什么是 X86？

x86 是英特尔的 CPU 架构，用于指代原始 8086 处理器之后的微处理器系列。它起源于 1978 年的 16 位 8086 处理器，该系列处理器基于英特尔的 8086 和 8088 微处理器。通常，“X86”指的是包含 286、386、486 和 586 处理器在内的英特尔处理器。如今，“x86”一词用于指代任何 32 位处理器，它确保了对 x86 指令集架构的向后兼容性。由于处理器的完整名称是 80286、80386、80486 和 80586；因此，“x86”是“80x86”的缩写。“80”通常用于避免重复。

最初，x86 以 8 位指令集开始，然后随着技术的不断发展，它开始支持 16 位和 32 位指令集。在几乎所有类型的计算机中，X86 微处理器都可以运行；从计算机服务器和笔记本电脑，到超级计算机和台式机。但是，对于需要针对新 x86 处理器进行优化的旧处理器，软件可能无法运行。在其 40 年的生命周期中，x86 架构已经添加了许多新功能。它最显著的成就是几乎完全向后兼容。

X86 历史

x86 处理器开始由 DM&P、NexGen、UMC、AMD、Fujitsu、Cyrix、C&T、OKI、Siemens、STM 等公司制造；它专为个人电脑和嵌入式系统设计。最初，16 位处理器是兼容的；然而，在很长一段时间后，32 位设计才被设计和开发出来。大约在 1990 年，人们开始看到 i386 和 i486 兼容处理器的大量生产。x86 或 x87 处理器由其他公司设计或制造；一些公司包括 Weitek、National Semiconductor、ITT Corporation 和 ULSI System Technology。

英特尔在完全流水线的 i486 之后，发布了 Pentium 品牌名称，用于其新一代超标量 x86 设计。x86 的命名方案现在已经合法化。其他 x86 供应商不得不为他们的 x86 兼容产品选择不同的名称。首批实现了寄存器重命名以实现推测执行的 x86 微处理器，包括 Cyrix 设计的 5x86、6x86MX（MII）系列，以及与 IBM 合作生产的高效 6x86（M1）。

最初，这些微处理器的版本存在散热问题。6x86 处理器也存在一些小的兼容性问题。并且，Nx586 缺少引脚兼容性和浮点单元。此外，当 K5 推出时，其性能有些令人失望。K5 改进了 Pentium 的兼容性，与 Pentium 相比，在整数代码方面，6x86 的速度明显更快。Transmeta、Rise Technology 和 Centaur Technology 等其他竞争对手也参与其中。

C3 和 C7 处理器是 VIA Technologies 非常节能的处理器，已销售多年。它们由 Centaur 公司设计。VIA Nano 是 Centaur 的首款支持超标量和推测执行的处理器。当 P5 Pentium 和 Intel Atom 推出时，它们也几乎在同一时间推出。

x86 和 x64 有什么区别？

x86 和 x64 的主要区别在于，x64 指的是 64 位 CPU 和操作系统，而 x86 指的是 32 位 CPU 和操作系统。x64 可以处理 8 GB、16 GB，甚至一些 32 GB 的物理内存，而 x86 的最大物理内存容量有限，为 4 GB，因为位是二进制数字（0 或 1）的缩写。这是 CPU 无法使用大量 RAM 的主要原因。这意味着 32 位处理器包含 42.9 亿个内存位置，每个位置存储一个字节的数据，相当于大约 4 GB 内存。

此外，拥有 64 位处理器的计算机可以同时处理 32 位和 64 位程序，而拥有 32 位处理器的计算机只能处理 32 位程序。这是因为它们的基本位大小不同。与 32 位处理器相比，64 位处理器在大多数情况下工作更有效率，尤其是在处理大量数据块时。

如果您在 64 位 Windows 计算机上，可以在 C 驱动器中找到一个名为 Program Files (x86) 的文件夹。32 位应用程序存储在此文件夹中，而 Program Files 文件夹则存储您安装的所有 64 位应用程序。如今，如果想要运行重负载任务和多个程序，4GB 内存是不够的；然而，4GB 对于基本任务来说是足够的。此外，与 32 位数据块相比，64 位系统可以处理 64 位数据块，因此效率更高。64 位系统向后兼容，还可以运行 32 位程序。

x86 单板计算机 (SBC) 示例

如今，计算机不仅仅是用于在膝盖上工作的便携式小设备，也不是放在桌子下的大型矩形黑盒子；它们无处不在，用于通信、数据存储、计算等。ODYSSEY - X86J4105 是一款基于 Intel Celeron J4105 的四核 1.5GHz CPU，睿频可达 2.5GHz。ODYSSEY - X86J4105 具备标准计算机所需的所有功能；它还包括 64GB eMMC 存储、HDMI、SATA 接口、8GB LPDDR4 RAM、音频输入输出、板载 Wi-Fi/BLE、PCIe、双千兆以太网端口等。它还允许用户在 x86 平台上编程 Arduino，因为它有一个 ARM Cortex-M0+ MCU，即板载 ATSAMD21 核心。

