的一種方法。詳細(xì)可看我CPU架構(gòu)的區(qū)別一文）

然后把指令傳到運(yùn)算器。寄存器得到譯碼后的結(jié)果，通過數(shù)據(jù)總線，去數(shù)據(jù)cache獲取數(shù)據(jù)。然后根據(jù)需求進(jìn)行邏輯運(yùn)算（與或非）算術(shù)運(yùn)算，然后在通過數(shù)據(jù)緩沖寄存器通往IO端口傳輸?shù)酵饨纭?/p>

操作控制器：常用的控制方式有同步控制、異步控制、聯(lián)合控制。

1.同步控制方式：任何指令的運(yùn)行或指令中各個(gè)微操作的執(zhí)行，均由確定的，具有統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)的時(shí)序信號(hào)所控制。即所有的操作均由統(tǒng)一的時(shí)鐘控制，在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)完成。（在同步控制下，每個(gè)時(shí)序信號(hào)的結(jié)束就意味著安排完成的工作已經(jīng)完成，隨即開始執(zhí)行后續(xù)的微操作或自動(dòng)轉(zhuǎn)向下條指令的運(yùn)行。）

2.異步控制方式：沒有統(tǒng)一的同步信號(hào)，采用問答方式進(jìn)行時(shí)序協(xié)調(diào)，將前一操作的回答作為下一操作的啟動(dòng)信號(hào)。

3.聯(lián)合控制方式：將同步控制和異步控制相結(jié)合。其通常設(shè)計(jì)思想為：在功能部件內(nèi)部采用同步方式或以同步方式為主的控制方式；在功能部件間采用異步方式。

而運(yùn)算器又大致上分為邏輯運(yùn)算（與或非）和數(shù)值運(yùn)算（用加法的形式轉(zhuǎn)變成加減乘除）。

如下圖所示：