Architecture x86

x86

Un processeur Intel 80486 SX 25

x86 est la dénomination de la famille de microprocesseurs compatibles avec le jeu d'instructions de l'Intel 8086. Les différents constructeurs de microprocesseurs pour PC se doivent de maintenir une compatibilité ascendante afin que les anciens logiciels fonctionnent sur les nouveaux microprocesseurs. L'architecture de la série x86 à partir du Pentium a été nommée IA-32 par Intel.

Sommaire

Historique

À l'origine de conception CISC, les nouvelles générations ont été de plus en plus conçues comme des processeurs RISC, les instructions complexes étant transformées dans le microprocesseur en instructions plus élémentaires.

Cette famille de processeurs, dont le Pentium est emblématique, est en train de passer au 64 bit. La gamme AMD64 (Opteron, Athlon 64, Athlon 64 X2, Athlon 64 FX, Sempron et Turion) d'AMD introduisent des extensions 64 bits, intégrées partiellement un an plus tard par Intel avec les instructions Intel 64 ou EM64T. Intel propose également une architecture 64 bit IA-64, différente et incompatible, pour ses processeurs Itanium et Itanium 2.

Chronologie

Le tableau ci-dessous dresse une liste non exhaustive des processeurs grand public[1] implementant le jeu d'instruction x86, regroupés par générations qui décrivent les évolutions importantes dans l'histoire du x86.

Generation Date de parution Principaux models grand public Espace d'adressage linéaire/physique Principales évolutions
1 1978 Intel 8086, Intel 8088 16-bit / 20-bit (segmenté) premiers processeurs x86
2 1982 Intel 80186, Intel 80188, NEC V20/V30 calcul rapide des addresses en hardware, operations rapides (division, multiplication, etc)
Intel 80286 16-bit (30-bit virtuel) / 24-bit (segmenté) MMU(Memory Management Unit), pour permettre le mode_protégé et un plus grand espace d'adressage
3 (IA-32) 1985 Intel386, AMD Am386 32-bit (46-bit virtuel) / 32-bit jeu d'instructions 32-bit, MMU avec pagination
4 1989 Intel486, AMD Am486 Pipeline de type RISC, FPU et Mémoire Cache intégrés
5 1993 Pentium, Pentium MMX Processeur superscalaire, 64-bit bus de données, FPU plus rapide, MMX
5/6 1996 Cyrix 6x86, Cyrix MII, Cyrix III (2000) / VIA C3 (2001) Renommage de registres, exécution spéculative
6 1995 Pentium Pro, AMD K5, Nx586 (1994), Rise mP6 idem / 36-bit physique (PAE)

traduction des micro-instructions, PAE (Pentium Pro), cache L2 intégré (Pentium Pro)

1997 AMD K6/-2/3, Pentium II/III, IDT/Centaur-C6 support du cache L3, 3DNow!, SSE
7 1999 Athlon, Athlon XP FPU superscalaire, meilleur conception (jusqu'a 3 instructions x86 par top d'horloge)
2000 Pentium 4 pipeline profond, haute fréquence, SSE2, hyper-threading
6-M/7-M 2003 Pentium M, Intel Core, VIA C7 (2005) optimisé pour une faible consommation d'énergie
8 (x86-64) Athlon 64, Opteron 64-bit / 40-bit physique dans la première implémentation AMD. jeu d'instructions x86-64,

controleur mémoire intégré, HyperTransport

2004 Pentium 4 Prescott pipeline très profond, très hautre fréquence, SSE3
9 2006 Intel Core 2 faible consommation d'énergie, multi coeur, fréquence d'horloge plus faible, SSE4 (Penryn)
10 2007 AMD Phenom idem / 48-bit physique pour le Phenom d'AMD quad-core monolithique, FPU 128-bit, SSE4a, HyperTransport 3

ou QuickPath, conception modulaire

 ? 2008 Intel Atom, Intel Core i7 In-order mais fort pipeline, très faible consommation d'énergie, controleur mémoire natif, cache L3 intégré
VIA Nano Out-of-order, superscalaire, cryptage matériel, très faible consommation d'énergie, gestion de l'énergie adaptative
11 2010 Intel Sandy Bridge, AMD Bulldozer SSE5/AVX, conception hautement modulaire

Architecture

La conception de la gamme x86 a mis l'accent sur la compatibilité ascendante. Ainsi, les générations successives de processeurs admettent plusieurs modes de fonctionnement, qui diffèrent en particulier du point de vue de l'accès à la mémoire.

Accès mémoire

Les possibilités d'adressage mémoire de la gamme x86 remontent au 8080, qui avait 16 bits de bus d'adresse et pouvait donc accéder à 64 Kio de mémoire.

Le 8086, pour faciliter le passage du 8080 au 8086, introduit l'adressage segmenté, où l'adresse référencée par segment:offset est segment · 0x10 + offset, avec segment et offset tous deux sur 16 bits. Cela fournit 1 Mio de mémoire adressable, divisée en segments de 64 Kio, un segment commençant tous les 16 octets. Le processeur a 4 registres de segment : un pour le code, un pour les données, un pour la pile et un supplémentaire (qui sert entre autres de destination dans les instructions de copie de chaînes de caractères). Intel introduit des « modèles mémoire ». Dans le modèle tiny, qui imite le modèle mémoire du 8080, tous les registres de segments ont la même valeur et on accède donc effectivement à 64 Kio de mémoire. C'est le modèle utilisé, sous DOS, par les exécutables .com. Dans le modèle small, les registres ont des valeurs différentes mais ne changent pas : on a donc 64 Kio pour le code, 64 Kio pour les données, 64 Kio pour la pile. Pour manipuler plus de mémoire, il faut faire des accès « far », c'est-à-dire aller chercher le mot en mémoire en changeant d'abord la valeur du registre de segment, puis en lisant le segment à l'offset voulu. Le modèle « large » fait des accès far dans le code et les données et donc utilise effectivement le mébi-octet d'espace adressable. Les modèles medium (64 Kio de données, plusieurs segments de code) et compact (plusieurs segments de données, 64 Kio de code) sont des compromis.

Le 80286 brise la barrière des 1 024 Kio en introduisant le mode protégé : les segments ne se réfèrent plus à l'adresse segment·0x10 mais à une table (la GDT -- ou la LDT) qui maintient en plus les informations de protection. L'espace adressable est de 16 Mio, l'espace virtuel est potentiellement de 1 Gio, un segment ne peut pas dépasser 64 Kio. Avec le 386, Intel introduit un processeur 32 bit. Les segments peuvent être aussi gros que tout l'espace adressable, soit 4 Gio. La pagination vient s'ajouter à la segmentation.

Voir aussi

References

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