坑苦了操作系統(tǒng)的x86處理器到底哪里難做？
2020-10-04 14:20:27 科技新報(bào)（臺(tái)） 作者：癡漢水球相信各位一直會(huì)有相同疑惑：為何今天的x86 處理器市場(chǎng)，臺(tái)面上只剩下英特爾和AMD 兩家美國(guó)公司？頂多再加個(gè)存在感稀薄的臺(tái)灣VIA，和少人知悉的俄羅斯Elbrus？對(duì)技術(shù)有點(diǎn)基礎(chǔ)認(rèn)知的人，多少會(huì)直接想到「x86 指令集很復(fù)雜很難搞，又有英特爾的授權(quán)問(wèn)題，所以x86 處理器非常不好做」之類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)答案。
當(dāng)然，更不乏某些夜郎自大的高論，像「就算x86 指令集再?gòu)?fù)雜，控制單元也還是很好設(shè)計(jì)」、「微指令轉(zhuǎn)譯早就克服了所有x86 指令集的瓶頸」等。拜托，「做出勉強(qiáng)能動(dòng)的東西」和「開(kāi)發(fā)出有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品」完全是天差地別的兩件事，要不然你以為英特爾和AMD 天文數(shù)字般的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)，都拿去填海了嗎？
總之，高效能x86 處理器之所以難做，混雜了諸多技術(shù)和商業(yè)因素，暗藏在臺(tái)面下的細(xì)節(jié)非外人足以道也。但我們可以回到x86 處理器最重要的歷史轉(zhuǎn)捩點(diǎn)：1993年P(guān)entium 處理器，抽絲剝繭一般人難以察覺(jué)到的蛛絲馬跡。
以「唯偏執(zhí)狂得以生存」（Only theParanoid Survive）留名于世的英特爾創(chuàng)辦人之一安迪·葛洛夫(Andy Grove) 曾經(jīng)說(shuō)，2003 年的Centrino 是英特爾的「第二個(gè)兒子」與「十年來(lái)最重要的品牌」 ，那「第一個(gè)兒子」和「十年前最重要的品牌」，想當(dāng)然爾就是1993 年的Pentium 了。
Pentium 之名起源于希臘文的Penta（意思是「五」），再加上拉丁文的ium 結(jié)尾，意指「第五代x86 處理器」，英特爾自此也不再使用80×86 來(lái)定義處理器世代（要不然現(xiàn)在還真的講不出來(lái)到底是「幾86」）。而Pentium 也在不知不覺(jué)中，一步步轉(zhuǎn)型為入門(mén)級(jí)低價(jià)處理器品牌，更不再受限于1993 年的P5，進(jìn)而橫跨歷代英特爾的超標(biāo)量（Superscalar）x86 微架構(gòu)。
原始Pentium 里的P5 處理器微架構(gòu)，并沒(méi)有像后繼Pentium Pro 的P6 活得如此之長(zhǎng)，影響又如此深遠(yuǎn)（到2011 年Sandy Bridge 才結(jié)束）。但Pentium 問(wèn)世的時(shí)機(jī)，卻是眾多歷史機(jī)運(yùn)的集大成：
這些因素交錯(cuò)，奠定了之后25 年技術(shù)演進(jìn)與市場(chǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)邏輯，連時(shí)下「AMD 處理器的核心太多，竟然造成Windows 操作系統(tǒng)的大麻煩」，也和Pentium 留下的遺產(chǎn)，多少有些千絲萬(wàn)縷的糾結(jié)。
既然連AMD Zen成功的背后，都有這么多不為人知的故事，了解英特爾「Landmark」芯片Pentium的軌跡，將有助跳脫琳瑯滿(mǎn)目的技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)名詞，重新建立屬于自己的「x86處理器世界觀」，值得各位細(xì)細(xì)品味。
x86 指令集先天不足后天失調(diào)的原罪
催生「計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)」（ComputerArchitecture）一詞的「指令集架構(gòu)」（Instruction Set Architecture），為「電腦的基礎(chǔ)語(yǔ)言」與「軟硬件中間的接口」（Interface Between Hardware and Software），相同指令集的電腦理應(yīng)可執(zhí)行一樣軟件，具備彼此兼容性，對(duì)電腦與處理器微架構(gòu)（Microarchitecture）的未來(lái)發(fā)展有舉足輕重的影響力。