从 8086 到现代处理器的演变

x86 架构在保持早期程序无需修改即可执行的同时，也在不断地发展和复杂化。最初简单的 16 位微处理器，已经发展到如今密集封装、节能、多核的芯片。

1. 8086 和 8088 (1978-1979)

英特尔推出了 8086，这是一款 16 位芯片，拥有 20 位地址总线，可寻址 1 MB 内存。紧随其后推出的 8088 使用更窄的 8 位总线以降低系统成本——这对于需要与现有 8 位多路复用数据通路接口的系统来说是理想选择。价格和向后兼容性的结合吸引了 IBM，而 8088 被集成到 1981 年的 IBM PC 中，确立了 x86 架构在新兴微型计算机市场中的地位。

2. 80286 (1982)

286 芯片引入了保护模式，允许 16 MB 的内存空间和硬件强制的内存隔离，这对于新兴的数据中心软件环境来说是必要的进步。保护模式是未来操作系统里程碑——例如 Windows 和 OS/2——得以成型的催化剂。

3. 80386 (1985)

80386 代表了向 32 位架构的过渡，实现了吞吐量和功能的巨大提升。通过平面内存模型，CPU 可以同时引用高达 4 GiB 的内存，并且包含的固定点页转换支持了后来普遍的虚拟内存创新。同时，DOS 程序也受益于并行运行的 8086 模拟，可以与同时运行的多任务程序并行工作而没有任何性能损失。

4. 80486 (1989)

486 芯片通过将浮点指令单元焊接到芯片上，从而消除了额外的协处理器支出。该芯片上的算法享受流水线响应：解码器和规划器活动在执行之前就已完成。

5. Pentium 系列 (1993 年至今)

Pentium (P5) 从标量指令流水线转向超标量指令流水线，允许每时钟周期同时解码两个操作。其后续的 Xeon (P6) 提供了乱序执行和推测执行，能够预测、获取和调度预期的执行路径。在该组合中建立的线程、流水线级别和缓存物理学支撑了此后几乎所有设计的 CISC 架构。

6. 现代几代

英特尔酷睿系列——从 Core Duo 到 Core i3 再到 i9——以及 AMD Ryzen 系列，都体现了微处理器设计的累积成就。诸如超线程（SMT）、高度优化的分支预测、多级缓存以及大量的核心等创新技术，加上 AVX 等 SIMD 密集型扩展，提供了惊人的吞吐量。

这些最新的 x86 核心可以轻松处理日常任务、尖端游戏、神经网络推理和密集型模拟，而且最令人惊讶的是，它们仍然忠实于在 80 年代末期 DOS 主机下编译的程序。

指令集扩展

x86 架构通过吸收经过深思熟虑的扩展而保持活力，每一次扩展都巧妙地解决了不断演变的使用场景。每组新的指令都增强了核心集，将原始的晶体管预算引导到关键的工作负载上。

MMX (1996)——开创性的多媒体指令集，在 x86 系列中引入了 SIMD，通过堆叠整数流水线开启了这一趋势，允许单个操作数激活多达八个重叠像素；音频、视频和简单的图像处理得到了速度提升。后来的几代产品退回到浮点领域，同时逐渐放宽了复杂性权衡；

SSE、SSE2、SSE3 和 SSE4 继承了 MMX 的精神，巧妙地融合了更紧密的 ALU、寄存器重命名和效果预测技术，通过 ALU 密集型流水线输送结构化向量数学。这些功能在现代异构工作负载（如 3D 游戏、实时图形、科学模拟以及任何必须在严格时间限制内运行的数据密集型应用程序）中提供了关键的性能提升。

高级向量扩展——首先是 AVX，然后是 AVX2，最后是 AVX-512——扩展了传统的寄存器文件，增加了更宽的向量，并集成了多层并行处理。仅 AVX 就提供了从大规模模拟到 AI 模型训练和高维数据分析等任务所需的原始带宽。

