1978年，英特爾發(fā)布了第一款使用x86指令集的處理器，命名為為8086，是一款16位處理器。

1982年，80286處理器上市，16位處理器，增加了保護(hù)模式。

1985年，80386處理器上市，32位處理器，增加了分頁(yè)管理內(nèi)存方式。

1989年，80486處理器上市，32位處理器，增加了浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算單元。

2003年，AMD對(duì)x86指令集進(jìn)行擴(kuò)充，稱為x86-64，用于64位處理器中，并發(fā)布了第一款64位x86處理器。

自此之后，對(duì)于程序制作者來(lái)說(shuō)，x86系列處理器的基本運(yùn)行方式就沒(méi)有太大變化。

【指令的結(jié)構(gòu)】

控制器的運(yùn)行需要由指令控制，指令是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后，控制器會(huì)不斷的讀取存儲(chǔ)器中的指令，從而不間斷的運(yùn)行。

指令基本由如下幾個(gè)部分組成：

1.操作碼，確定處理器執(zhí)行什么功能，比如讀寫數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、等等。

2.地址碼，設(shè)置指令讀寫數(shù)據(jù)的位置，可以是寄存器、存儲(chǔ)單元地址，若要寫入的數(shù)據(jù)是固定的，也可以將數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在地址碼中，這種數(shù)據(jù)稱為立即數(shù)。

3.操作數(shù)類型碼，確定操作數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，比如1字節(jié)、2字節(jié)、4字節(jié)等長(zhǎng)度。

一個(gè)數(shù)據(jù)既可以用來(lái)表示一個(gè)數(shù)值，也可以用來(lái)表示一個(gè)指令，為了區(qū)分兩者，文章之后的內(nèi)容將數(shù)據(jù)分為數(shù)值數(shù)據(jù)和指令數(shù)據(jù)，避免混亂。

【指令的執(zhí)行方式】

指令有兩種基礎(chǔ)執(zhí)行方式：順序執(zhí)行、跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。

處理器默認(rèn)以順序執(zhí)行的方式執(zhí)行指令，當(dāng)前指令執(zhí)行完畢后，讀取存儲(chǔ)器中之后的數(shù)據(jù)作為指令執(zhí)行。

而跳轉(zhuǎn)執(zhí)行可以讓指令不按照順序執(zhí)行，當(dāng)前指令執(zhí)行完畢后，可以按需求跳轉(zhuǎn)到之后或之前的某個(gè)地址處執(zhí)行。

?● 指令流水線與轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)

CPU為了提高指令的執(zhí)行速度，會(huì)將每一條指令的執(zhí)行分為多個(gè)步驟，然后使用流水線的方式執(zhí)行，當(dāng)前指令執(zhí)行時(shí)，之后的指令已經(jīng)在流水線中進(jìn)行準(zhǔn)備工作。

若遇到需要跳轉(zhuǎn)執(zhí)行的指令，CPU會(huì)提前預(yù)測(cè)將要跳轉(zhuǎn)到的地址，然后讀取預(yù)測(cè)地址處的數(shù)據(jù)進(jìn)入流水線，這個(gè)預(yù)測(cè)的正確率一般為90%以上，但是無(wú)法做到100%，若判斷出錯(cuò)，就要清空流水線中的任務(wù)，重新來(lái)過(guò)，為了避免這種情況的發(fā)生，高級(jí)編程語(yǔ)言的編譯器會(huì)盡量減少跳轉(zhuǎn)指令的使用，使用其他多條指令的組合也能實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)指令的功能。

?● 指令調(diào)度策略

程序中指令的執(zhí)行是有順序的，但是有些指令不按順序執(zhí)行也不會(huì)出錯(cuò)，此時(shí)CPU可能會(huì)改變某些指令的執(zhí)行順序、或者讓指令交叉執(zhí)行，當(dāng)指令需要等待數(shù)據(jù)傳入而進(jìn)入暫停狀態(tài)時(shí)，直接執(zhí)行下一條指令。

編程語(yǔ)言的編譯器也會(huì)進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化，對(duì)指令進(jìn)行重新排序，不會(huì)完全按照代碼的編寫順序進(jìn)行編譯，而是按照指令最優(yōu)的執(zhí)行順序去編譯。