不同的時(shí)空背景，也會(huì)產(chǎn)生相異的指令集設(shè)計(jì)理念，沒(méi)有絕對(duì)的優(yōu)劣對(duì)錯(cuò)──x86算是少見(jiàn)的例外，另一個(gè)則是DEC VAX，兩者的共同點(diǎn)只有「著毋庸議」的糟糕，英特爾IA-64（Itanium）和DEC Alpha的激烈反動(dòng)，足以證明連生父都如此厭惡小孩。
說(shuō)到指令集架構(gòu)如何影響處理器微架構(gòu)的設(shè)計(jì)，這幾年來(lái)最有名的實(shí)例，就是蘋(píng)果利用充分掌握封閉平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在「最短時(shí)間內(nèi)驅(qū)逐32位元應(yīng)用程序」，掌握ARM指令集邁向64位元的過(guò)程帶來(lái)的改革與機(jī)會(huì)，讓A7之后的自家ARM處理器，徹底為64位元的ARMv8-A量身訂做，研發(fā)出一系列能同時(shí)有效處理更多指令的先進(jìn)微架構(gòu)。
所謂的CISC（復(fù)雜指令集電腦）出自存儲(chǔ)器容量稀少、缺乏成熟的高級(jí)語(yǔ)言編譯器、大多數(shù)人使用語(yǔ)言撰寫(xiě)程序的時(shí)空背景，程序設(shè)計(jì)者寄望直接用透過(guò)微碼（Microcode）組成功能強(qiáng)大的單一指令，像十進(jìn)位數(shù)字和復(fù)雜字串處理等，撰寫(xiě)應(yīng)用程序。
相較之下，RISC（精簡(jiǎn)指令集電腦）則是在「萬(wàn)事皆備」的環(huán)境，追求更快更便宜的電腦，將晶體管預(yù)算砸在「最經(jīng)常被使用的簡(jiǎn)單指令和運(yùn)算元定址模式」的刀口上，盡量用硬件線(xiàn)路去取代微碼，并藉由強(qiáng)制僅載入（Load）／儲(chǔ)存（Store）指令可存取存儲(chǔ)器，搭配大型化的數(shù)據(jù)寄存器與快取存儲(chǔ)器，填補(bǔ)處理器和存儲(chǔ)器之間越來(lái)越大的效率鴻溝。
時(shí)過(guò)境遷，在x86 主宰云端數(shù)據(jù)中心、中低端服務(wù)器、工作站、桌面機(jī)一路到筆電的今日，可能已經(jīng)沒(méi)有多少人能回想起「RISC 與CISC 之爭(zhēng)」曾發(fā)生在1990 年代初期的史跡，但畢竟x86 指令集公認(rèn)是充滿(mǎn)缺陷的產(chǎn)物，連當(dāng)代最偉大的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)教科書(shū)都「白紙黑字」并「燒錄」于無(wú)數(shù)莘莘學(xué)子的腦中，而AMD K5 的創(chuàng)造者更是用一句「毫無(wú)道理可循」（it just doesn'tmake a lot of sense）一錘定音，幾無(wú)爭(zhēng)議空間。
讓人滿(mǎn)臉黑線(xiàn)的，只有動(dòng)輒揮出「逆向思考全壘打」的大恩大德，將x86 的市場(chǎng)勝利，視為「x86 指令集架構(gòu)優(yōu)良」佐證的天真論點(diǎn)，并時(shí)有所聞，連ARM 都比x86 更「存儲(chǔ)器存取密集」（Memory-Intensive）這種話(huà)都講得出口。
我們先來(lái)瞧瞧當(dāng)年AMD K5 的總工程師Mike Johnson 怎么評(píng)論x86 指令集，由設(shè)計(jì)x86 處理器的大師級(jí)人物（他本人的確是超標(biāo)量流水線(xiàn)技術(shù)的先驅(qū)者，那份變成首本超標(biāo)量技術(shù)專(zhuān)書(shū)的史丹佛大學(xué)博士論文非常有名，附錄更深度分析設(shè)計(jì)超標(biāo)量x86 處理器的困難點(diǎn)）寫(xiě)出來(lái)的批評(píng)，特別有說(shuō)服力，也一再被后人引述：
The complexity of the x86 is not animpassable barrier. The x86 really isn't all that complex—it just doesn't make a lotof sense…. The biggest weakness in the x86 instructionset is the lack of registers coupled with an extremely painful addressingscheme.
