CPU架构和指令集

一 、CPU架构

不同的CPU架构通常使用不同的指令集。每种CPU架构都有其自己的一组特定的机器指令，这些指令用于执行计算机程序。不同的CPU架构之间的指令集是不兼容的，这意味着编写的程序通常需要根据目标CPU的架构进行编译或汇编，以确保它们能够在该CPU上正确运行。

一些常见的CPU架构包括：

1. x86架构：这是一种广泛使用的CPU架构，英特尔和AMD的“专属”，常见于个人计算机。Intel从16位微处理器8086开始的整个CPU芯片系列，系列中的每种型号都保持与以前的各种型号兼容，主要有8086，8088（16位），80186，80286（过渡产品），80386，80486以及以后各种型号的Pentium芯片（32位CPU），通常所说的x86都是指32位CPU

   • i386：其实就是指Intel 80386，是第一个32位的x86架构的处理器，所有intel早期的cpu，amd早期的cpu都支持这种指令集，intel官方文档里面称为“IA-32”（安腾）
   • AMD64：在原始32位X86指令集的基础上加入了X86-64扩展64位X86指令集，使这款芯片在硬件上兼容原来的32位X86软件，并同时支持X86-64的扩展64位计算
   • x86-64：AMD比Intel率先制造出了商用的兼容x86的CPU，AMD称之为AMD64，后来Intel也开始支持AMD64的指令集，但是换了个名字，叫x86_64，表示是x86指令集的64位扩展

2. ARM架构：ARM是一种低功耗、广泛应用于移动端和便携设备的CPU架构。ARM指令集包括一系列ARM汇编指令，用于执行各种操作，包括数据处理、分支、加载/存储等

3. MIPS架构：MIPS是一种用于嵌入式系统（网关和机顶盒）和一些服务器领域的CPU架构，其指令集包括一组MIPS汇编指令，用于执行各种任务。

在不严格要求的情况下：

• x86=i386=IA32
• amd64=x86_64=x64!=IA64（纯64架构，不兼容32位，被市场抛弃）

AMD 和 Intel 在它们的CPU中实现了一些不同的指令集扩展。这些扩展通常是为了提供更好的性能、安全性或能力。一些著名的扩展包括：

1. SSE (Streaming SIMD Extensions)：基于x86体系架构的实现，用于加速多媒体数据处理，如图像处理和音频处理
2. AVX (Advanced Vector Extensions)：基于x86体系结构的实现。它是由Intel首次引入的，用于加速向量化计算
3. AES-NI (Advanced Encryption Standard New Instructions)：基于x86和x86-64体系结构的指令集扩展，旨在提高加密和解密操作的性能
4. AMD64 和 Intel 64：虽然它们都是基于x86的64位扩展，但AMD和Intel的64位实现在某些方面略有不同，尽管它们兼容
5. 虚拟化指令集

厂商开发兼容某种指令集的CPU需要指令集专利持有者授权，典型的例如：Intel授权AMD，使后者可开发兼容x86指令集的CPU。

如果从最基本的逻辑角度来对指令集进行分类的话，可以分为两大类，即所谓的“复杂指令集CISC”与“精简指令集RISC”系统，x86是CISC。

二、操作系统和CPU

不同的CPU有不同的指令集，所以同一个操作系统在不同CPU上运行的是不同的“代码”。

那么，同一个操作系统为不同cpu要写好几遍，也太繁琐了吧。是的，在高级编程语言发明前确实是这样的。但是当高级编程语言（特别是C语言）发明后，操作系统的大部份都是用高级编程语言写的。对于不同的CPU指令集，人们只需要选用相应的编译器（高程程序语言到相应CPU指令集的翻译程序），编译一下就好了。

三、CPU的位数和字长

要设计处理器，首先就需要有指令集，规定处理器相应操作，通过指令集去控制处理器实现相应功能，比如说输入11111111时CPU就会去怎么操作（汇编其实就是用助记符来表示指令集的某一机器指令）。

软件（包括操作系统）之所以会有x86和x64的区分，是因为它们需要与特定的处理器架构兼容。不同的处理器架构具有不同的指令集和寄存器大小，因此软件必须根据目标处理器的架构进行编译和优化。由于x86和x64处理器的寄存器大小和内存访问方式等方面存在差异，编译器需要根据目标架构的特性进行优化和调整。因此，相同的代码在编译为x86和x64时，生成的机器码会有所不同。在程序进行编译的时候会去选择目标平台的位数、操作系统和处理器架构等，如果软件是针对x86指令集编译的，它将只能在x86的CPU上运行，而无法在x64的CPU上运行。

x86和x64使用的是同一套指令集，即x86指令集。x64是x86指令集的64位扩展，但它仍然兼容32位的x86指令集。这意味着x64处理器可以运行32位的操作系统和应用程序，同时也能够运行64位的操作系统和应用程序。

CPU位数（机器字长）= CPU中寄存器的位数

地址总线的位数决定了CPU的寻址能力，它不一定和CPU位数相同，比如早期16位的CPU使用的是20位的地址总线，通过段地址的方式来实现20位的寻址。而现在64位的CPU一般用的也就是40位的地址总线，因为没有那么大的地址寻址的需求。而如果数据总线的长度小于字长的话，那么会浪费cpu的处理能力，大于字长的话，传动过来的数据cpu一次处理不完，所以一般数据总线的长度等于字长。

操作系统也有位数，操作系统的位数是依赖于指令集架构的，比如操作系统可能会写着"64位操作系统，基于x64的处理器"。它是假定操作系统就是工作在x64的处理器上，操作系统里会去用到64位的寄存器，这也意味着CPU的位数至少是64，当然也可以更大，比如32位操作系统是可以工作在64位的CPU上的。