AES-NI 是用于低延迟 AES 加密和解密的应用程序编程前端，为加密任务在微架构中提供专用路径；因此，安全性能飙升，而通用核心流水线则保持轻载。

64 位过渡：从 x86 到 x86-64

从 x86 到 x86-64。在 21 世纪初，AMD 通过推出 x86-64（通常品牌为 AMD64）重新定义了 x86 生态系统，这是一个 64 位对根深蒂固的 32 位 x86 指令集的扩展。英特尔迅速跟进，将其规范集成到自己的微架构中，称为 Intel 64。总的来说，这次过渡是当代计算中最关键的架构演变之一。

超越老化的 x86-32 框架带来了三个主要的技术优势

• 更大的地址空间——虽然 32 位 CPU 将 RAM 访问限制在约 4 GB，但 64 位架构理论上可以达到 16 EB。尽管当今的操作系统实现的上限远低于此，但设计余量允许系统容纳不断增长的内存量。
• 更多寄存器——转向 64 位架构增加了一组新的通用寄存器，有效地将寄存器池翻倍。结果是减少了内存读写频率，从而简化了执行，尤其是在处理嵌套函数调用和大型数据结构时。
• 增强的性能——处理大型数据集的工作负载，从 4K 视频制作和高频 3D 渲染到数据仓库分析，由于更宽的数据总线和双倍宽度的寄存器，可以实现明显的性能提升。
• 向后兼容性——该架构的定义性特征是能够无缝执行 32 位代码。遗留应用程序，其中许多可以追溯到该架构的早期，可以与新的二进制文件并排运行，而无需模拟器、虚拟化或性能损失。

x86 的优势

x86 架构在服务器和终端设备领域一直保持领先地位，这得益于其强大的性能、兼容性和深厚丰富的生态系统。这些特性的结合确保了从台式机到任务关键型数据中心的新平台，仍然理所当然地默认采用 x86 组件。

• 广泛的软件支持——x86 的关键优势在于其几乎无处不在的软件访问。几乎所有主流 操作系统，包括各种 Windows、Linux 和 BSD 版本，都带有强大的 x86 端口。同时，大多数商业和开源工具在开发时都以 x86 为目标，这为企业提供了深厚多样化的现成软件资源库。
• 向后兼容性——x86 的标志性特征之一是其无与伦比的运行数十年前开发的应用程序的能力。对于制造业和金融等行业而言，重新编码任务关键型代码的成本和风险可能超过大多数风险，这种能力是无价的。
• 高性能——当今的 x86 微处理器，无论是单线程还是多线程任务，都能提供卓越的性能。超标量执行、乱序执行和大量片上缓存等功能使这些芯片能够同时处理日常任务、图形密集型游戏和科学模拟。
• 成熟的生态系统——多年的发展为 x86 平台带来了成熟的开发工具、广泛的设备驱动程序以及可供使用的软件框架。这种深厚的成熟度缩短了开发人员的上市时间，提高了可靠性，并保持了跨多种系统的兼容性。
• 虚拟化——英特尔和 AMD 的 x86 芯片配有专用的虚拟化扩展（VT-x 和 AMD-V），通过在硅片上处理大量繁重工作，加速了同时运行多个操作系统实例。这种加速对于云基础设施、服务器集群密度以及为测试和开发人员保护软件和快照至关重要。

x86 的劣势

即使具有显著优势，x86 平台也存在影响能效、成本和架构适应性的弱点。ARM 和 RISC-V 等其他架构持续凸显这些不足。

• 功耗——x86 集成了广泛而密集的编码，迫使解码器本身就非常耗电。在移动和嵌入式场景中，RISC 替代方案依赖于更精简、更不耗费资源的流水线，而 x86 已经很重的解码阶段仍然是明显的功耗负担。
• 散热——许多 x86 芯片提供高核心计数和高频率。由此产生的 TDP 不可避免地会增加，需要大型且通常是分层的冷却解决方案。虽然复杂的冷却可以保持硅片的稳定，但它同时会增加制造成本、物理体积和噪音，这些是嵌入式和超轻型市场不愿接受的。
• 指令集复杂性——x86 庞杂的指令扩展历史赋予了历代二进制文件非凡的便携性，但它给芯片制造商带来了一个 ISA，该 ISA 不可避免地蚕食了更清洁的架构修订。随着 30 年前指令集的保全，抽象层给芯片和软件团队带来了持续的阻力，扼杀了 RISC 纯粹主义者所利用的戏剧性、直观的架构进展。
• 尺寸和成本——内在的复杂性导致 x86 核心拥有非常高的晶体管数量，通常超过更简单的核心。最终结果是更大的芯片尺寸和每个芯片的成本，其总价高于许多 ARM 设计，从而缩小了在每一毫米和每一分钱都很重要的细分市场的利润。

x86、ARM 和 RISC-V 的区别

当今的计算环境由少数领先的处理器架构定义，每种架构都针对不同的需求和优先级进行了定制。

1. x86

x86 以其高性能和海量软件兼容性而闻名，在台式机、游戏 PC 和许多服务器领域仍然占主导地位。其原生运行数十年软件的能力是无与伦比的，这使其成为依赖遗留应用程序的行业的首选。