從這短短一段話(huà)，可看到幾個(gè)重點(diǎn)：
「毫無(wú)道理可循」（doesn't make a lotof sense）：相較于指令編碼程度統(tǒng)──4 Bytes（32 bits）的多數(shù)RISC體系，x86指令集的格式和編碼極度混亂，長(zhǎng)短粗細(xì)肥瘦不一，從1~17 Bytes都有可能。影響所及，遍及所有的環(huán)節(jié)，從快取存儲(chǔ)器擷取指令、實(shí)作指令流水線(xiàn)化，到處理器發(fā)生中斷例外時(shí)要迅速儲(chǔ)存執(zhí)行狀態(tài)并盡快回復(fù)等，都造成非常嚴(yán)重的后遺癥，激增研制高效能x86處理器的門(mén)檻，也增加驗(yàn)證產(chǎn)品的時(shí)間與成本。
「缺乏足夠的寄存器」（the lack ofregisters）：一般RISC指令集都會(huì)定義32個(gè)通用數(shù)據(jù)寄存器（講的精確一點(diǎn)是31個(gè)）或浮點(diǎn)運(yùn)算寄存器，但x86在64位元和AVX之前，怎么樣都只有少少的8個(gè)（因?yàn)橐鄣鬍SP和EBP，說(shuō)6個(gè)或許比較貼切）。當(dāng)引進(jìn)指令流水線(xiàn)化和更先進(jìn)的超標(biāo)量流水線(xiàn)后，自然就激增了寄存器沖突的機(jī)率，這也是激發(fā)x86處理器擁有強(qiáng)大非循序指令執(zhí)行（寄存器重新更名）與高效率存儲(chǔ)器子系統(tǒng)的主因。
「讓人感到極度痛苦的定址模式」（extremelypainful addressing scheme）：定址模式講得白話(huà)一點(diǎn)是「存取所需運(yùn)算元（運(yùn)算的目標(biāo)，例如某個(gè)寄存器或某個(gè)存儲(chǔ)器位址）的方式」，歷經(jīng)多年疊床架屋的x86定址模式，尤其是惡名昭彰的節(jié)區(qū)存儲(chǔ)器（Segmentation），不只加重產(chǎn)生有效位址的工作負(fù)荷，也激增整數(shù)邏輯運(yùn)算（ALU）和控制單元的復(fù)雜度，「副作用」跟第一項(xiàng)「毫無(wú)道理可尋」可謂不相上下。
這些燙手山竽，就是1980 年代末期和1990 年代初期，眾多企圖研制高效能x86 處理器的有志之士，包含不小心制造出這些「炸彈」的英特爾，不得不面對(duì)并設(shè)法克服的挑戰(zhàn)，身為x86 世界首顆「超標(biāo)量（Superscalar）流水線(xiàn)」處理器的Pentium，則是第一個(gè)提出的「有效解決方案」，英特爾為此付出了不小代價(jià)。
一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一個(gè)以上指令的「超標(biāo)量流水線(xiàn)」
近似近代工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)的概念，讓所有人都「閑閑有事做」的流水線(xiàn)化（Pipeline）一直是提高效率的最基本手段，80386 的預(yù)先指令擷取（Prefetch）已有雛型，而80486 是x86世界首款真正達(dá)成指令流水線(xiàn)化的處理器，為了確保存儲(chǔ)器跟得上運(yùn)算需求，也配置指令／數(shù)據(jù)共用的第一階快取存儲(chǔ)器，雖然真正「每個(gè)時(shí)鐘周期都可穩(wěn)定輸出」者，也只限于簡(jiǎn)單的整數(shù)邏輯運(yùn)算指令。