?● 實(shí)模式與保護(hù)模式

最早的CPU其指令可以隨意跳轉(zhuǎn)執(zhí)行 、隨意訪問(wèn)任何內(nèi)存，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們需要在計(jì)算機(jī)中同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程序，此時(shí)就需要一個(gè)稱為操作系統(tǒng)的程序來(lái)管理其他程序的運(yùn)行，并限制他們只能訪問(wèn)屬于自己的內(nèi)存區(qū)域，為此80286CPU有了保護(hù)模式，用于實(shí)現(xiàn)限制功能，之前對(duì)指令不進(jìn)行任何限制的模式稱為實(shí)模式。

保護(hù)模式將指令的權(quán)限分為4個(gè)等級(jí)，使用0-3表示，0級(jí)權(quán)限最高，可以使用CPU的任何資源，高權(quán)限指令可以跳轉(zhuǎn)到低權(quán)限指令執(zhí)行，反之則不行，操作系統(tǒng)使用0級(jí)權(quán)限，從而控制其他程序的執(zhí)行，用戶程序使用3級(jí)權(quán)限，1-2級(jí)權(quán)限被操作系統(tǒng)廢棄不用。

CPU默認(rèn)以實(shí)模式運(yùn)行，修改控制寄存器CR0的PG位可以進(jìn)入保護(hù)模式，進(jìn)入保護(hù)模式后就不能再返回實(shí)模式。

【內(nèi)存管理方式】

最簡(jiǎn)單的CPU在指令讀寫一個(gè)內(nèi)存單元時(shí)，直接通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)指定內(nèi)存地址，此時(shí)程序必須放在固定的內(nèi)存地址處，放在其他位置就會(huì)執(zhí)行出錯(cuò)，比如程序需要跳轉(zhuǎn)執(zhí)行時(shí)，跳轉(zhuǎn)到的地址已經(jīng)寫死，無(wú)法改變。

?● 分段使用方式

8086處理器會(huì)將內(nèi)存分為很多段來(lái)使用，目的是方便程序重定位，指令通過(guò)兩個(gè)數(shù)據(jù)相加得到內(nèi)存地址，分別稱為段地址、偏移地址，段地址存儲(chǔ)內(nèi)存段的起始地址，偏移地址存儲(chǔ)內(nèi)存段的內(nèi)部編號(hào)，偏移地址為0表示內(nèi)存段的第一個(gè)存儲(chǔ)單元、為1表示第二個(gè)存儲(chǔ)單元。

操作系統(tǒng)啟動(dòng)后，會(huì)首先將內(nèi)存分段，并在內(nèi)存中創(chuàng)建全局描述符表，用于記錄每個(gè)分段的起始地址、長(zhǎng)度、訪問(wèn)屬性等等信息。

程序執(zhí)行時(shí)，只能占用操作系統(tǒng)設(shè)置好的分段，不能自己創(chuàng)建分段，操作系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)執(zhí)行的程序創(chuàng)建一個(gè)局部描述符表，用于記錄此程序占用的內(nèi)存段相關(guān)信息。

指令讀寫內(nèi)存單元時(shí)只需要指定偏移地址即可，之后CPU通過(guò)查找描述符表將偏移地址與段地址相加，合成內(nèi)存地址，這樣就實(shí)現(xiàn)了將程序放在哪個(gè)位置都可以正確執(zhí)行。

?● 分頁(yè)使用方式

使用分段方式管理內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)往往不會(huì)設(shè)置很小的分段，并且分段的數(shù)量是有上限的，使用不方便，容易造成浪費(fèi)，為程序分配的內(nèi)存段大小不一定是程序需要使用的容量。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，從80386開(kāi)始有了分頁(yè)管理內(nèi)存方式，處理器將內(nèi)存按照4KB的大小分成很多組，每一組稱為一個(gè)頁(yè)，程序以頁(yè)為單位占用內(nèi)存，避免浪費(fèi)。

啟用分頁(yè)機(jī)制后，指令依然使用分段的方式讀寫內(nèi)存，目的是為了保留分段的優(yōu)勢(shì)，讓程序放在內(nèi)存中的任何位置都能正確執(zhí)行。

