5、x86处理器架构全解析

x86处理器架构全解析

1. 通用概念

在计算机系统中，中央处理器（CPU）与系统的输入/输出设备之间的交互依赖于系统总线，它主要包括数据总线、控制总线和地址总线。控制总线用二进制信号同步连接到系统总线上的所有设备的动作；当当前执行的指令在CPU和内存之间传输数据时，地址总线保存指令和数据的地址。

1.1 时钟

CPU和系统总线的每一个操作都由内部时钟以恒定速率的脉冲同步。机器指令的基本时间单位是机器周期（或时钟周期），时钟周期的长度是完成一个完整时钟脉冲所需的时间。时钟周期的持续时间是时钟速度的倒数，时钟速度以每秒振荡次数来衡量。例如，一个每秒振荡10亿次（1 GHz）的时钟，产生的时钟周期持续时间为十亿分之一秒（1纳秒）。

机器指令的执行至少需要一个时钟周期，有些指令可能需要超过50个时钟周期，像8088处理器上的乘法指令。由于CPU、系统总线和内存电路的速度差异，需要访问内存的指令通常会有称为等待状态的空时钟周期。

1.2 指令执行周期

一条机器指令并非能瞬间神奇地执行完毕，CPU需要经过一系列预定义的步骤来执行机器指令，这个过程称为指令执行周期。假设指令指针寄存器保存着我们要执行的指令的地址，执行步骤如下：
1. 取指 ：CPU从称为指令队列的内存区域中取出指令，之后递增指令指针。
2. 译码 ：CPU通过查看指令的二进制位模式来对其进行译码，该位模式可能显示指令包含操作数（输入值）。
3. 取操作数 ：如果涉及操作数，CPU从寄存器和内存中获取操作数，有时这涉及