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x86 架構是什麼?從 40 年前的 Intel 8086 談起

今次 TechApple 要講的比較普通:x86 架構的歷史,想知道x86 架構是什麼,就不要錯過。我們從電腦規格看到中央處理器 (CPU) 採用 x86 ,那麼 x86 究竟是什麼?過去有什麼經典的 x86 處理器見證著電腦的發展? 我們手上有兩顆經典處理器 Intel i386 (80386) 與 Inte i80486 ,以現在的角度看他們時脈不快、功能不多,甚至有點「殘缺」,卻是電腦發展的一個里程碑。今次想跟大家談談經典的電腦架架-Intel x86 。

導言:什麼是 x86 架構處理器?

現時電腦採用 x86 架構,那麼 x86 究竟是什麼大家又清楚嗎?這個字其實是一個「指令集架構」家族的總稱,起源自 1978 年的 Intel 8086 中央處理器,它是一個電腦指令巨集的主流沿用至今,可以說是最成功的電腦架構。它的特點是採用 複雜指令集電腦,Complex Instruction Set Computer 字組,指令數目多而且複雜,電腦需要加以判讀所以效率較低(相對於手機等流動裝置用的的 RISC( reduced instruction set computing) 架構),直到 90 年代技術進步情況才有所改變

在 8086 之後推出 80286 、80386 、80486 等等處理器,其後再出現 Pentium 、Intel Atom 、 Intel Core i3 、i5 系列都採用 x86 架構,在 2017 年 Qualcomm 其中一個目標就是利用 ARM 處理器(採用 RISC 架構)去模擬出 x86 環境,令到 Qualcomm 處理器都能夠支援 x86 程式。

x86

x86 的始祖:從 8086 開始談起

從歷史開始談起, Intel 在 1976 年正式生產 8086 ,在它之前的 Intel 8085 這款 8 位元處理器面對 Motorola 、Zilog Z80 等等對手的挑戰,所以 Intel 特別看重這個產品。它被設計可以相容以前的 8008、8080、8085等微處理器。指令集與編程模式是基於 8080 微處理器,但指令集做了擴充功能以完全支援 16位元計算。

當時除了加入新指令之外,亦引入多處理器系統的匯流排結構,甚至可以與 Intel 8087、Intel 8089 進行運作加強浮點運算,這款處理器速度有 5MHz 至 10MHz ,除了 Intel 以外 NEC 、富士通、西門子亦有進行生產。

大流行的一代 Intel 8088 與 IBM PC

雖然 Intel 8086 是 x86 始祖,但最初把 x86 架構發揚光大的要數 Intel 8088 ,它是外部匯流使用了 8-bit 設計,相對於 Intel 8086 成本低,而它採用了 4-bit 的 Prefetch 與 Queue ,相對於 8086 的 6-bit 更為便宜,因為 IBM PC 採用了 8088 作為處理器使它大為流行,如果當年 IBM 選取了 Motorola 68000 ,又會是另一個故事。

IBM PC (圖片來源:維基百科)
IBM PC (圖片來源:維基百科)

「286 電腦」的起源 Intel 80286

在編輯年少時大家會用「286」去比喻反應慢的人,「286」就是 8086 的後繼者 80286 。這顆在 1984 年推出的處理器在 80 年代尾至90 年代大流行,原因是 IBM PC/AT 採用了當時最新款的 80286 ,當時最快的時脈大約 20MHz ,採用16-bit bus 以及 24-bit bus。在這幾年中處理器的製程精密了一倍(由 3μm 到1.5μm),而它亦有兩種運行方式:真實模式和保護模式,它影響了往後的 x86 操作模式,更重要的是 Windows 2.0 以後都採用保護模式操作。

(圖片來源:Wikipedia)
(圖片來源:Wikipedia)

第一顆 32-bit 的處理器:Intel 386

來到 Intel 80386 世代,電腦效能有著飛躍性進步,首是它是 Intel 第一顆 x86 架構的 32-bit 系統處理器,採用的是 IA-32 架構而非 286 的 IA-16 架構;其次它可以配合 80387 進行更強大的浮點運算,最後它是首次採用 Cache  解決記憶體速度問題,處理器速度亦從 12.5MHz 再慢慢提升到最後的 40MHz 。

要留意 80386 亦有不同的版本,例如 80386-SX 就是廉價版本,價錢只是 80386 的三份之一,但它 external data bus 只有 16-bit ,Address Bus 亦只有 24-bit,是方便 80286 用家升級的作品,亦有低功率版本的 80386-SL 、80386-DL 等低功耗版本。

雖然是 1985 年的品,但足足生產超過跨越 21 年,直到 2007 年才正式停產,它曾經曾經用在 BlackBerry 與 Nokia 手機上面採用過,它的下一代在 1989 年面世,就是最後一代以數字命名的 Intel x86 微處理器:80486。

Intel 80386

內置快取晶片、FPU 的 Intel 486

到了 Intel 80486 就成為了處理器的一個「戰國時代」,當時除了 Intel 以外 IBM 、Cyrix 、德州儀器等廠商都推出自己的 x86 晶片,相對於前一代在軟件方面並無什麼變化,獨特的是硬件結構。

在 Intel 80486 之前微處理器是沒有快取晶片和 FPU (浮點處理器),這兩個對於現在尋常的組件當時都是獨立配置,速度甚至達到 80386 兩倍以上,同時 Intel 推出沒有 FPU 的 80486SX 、80486 SX2 ,當年的處理器時脈由 16MHz 至 100MHz 不等,廠商間亦進行 x86 處理器速度的軍事競賽。

在那個年代另一個重要的概念是「倍頻」,以 Intel 80486 DX2 為例,它就採用 2 倍倍率加速,尤其《龍珠》裡的「界王拳」,當時的 Intel 80486 DX4 能達到 3 倍倍頻,是效能發燒友夢寐以求的玩意。

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TechApple 編輯部: Intel 成為電腦處理器巨頭的原因-x86

為什麼現在各大品牌的電腦都在用 Intel 處理器?看完 x86 的簡介大家可能略知一二,在 80486 之後開啟了 Pentium 時代,直到現在的 Core i3 、Corie i5 都沿用最初的架構理念,但大家留意生產 x86 架構處理器的不只有 Intel ,還有 AMD 、已經被收購的 Cyrix 、NexGen ,日廠 NEC 等等。

在普及幾十年之後在筆電採用 x86 是否一個不可逆的潮流?事實上 Microsoft 推出過的 Surface RT 就採用 ARM 架構,因為應用程式不足而得到劣評,甚至沒有繼任產品;而 ChromeBook 上的 ChromeOS 因為結合了 Chrome 瀏覽器和 Linux ,可以在 ARM 或 x86 平台上執行,他們亦希望把 Android Apps 引入,但主流仍是採用 x86 處理器,能否在創造 ARM 筆電的潮流,亦不是短期可完成的任務。

TechApple.com 編輯部

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