但是此時(shí)段地址+偏移地址合成的地址已經(jīng)不是真實(shí)的內(nèi)存地址，為了避免混亂，此時(shí)段地址+偏移地址合成的地址稱為虛擬地址。

計(jì)算機(jī)文件有一個(gè)文件偏移地址的概念，它的作用是為文件內(nèi)數(shù)據(jù)按存儲(chǔ)順序分配編號(hào)，第一個(gè)字節(jié)分配編號(hào)0、第二個(gè)字節(jié)編號(hào)為1、直到最后一個(gè)字節(jié)，通過(guò)這個(gè)編號(hào)調(diào)用文件內(nèi)數(shù)據(jù)比較方便，無(wú)需知道文件存放在哪個(gè)位置。就好比使用火車托運(yùn)貨物，你只需要記錄火車車廂的編號(hào)即可，無(wú)論火車走到哪里，你只要告訴管理人員你的貨物在幾號(hào)車廂，就能拿走你的貨物，至于火車停在哪個(gè)軌道上，你無(wú)需關(guān)心，那是管理人員的事。

虛擬地址的作用就類似文件偏移地址，它用來(lái)為程序內(nèi)部的數(shù)據(jù)分配編號(hào)，虛擬地址雖然也叫地址，但是它與內(nèi)存地址已經(jīng)沒(méi)有一毛關(guān)系。

操作系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先啟用保護(hù)模式，然后啟用分頁(yè)機(jī)制，程序執(zhí)行時(shí)操作系統(tǒng)為其按頁(yè)分配內(nèi)存，并創(chuàng)建一個(gè)頁(yè)表，用于記錄程序占用了哪些頁(yè)、每個(gè)頁(yè)的屬性等信息，此時(shí)虛擬地址會(huì)與內(nèi)存物理地址建立映射關(guān)系，指令通過(guò)虛擬地址說(shuō)明要調(diào)用程序內(nèi)的第幾個(gè)數(shù)據(jù)，至于這個(gè)數(shù)據(jù)編號(hào)對(duì)應(yīng)哪個(gè)內(nèi)存地址，指令不關(guān)心，也無(wú)需知道，CPU會(huì)根據(jù)頁(yè)表中的記錄將虛擬地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存物理地址，之后執(zhí)行指令。

【寄存器】

寄存器按功能的不同基本可以分為5類：通用寄存器、段地址寄存器、偏移地址寄存器、標(biāo)志寄存器、控制寄存器。

?● 通用寄存器

通用寄存器可以存儲(chǔ)任何數(shù)據(jù)，又分為多種長(zhǎng)度類型，64位寄存器只存在于64位CPU中，但是同時(shí)也包含32位、16位、8位寄存器。

x86-64處理器中的通用寄存器如下：

64位：rax、rbx、rcx、rdx，最早的x86指令集定義的通用寄存器，在x86-64中長(zhǎng)度擴(kuò)展為64。

64位：r8、r9、r10、r11、r12、r13、r14、r15，x86-64指令集新增的寄存器。

32位：eax、ebx、ecx、edx，由64位的rax-rdx拆分形成，不能與對(duì)應(yīng)的64位寄存器同時(shí)使用，使用rax時(shí)不能同時(shí)使用eax，下同。

32位：r8d、r9d、r10d、r11d、r12d、r13d、r14d、r15d，由64位的r8-r15拆分形成，只存在于x86-64指令集中，x86指令集沒(méi)有，下同。

16位：ax、bx、cx、dx，由32位的eax-edx拆分形成。

16位：r8w、r9w、r10w、r11w、r12w、r13w、r14w、r15w，由64位的r8-r15拆分形成，只存在于x86-64指令集中。

8位：al、bl、cl、dl、ah、bh、ch、dh，由16位的ax-dx拆分形成，ax的低8位為al，高8位為ah。

8位：r8b、r9b、r10b、r11b、r12b、r13b、r14b、r15b，由64位的r8-r15拆分形成，只存在于x86-64指令集中。

?● 段地址寄存器

8086處理器定義了4個(gè)段地址寄存器：CS、DS、ES、SS。

CS存放指令數(shù)據(jù)的段地址。

DS存放數(shù)值數(shù)據(jù)的段地址。

SS存放棧空間的段地址。

ES是輔助段寄存器，供程序自由安排使用。

80386處理器新增了兩個(gè)輔助段寄存器：FS、GS。

啟用保護(hù)模式后，CS寄存器中存放的不再是段地址，而是段選擇子，用來(lái)存儲(chǔ)操作系統(tǒng)設(shè)置好的內(nèi)存段編號(hào)、并記錄指令的特權(quán)級(jí)別。