「一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一個(gè)以上指令」的超標(biāo)量流水線(xiàn)（Superscalar），早在1965 年發(fā)跡于RISC 始祖的CDC6600，1980年代陸續(xù)出現(xiàn)在RISC 處理器，如1985 年P(guān)ower 前身的IBM「America」計(jì)劃（也是「超標(biāo)量」一詞由來(lái)）、1988 年Motorola MC88100、1989 年英特爾i960CA、1990年AMD 29050 等。各位絕對(duì)沒(méi)看錯(cuò)，英特爾、AMD 也做過(guò)RISC 處理器。
指令流水線(xiàn)化、超標(biāo)量流水線(xiàn)、非循序指令執(zhí)行、大型化快取存儲(chǔ)器等常見(jiàn)的效能加速手段，清一色優(yōu)先降臨RISC 處理器的原因，也很簡(jiǎn)單：RISC 指令集的單純性與簡(jiǎn)潔性，讓設(shè)計(jì)者更輕易導(dǎo)入這些技術(shù)，并用更短的時(shí)間完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證。
1990 年代上半期，一提到高效能處理器，幾乎都由RISC 獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，像至今碩果僅存的IBM Power、HP 的PA-RISC、SGI 的MIPS、Sun 的UltraSPARC、Fujitsu 的SPARC64及充滿(mǎn)傳奇色彩的DEC Alpha 等，這也是「RISC 優(yōu)于CISC」的理論基礎(chǔ)。
但「理論」是一回事，不代表CISC 的x86「實(shí)務(wù)上」做不到，更何況又是擁有一整支龐大「研發(fā)軍隊(duì)」的英特爾，革命性的第五世代x86處理器Pentium 在1993年3 月22 日登上歷史舞臺(tái)，不只要迎擊來(lái)自AMD、Cyrix、NexGen（被AMD 購(gòu)并，Nx686 變成K6）的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品（之后還多出Centaur 和Transmeta），更要面對(duì)AIM 聯(lián)盟（Apple、 IBM、Mororola，不是美國(guó)的空對(duì)空飛彈）PowerPC 的挑戰(zhàn)，后者享有威鎮(zhèn)四方的「RISC 王者」IBM Power 當(dāng)強(qiáng)大后盾，市面更不乏「專(zhuān)書(shū)」鼓吹PowerPC 相對(duì)x86 的優(yōu)越性，把Pentium批評(píng)得一文不值。
更扯的是，意圖搶奪英特爾勢(shì)力范圍的IBM 還開(kāi)發(fā)了「腳位與Pentium 兼容，可以同等效率硬件執(zhí)行x86 程序碼，并兼具32 / 64 位元PowerPC 指令集兼容性」的PowerPC 615，要不是微軟可能覺(jué)得難搞，不符成本效益，拒絕支持這顆處理器，導(dǎo)致永遠(yuǎn)無(wú)法量產(chǎn)，英特爾的處境會(huì)更危險(xiǎn)。至于PowerPC 615 取消后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)就投靠Transmeta，接著就無(wú)疾而終了。
