x86

Allolevas tabelis on levinumad^[2] tarbijale suunatud protsessorid, mis kasutavad x86 käsustikku. Tabel on jaotatud põlvkondadesse, mis tõstavad esile tähtsaid muutuseid x86 ajaloos. Märkus: CPU põlvkonnad ei ole rangelt määratletud.

Arhitektuur

x86 on muutuva instruktsioonipikkusega CISC-arhitektuur, mille käsustik on välja arenenud lihtsamate 8-bitiste arhitektuuride, nt 8008, 8080 ja 8085, järjestikusel täiendamisel. Toetatud on baidi kaupa adresseerimine. Andmesõnade paigutus on peeneotsaline. Iga andmesõna suuruse puhul on lubatud ligipääs joondamata mäluaadressilt. Suurim täisarv ja mäluaadress võib sõltuvalt arhitektuuri põlvkonnast olla 16, 32 või 64 biti pikkune. Uuemad protsessorid toetavad ka väiksemaid andmesõnasid. SIMD võimaldab üheaegselt töödelda mitut skalaari.

Ujukomaarvutus ja SIMD

Protsessorile 8086 loodi kaasprotsessorina lisaks ujukomaprotsessor 8087. Hiljem sai sellest 80387. Järgnevatel protsessoritel on ujukomaprotsessori funktsionaalsus tagasiühilduvalt sisse ehitatud. Lisaks on uuematel protsessoritel SIMD plokk, milles saab töödelda korraga ühte või kahte 128-bitist andmesõna, milles mõlemas võib olla 2, 4, 8 või 16 ühesuurust täisarvu. See tähendab, et protsessor saab mälust laadida või mälusse salvestada korraga 128-bitise andmesõna ning teha mitme 128-bitise andmesõnaga paralleelselt loogilisi operatsioone. Tulevased x86-protsessorid toetavad ka 256-bitised SIMD operatsioone.

Segmentimine

1970. aastatel muutus mälu odavamaks, kuid 16 biti abil sai adresseerida vaid 64 kB mälu. 8086 võttis kasutusele lihtsa segmendiregistri, mis suurendas mäluaadressi pikkust 4 biti võrra. Korrutades mäluaadressi 16-ga, oli võimalik adresseerida 1 MB (1 048 576 baiti), mis oli sellel ajal väiksema arvuti jaoks suur mälukogus. See oli suhteliselt keeruline lahendus, kuid vähendas riistvara keerukust ja tootmiskulusid.

Reaalrežiimis saadakse 20-bitine mäluaadress nihutades segmendi aadressi 4 biti võrra vasakule ja liites sellele nihke. Näiteks, kui segmendiregister DS on väärtusega A000h ja register SI väärtusega 5677h, siis DS:SI viitab absoluutsele aadressile DS × 10h + SI = A5677h. Seega saab reaalrežiimis adresseerida 2²⁰ baiti ehk 1 MB. Vaikimisi kasutatakse koodi jaoks segmendiregistrit CS, andmete jaoks DS-i ja pinu jaoks SS-i. Instruktsiooni eesliite abil saab määrata, millist neljast segmendiregistrist kasutada.

Kaitserežiimis ei viita segmendiregister füüsilisele aadressile, vaid sisaldab "selektorit", mis viitab süsteemitaseme struktuurile, milleks on segmendi deskriptor (kirjeldus). Deskriptor sisaldab segmendi alguse füüsilist mäluaadressi, segmendi pikkust ja ligipääsuõigusi. Mälu kasutamisel kontrollitakse, kas nihe vastab segmendis asuvale aadressile. Kui nihe asub segmendist väljaspool, siis tekitatakse erand (exception).

Adresseerimine

Adresseerimine 16-bitistel x86-protsessoritel näeb välja järgmine:

${\displaystyle {\begin{Bmatrix}CS:\\DS:\\SS:\\ES:\end{Bmatrix}}{\begin{bmatrix}{\begin{Bmatrix}BX\\BP\end{Bmatrix}}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}{\begin{Bmatrix}SI\\DI\end{Bmatrix}}\end{bmatrix}}+{\rm {[nihe]}}}$

32-bitise aadressiruumi adresserimine 32- või 64-bitisel x86 protsessoril:

${\displaystyle {\begin{Bmatrix}CS:\\DS:\\SS:\\ES:\\FS:\\GS:\end{Bmatrix}}{\begin{bmatrix}{\begin{Bmatrix}EAX\\EBX\\ECX\\EDX\\ESP\\EBP\\ESI\\EDI\end{Bmatrix}}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}{\begin{Bmatrix}EAX\\EBX\\ECX\\EDX\\EBP\\ESI\\EDI\end{Bmatrix}}*{\begin{Bmatrix}1\\2\\4\\8\end{Bmatrix}}\end{bmatrix}}+{\rm {[nihe]}}}$

64-bitises koodis adresseerimine 64-bitisel x86 protsessoril:

${\displaystyle {\begin{Bmatrix}:\\FS:\\GS:\end{Bmatrix}}{\begin{bmatrix}{\rm {{\ddot {u}}ldotstarbeline\;register}}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}{\rm {{\ddot {u}}ldotstarbeline\;register}}*{\begin{Bmatrix}1\\2\\4\\8\end{Bmatrix}}\end{bmatrix}}+{\rm {[nihe]}}}$

ja

${\displaystyle RIP+{\rm {[nihe]}}}$

16-bitised

Esimestel Inteli x86-protsessoritel 8086 ja 8088 on neliteist 16-bitist registrit. Neli neist (AX, BX, CX, DX) on üldotstarbelised registrid (GPR – General Purpose Register). Need registrid on jaotatud kaheks. Näiteks registri BX ülemine osa on kättesaadav registri BH ja alumine osa registri BL kaudu. Registreid SP ja BP kasutatakse pinusse viitamiseks. SP ehk pinuviit (Stack Pointer) viitab pinu pealmisele elemendile, BP (Base Pointer) viitab tavaliselt lokaalmuutujate alale. Registreid SI (Source Index) ja DI (Destination Index) kasutatakse järjendite indekseerimiseks.

Nelja segmendiregistri (CS, DS, SS ja ES) abil moodustatakse mäluaadress. Register FLAGS sisaldab erinevaid lippe, näiteks ületäituvuse lipp (overflow flag) ja ülekande lipp (carry flag). IP ehk instruktsiooniviit (Instruction Pointer) viitab instruktsioonile, mida hakatakse parajasti mälust lugema ja seejärel täitma.

32-bitised

32-bitise protsessori 80386 tulekul laiendati enamikku registritest 32 biti suurusteks. Segmendiregistrid jäid endiselt 16-bitisteks. 32-bitilisust väljendab täht E (Extended) registrite nimede ees x86 assemblerkeeles. Näiteks register AX on uue 32-bitise registri EAX alumised 16 bitti, SI on ESI alumised 16 bitti jne. Lisati ka kaks uut segmendiregistrit FS ja GS.

Spetsiaalsete instruktsiooni eesliidete abil saab määrata, et 16-bitine kood sisaldab 32-bitist instruktsiooni või vastupidi.

Protsessorile 80486 lisandus ujukomaplokk koos kaheksa 80-bitise registriga.^[3] Pentium II protsessorile lisandusid kaheksa 64-bitist MMX täisarvuregistrit (MMX0–MMX7). Need registrid jagasid alumisi bitte FPU pinuga (st(0)–st(7)).^[3] Pentium III-st alates oli x86 protsessoritel 32-bitine SSE haldusregister MXCSR ja kaheksa 128-bitist ujukomaregistrit (XMM0–XMM7).^[3]

64-bitised

AMD Opteroni protsessorist alates on registrid 64 biti suurused. Nende nimed on RAX, RBX, ECX, RDX, RSI, RDI, RBP, RSP, RFLAGS ja RIP. EAX on 64-bitise RAX registri alumised 32 bitti jne. Lisandusid kaheksa üldotstarbelist registrit (R8–R15), mida on võimalik kasutada vaid 64-bitises režiimis.

Kasutus

Üldotstarbelisi registreid võib kasutada igaks otstarbeks, kuid tavaliselt eelistatakse mõnede operatsioonide puhul kindlaid registreid. EAX on sobilik aritmeetiliste tehete jaoks, sest instruktsioon, milles vähemalt üks operand on EAX, on üldjuhul baidi võrra lühem ja seega ka kiiremini mälust loetav.^[4] EAX registrit nimetatakse ka akumulaatoriks (accumulator). EBX-i kasutatakse järjendi baasindeksina (base). ECX-i kasutatakse tihti loendurina (counter). Näiteks tsükli koostamise instruktsioon LOOP vähendab ECX registrit ühe võrra ja hüppab tsükli algusse, kui ECX-i väärtus ei ole 0.^[5] EDX on üldine register andmete (data) hoidmiseks.

64-bitistel registritel R8–R15 kindlat otstarvet ei ole.

PAE

PAE (Physical Address Extension) ehk füüsilise aadressi laiendus lisati esmalt protsessorile Pentium Pro. See lubab 32-bitises kaitserežiimis füüsilist aadressiruumi laiendada ja kasutada rohkem kui 4 GB mälu. Tavaliselt on aadressiruum kaitserežiimis 4 GB suurune.^[6]

Virtualiseerimine

Mõned x86-protsessorid toetavad riistvaralist virtualiseerimist. Inteli lahendus kannab nime Intel VT^[7], AMD vastav tehnoloogia on AMD-V^[8]. Emulaatorid x86 platvormil virtuaalmasinate jooksutamiseks on näiteks VMWare, Parallels, Microsoft Hyper-V ja Virtual PC. Avatud lähtekoodiga projektidest on tuntud QEMU, VirtualBox ja Xen.

• x86 registers – Yasm User Manual. Chapter 20. x86 architecture.