?● 偏移地址寄存器

8086處理器定義了5個(gè)偏移地址寄存器：IP、SP、BP、SI、DI。

IP，存放指令數(shù)據(jù)的偏移地址，CS+IP合成的內(nèi)存地址處理器就認(rèn)為是指令，會(huì)從這里開(kāi)始順序執(zhí)行。

SP，存儲(chǔ)?？臻g的偏移地址，push、pop棧操作指令會(huì)影響SP的值。

BP，存儲(chǔ)?？臻g的偏移地址，push、pop棧操作指令不會(huì)影響B(tài)P的值，使用mov指令讀寫棧空間時(shí)一般使用BP寄存器存儲(chǔ)偏移地址，此時(shí)處理器默認(rèn)SS為段寄存器。

SI、DI，存儲(chǔ)數(shù)值數(shù)據(jù)的偏移地址，服務(wù)于讀寫數(shù)組相關(guān)指令，比如movsb、movsw。

32位處理器中，偏移地址寄存器的長(zhǎng)度擴(kuò)充為32位，使用32位模式時(shí)，名稱前添加E字母，比如：EIP、EDI。

64位處理器中，偏移地址寄存器的長(zhǎng)度擴(kuò)充為64位，使用64位模式時(shí)，名稱前添加R字母，比如：RIP、RDI。

SP、BP、SI、DI也可以當(dāng)做通用寄存器使用，在x86-64指令集中，SP、BP、SI、DI又可以拆分形成4個(gè)8位寄存器：SPL、BPL、SIL、DIL，這4個(gè)8位寄存器只存在于x86-64指令集中。

?● 標(biāo)志寄存器

8086處理器有一個(gè)標(biāo)志寄存器，名為FLAGS，長(zhǎng)度16位，用于記錄指令執(zhí)行結(jié)果、或者設(shè)置處理器的某些功能，每一種信息使用一個(gè)二進(jìn)制位記錄，常用位如下：

CF位：

進(jìn)位標(biāo)志位，記錄無(wú)符號(hào)數(shù)加法運(yùn)算結(jié)果是否發(fā)生溢出，或者減法運(yùn)算轉(zhuǎn)加法后是否發(fā)生溢出。

當(dāng)進(jìn)行無(wú)符號(hào)數(shù)加法時(shí)，記錄加法結(jié)果是否因長(zhǎng)度過(guò)大導(dǎo)致溢出，若溢出則CF位存儲(chǔ)1，否則CF為0。

當(dāng)進(jìn)行無(wú)符號(hào)數(shù)減法時(shí)，減法會(huì)轉(zhuǎn)換為加法，若加補(bǔ)碼運(yùn)算沒(méi)有溢出，則CF位存儲(chǔ)1，否則存儲(chǔ)0，此時(shí)可以理解為運(yùn)算結(jié)果為負(fù)數(shù)，使用補(bǔ)碼存儲(chǔ)，但是這里服務(wù)于無(wú)符號(hào)數(shù)，所以此時(shí)用于記錄被減數(shù)小于減數(shù)這種關(guān)系，同時(shí)也可以理解為被減數(shù)向一個(gè)不存在的高位借位，從而得出一個(gè)正數(shù)結(jié)果，某些減法指令會(huì)使用CF位的值。

OF位：

溢出標(biāo)志位，記錄有符號(hào)數(shù)加法結(jié)果是否發(fā)生溢出，若溢出則OF位存儲(chǔ)1，否則為0。

SF位：

符號(hào)標(biāo)志位，記錄有符號(hào)數(shù)減法運(yùn)算結(jié)果是否為負(fù)，若為負(fù)則SF位存儲(chǔ)1，若為正存儲(chǔ)0。