也許各位難以想像「為什么x86 會(huì)受PowerPC 威脅，不是屬于不同市場(chǎng)嗎」，但此時(shí)此刻，沒(méi)半個(gè)正常人會(huì)將連服務(wù)器市場(chǎng)邊都沾不上的x86 和「高效能」三個(gè)字聯(lián)想在一起，甚至連那時(shí)候英特爾內(nèi)部，都很少人愿意相信x86 還有未來(lái)性，否則也不會(huì)出現(xiàn)IA-64 指令集和Itanium 處理器了。況且微軟1993 年7 月發(fā)表未來(lái)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)的WindowsNT，打從一開(kāi)始就同時(shí)支持x86、MIPS 和Alpha 三版本，之后還加碼PowerPC 和IA-64，「不將雞蛋放在同一個(gè)籃子里」意圖太明顯了。
換句話(huà)說(shuō)，英特爾當(dāng)時(shí)的戰(zhàn)略地位，并不像今天如此牢不可破，更早在1990 年同步啟動(dòng)第六世代Pentium Pro 研發(fā)案，完全沒(méi)有承受失敗的本錢(qián)與余裕。
天底下沒(méi)有白吃的午餐
Pentium 是如假包換的x86 世界首款超標(biāo)量處理器，可在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行最多兩個(gè)指令，整體結(jié)構(gòu)近似雙重流水線(xiàn)的「放大發(fā)展版」80486，但也因扛著x86指令集的原罪，由外到內(nèi)付出了不少代價(jià)。爬文至此，建議各位回頭復(fù)習(xí)一次Mike Johnson 評(píng)論的3 個(gè)重點(diǎn)，你一定會(huì)更有感觸。
我們光從初代Pentium（P5）的晶粒圖，即可清楚看到x86 兼容性的代價(jià)：大型化的快取存儲(chǔ)器（盡管實(shí)質(zhì)容量不高，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻出奇復(fù)雜）、巨大的指令擷取單元、解碼與復(fù)雜指令微碼控制單元（Complex Instruction Support），這也是日后所有高效能x86 處理器的共同特色。
指令／數(shù)據(jù)分而治之的第一階快取存儲(chǔ)器：x86指令集因缺乏足夠的數(shù)據(jù)寄存器，且包含了大量「寄存器／存儲(chǔ)器互通有無(wú)」與直接以存儲(chǔ)器為運(yùn)算目標(biāo)的指令，不像RISC的「載入／儲(chǔ)存」架構(gòu)「一次從存儲(chǔ)器抓了大量數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)，算完后再一次性丟回存儲(chǔ)器」，特別需要強(qiáng)力的存儲(chǔ)器子系統(tǒng)，所以采用指令／數(shù)據(jù)分開(kāi)的第一階快取存儲(chǔ)器，確保兩邊足以喂飽個(gè)別的需求。而Pentium的指令快取和數(shù)據(jù)快取，更是各自大有文章。
前面有提及「x86 指令最大長(zhǎng)度是17Bytes」，Pentium 第一階指令快取的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是以?xún)蓚€(gè)最小存取單位16Bytes 區(qū)塊，組成單一32Bytes 的快取線(xiàn)（Cache-Line），假若發(fā)生最糟糕的情況，17Bytes 長(zhǎng)度的指令「橫跨」了兩條32Bytes 快取線(xiàn)，但仍希望一次擷取到指令流水線(xiàn)，那該怎么辦？Pentium 導(dǎo)入跨指令線(xiàn)分離式擷取（Split Fetch），可連續(xù)讀取橫跨邊界的兩條16Bytes 最小區(qū)塊，而指令讀取緩沖區(qū)也是4 倍于80486 的128Bytes，以確保擷取指令的效率可「喂飽」兩條流水線(xiàn)的指令解碼器。