然而，这种强大是有代价的——x86 处理器往往耗电且产生的热量比更简单的设计多，这对于移动和低功耗设备来说可能是一个缺点。

2. ARM

ARM 已成为硅片节能的代名词，主导了移动领域，几乎覆盖了所有智能手机和平板电脑。在过去几个产品周期中，该架构已将其影响力扩展到笔记本电脑、超大规模环境以及几乎所有嵌入式设备，以其在亚瓦特级别下令人满意的性能达到了最佳平衡。

其精确的热管理可实现无风扇外壳和长达一周的待机时间——这些特性受到消费者和 OEM 的青睐，使该架构成为电池供电设备的标杆。

3. RISC-V

这位冉冉升起的新星提供了一个免版税、开源的指令集，具有无与伦比的定制潜力。用户可以自由地检查、修改和简化指令集，以适应从节能传感器到未来超级计算机等各种应用。

尽管前景广阔，但支持生态系统——相似的软件和硬件——仍然落后于 x86 和 ARM 数十年磨砺的综合基础。虽然仍有机会进行开发，但经验丰富的设计师拥有原型画布，而新进入者则面临成熟度的权衡。

示例——苹果从英特尔 x86 转向 ARM 芯片，标志着行业战略趋势的汇聚。源自 ARM 指令集的处理器似乎可以减小芯片尺寸、功耗和散热，同时保持指令集的成熟度。这种势头正在解决嵌入式、笔记本电脑甚至高密度服务器领域的计算问题，因为开发现代外设的初始成本可以得到有效分摊。

今天的 x86 用途

x86 架构仍然是现代计算的支柱，通过适应性、性能和软件连续性的平衡，每天为各种平台提供动力。

1. 台式机和笔记本电脑——高端的英特尔 Core i7 和 AMD Ryzen 9，结合了强大的时钟到线程资源和互补的重线程电路。用户可以轻松地从电子表格处理切换到直接的、基于网格的交互式视图，从单色位图编码的转码字节场到三公里长的半透明塔式农场，而无需预编译 Alt 变体。
   
2. 服务器——当今的数据中心，无论是处理庞大的数据库、运行数千个虚拟机、训练 AI 模型，还是为云计算本身提供支持，核心仍然是 Xeon 或 EPYC 处理器。它们在适应性、海量内存通道和不间断正常运行时间之间精心平衡，使其成为永不失败的任务的明确选择。
   
3. 嵌入式系统——基于 x86 核心构建的最小的 SBC——想想通用的 Intel NUC 或多功能的 ODYSSEY 系列——驱动着从机场售票机和大型 LED 显示屏到自动化生产线幕后大脑的一切。它们在紧凑的封装中提供桌面级别的性能，可以舒适地安装在显示器后面或控制柜中，将狭小的空间转变为高性能计算区域。
4. 游戏主机——最新的 Xbox 和 PlayStation 系列利用定制的 x86 芯片，因为它模糊了工作室的界限，允许它们应用与高端游戏 PC 相同的代码路径、系统调用和编译器开关。结合集成的、高吞吐量的图形和计算核心，开发人员可以集成光线追踪、超高帧率和出色的游戏玩法。

常见问题解答 - X86

1. 什么是 x86 架构？

x86 是计算机架构，始于 1978 年英特尔的 8086 芯片。它最初是 16 位设计，后来发展到 32 位架构，并成为大多数消费类 PC 和服务器的标准。

如今，基于 x86 指令构建的 64 位 CPU 被称为 x86-64 或 AMD64。“x86”这个名字本身就来源于以“86”（如 80286 和 80386）结尾的处理器系列。

2. x86 与 x64 有何区别？

x86 通常指 32 位架构，允许的最大可寻址 RAM 为 4 GB。另一方面，x86 指的是 64 位架构，理论上可以达到 16 EB 的巨大地址空间。64 位处理器可以执行 32 位和 64 位应用程序，而 32 位处理器只能执行 32 位应用程序。

3. x86 处理器的优点是什么？

• 广泛的软件兼容性
• 强大的向后兼容性
• 复杂工作负载的高性能
• 强大的虚拟化支持
• 丰富的指令集扩展

4. 与其他架构相比，x86 的缺点是什么？

• 能效
• 制造成本
• 指令集复杂性
• 向后兼容性开销
• 许可限制