ZF位：

0標(biāo)志位，記錄數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)比較等指令的執(zhí)行結(jié)果中是否所有位都為0，若為0則ZF存儲(chǔ)1，否則存儲(chǔ)0。

可用于判斷一個(gè)未知數(shù)是否與一個(gè)已知數(shù)相等，將兩者進(jìn)行減法運(yùn)算即可。

無(wú)符號(hào)數(shù)與有符號(hào)數(shù)都可以通過(guò)此位來(lái)判斷減法結(jié)果是否為0，當(dāng)有符號(hào)數(shù)減法結(jié)果為0時(shí)，符號(hào)位也為0，這里體現(xiàn)出了有符號(hào)數(shù)只有+0沒(méi)有-0的優(yōu)勢(shì)。

PF位：

奇偶標(biāo)志位，記錄運(yùn)算指令結(jié)果的低8位中數(shù)字1的個(gè)數(shù)是否為偶數(shù)，若為偶數(shù)則存儲(chǔ)1，若為奇數(shù)則存儲(chǔ)0。

DF位：

方向標(biāo)志位，設(shè)置movsb等數(shù)組指令讀寫數(shù)據(jù)的方向。

若DF位為0，執(zhí)行movsb指令時(shí)si、di寄存器各自加1，執(zhí)行movsw指令時(shí)si、di寄存器各自加2。

若DF位為1，執(zhí)行movsb指令時(shí)si、di寄存器各自減1，執(zhí)行movsw指令時(shí)si、di寄存器各自減2。

TF位：

設(shè)置是否產(chǎn)生單步中斷，用于調(diào)試程序。

IF位：

設(shè)置處理器是否接收可被屏蔽的外中斷，若為1則接收，為0不接收。

?● 控制寄存器

用來(lái)設(shè)置處理器工作模式的轉(zhuǎn)換、緩存的禁用與啟用、虛擬地址的轉(zhuǎn)換等等功能。

80386有4個(gè)控制寄存器：CR0 - CR3，其中CR1保留不用，而x86-64指令集定義了CR0-CR15共16個(gè)控制寄存器，但只使用其中的CRO、CR2、CR3、CR4、CR8。

CR0的PE位用來(lái)設(shè)置是否啟用保護(hù)模式，若為1則啟用保護(hù)模式，進(jìn)入保護(hù)模式后不能再回到實(shí)模式，PG位用來(lái)設(shè)置是否啟用內(nèi)存分頁(yè)管理模式，啟用分頁(yè)模式之前必須首先啟用保護(hù)模式。

【中斷】

CPU執(zhí)行一個(gè)程序時(shí)，若發(fā)生了一些重要事件，需要暫停程序，轉(zhuǎn)而去處理事件，這時(shí)候就需要使用中斷功能。

每一種中斷都會(huì)有一個(gè)編號(hào)，可以為每一種中斷綁定一個(gè)處理程序，當(dāng)發(fā)生中斷后，CPU會(huì)去執(zhí)行中斷處理程序，執(zhí)行完畢后再返回之前的程序執(zhí)行。

CPU外部產(chǎn)生的中斷稱為外中斷，CPU對(duì)外連接的某些引腳用于外中斷功能，通過(guò)改變它的電壓來(lái)告知CPU是否有事件發(fā)生，比如按下鍵盤按鍵后會(huì)向CPU發(fā)出一個(gè)外中斷，告知CPU輸入設(shè)備有數(shù)據(jù)發(fā)送。外中斷分為可屏蔽中斷與不可屏蔽中斷，大多數(shù)外中斷都是可屏蔽的，可通過(guò)修改標(biāo)志寄存器中的IF位屏蔽這些外中斷。

CPU內(nèi)部產(chǎn)生的中斷稱為內(nèi)中斷或者異常，比如除數(shù)為0時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)中斷，也可以通過(guò)執(zhí)行int指令人為產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)中斷，用戶程序使用系統(tǒng)調(diào)用時(shí)就是通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橛脩舫绦驘o(wú)法跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)內(nèi)核執(zhí)行，所以用戶程序會(huì)通過(guò)int指令發(fā)出一個(gè)內(nèi)中斷，并設(shè)置一些參數(shù)，操作系統(tǒng)接收到內(nèi)中斷后根據(jù)參數(shù)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用。