順便對(duì)照一下從NexGen Nx686 發(fā)展而來(lái)的AMD K6。AMD 取消了兩倍核心時(shí)鐘頻率的第一階快取存儲(chǔ)器，但除了既有的預(yù)先解碼位元（Pre-decoded Bits）用來(lái)標(biāo)定指令邊界，再追加第二個(gè)指令存取埠，以應(yīng)付這種狀況。反正各家廠(chǎng)商都各顯神通，直到可降低指令解碼器使用率的微指令快取（uOp cache）同時(shí)成為英特爾和AMD 的制式武裝為止。
數(shù)據(jù)快取亦不遑多讓?zhuān)瑪?shù)據(jù)快取具備3 個(gè)存取埠，可同時(shí)應(yīng)付來(lái)自快取數(shù)據(jù)一致性協(xié)定與雙重執(zhí)行流水線(xiàn)的需要，更進(jìn)一步將每條32Bytes 快取線(xiàn)，切成彼此交錯(cuò)的8 個(gè)獨(dú)立4Bytes「Bank」，只要兩個(gè)數(shù)據(jù)存取需求不會(huì)同時(shí)使用同一個(gè)Bank，即可在單一時(shí)鐘周期內(nèi)搞定。這是計(jì)算機(jī)工業(yè)史上的第一次嘗試，但這也大幅加重了快取存儲(chǔ)器的復(fù)雜度，也連帶不得不強(qiáng)化配置數(shù)據(jù)快取的虛擬／實(shí)體位址轉(zhuǎn)換緩沖區(qū)（TLB，Translation-Lookaside Buffer ），并新增判斷Bank 是否發(fā)生沖突的功能電路。
巨大的微程序只讀存儲(chǔ)器：基于「加速常用的簡(jiǎn)單指令」的理念，Pentium 的指令解碼器可直接硬體解碼大多數(shù)「寄存器→存儲(chǔ)器」與「存儲(chǔ)器→寄存器」之類(lèi)的「相對(duì)簡(jiǎn)單」運(yùn)算指令，但 x86 歷代累積下來(lái)的龐大復(fù)雜指令，還是需要?jiǎng)佑梦⒋a組成微程序產(chǎn)生控制訊號(hào)。
Pentium 的單一微碼字元長(zhǎng)度是 92Bits，總共存放了 4K 數(shù)量。換言之，產(chǎn)生了高達(dá) 47kB 容量的只讀存儲(chǔ)器（ROM）空間，還遠(yuǎn)多于第一級(jí)快取記憶體的容量（8kB＋8kB），相當(dāng)驚人，老舊指令兼容性帶來(lái)的巨大負(fù)擔(dān)，由此可見(jiàn)一斑，這就是維持回溯兼容性，所必須付出的昂貴代價(jià)。
4 個(gè)輸入的位址計(jì)算單元：一套所謂「復(fù)雜」的指令集，除了不規(guī)則的指令編碼長(zhǎng)度，亂無(wú)章法的運(yùn)算元定址模式和存儲(chǔ)器定址，更是必備的條件（可回顧一下 AMD Mike Johnson 講過(guò)的話(huà)）。實(shí)現(xiàn)高效能的超標(biāo)量流水線(xiàn) x86 處理器，并非只需弄好流水線(xiàn)前端的指令擷取、解碼，與執(zhí)行階段的存取存儲(chǔ)器，高效率的有效位址計(jì)算（Address Calculation）能力，更是 x86 有別于 RISC 體系的一大差異點(diǎn)，坊間人云亦云、積非成是的「x86 處理器只有指令解碼器比較難做」完全是大錯(cuò)特錯(cuò)的誤解。
為了加速存儲(chǔ)器位址計(jì)算，讓執(zhí)行單位盡快得到「運(yùn)算目標(biāo)」，Pentium 的兩條指令流水線(xiàn)個(gè)別有一套 4 個(gè)輸入值的加法器（4-Input Address Adder），對(duì)應(yīng) x86 指令集產(chǎn)生有效位址的 4 個(gè)數(shù)字：
節(jié)區(qū)描述器（Segment Descriptor）提供的基底值（Base）。
來(lái)自通用寄存器的基底位址（Base Address）。
取自通用寄存器的索引值（Index，再加上scale）。
指令編碼附上的的移位值（Displacement）。
因此部分僅支持 3 個(gè)輸出值的 486，需耗費(fèi)兩個(gè)時(shí)鐘周期完成位址計(jì)算的復(fù)雜指令，Pentium 只需一個(gè)時(shí)鐘周期週期即可，更利于流水線(xiàn)化執(zhí)行指令。
但慘劇尚未劃下句點(diǎn)，x86 的節(jié)區(qū)存儲(chǔ)器（Segment），必須強(qiáng)制檢驗(yàn)每個(gè)節(jié)區(qū)的大小，確保存儲(chǔ)器運(yùn)算元落在節(jié)區(qū)描述器所定義的存儲(chǔ)器范圍內(nèi)。80286 時(shí)代的保護(hù)模式，節(jié)區(qū)描述器會(huì)影響節(jié)區(qū)位置與體積的參數(shù)，總計(jì)有：
處理器需采取不同的方式計(jì)算最高與最低位址，結(jié)果Pentium的兩條指令流水線(xiàn)，為此個(gè)別又得「再」加上一套4 個(gè)輸入值的加法器（4-Input Segment-Check Adder） ，為檢查節(jié)區(qū)正確性之用，而486的情況如上述位址產(chǎn)生器，須耗費(fèi)更多時(shí)鐘周期做這件事。
為何「位址計(jì)算單元」一向是歷代x86 處理器增加執(zhí)行單元的重頭戲，原因就在此。Windows 95 刺激個(gè)人電腦普及的年代，「32 位元最佳化」的Pentium Pro 被批評(píng)「16 位元效能不佳」就因動(dòng)到數(shù)據(jù)節(jié)區(qū)寄存器的指令，無(wú)法被非循序預(yù)測(cè)執(zhí)行，會(huì)讓隨后的指令上演大塞車(chē)，到了Pentium II 才修正。即使假以時(shí)日，這些老舊包袱的使用率只會(huì)越來(lái)越低，也早不再是改善效能的重點(diǎn)，但也沒(méi)人膽敢冒著犧牲軟件兼容性的風(fēng)險(xiǎn)，根除這些歷史遺跡。
正面對(duì)決PowerPC 且落居下風(fēng)
相較于同時(shí)期且較早推出的超標(biāo)量RISC 處理器，就可明顯看出x86 指令集的復(fù)雜度造成的負(fù)面影響。
以1993 年秋季上市的IBM PowerPC 601 為例，晶體管數(shù)目?jī)H280 萬(wàn)，采用0.6um（600nm）制程時(shí)的晶粒面積僅121 平方公厘，卻有比晶體管310 萬(wàn)的Pentium 更高的80MHz時(shí)鐘頻率、更大一倍的32kB 指令／數(shù)據(jù)共用式第一階快取存儲(chǔ)器，與1.5 倍的指令執(zhí)行能力，而采用0.8um（800nm）制程的初代Pentium是一顆16.7×17.6mm、294平方公厘的巨大芯片，完全瞠乎其后。英特爾當(dāng)時(shí)就表示，相較于同等級(jí)RISC 處理器，Pentium 有約30% 晶體管都「貢獻(xiàn)」給x86 指令集的兼容性。不難想見(jiàn)那時(shí)候的「RISC 十字軍」有多high。
而Pentium 的雙重超標(biāo)量指令流水線(xiàn)也是限制重重，只有主流水線(xiàn)「U Pipe」可以執(zhí)行所有的x86 指令，副流水線(xiàn)「V Pipe」僅能負(fù)責(zé)比較簡(jiǎn)單者，而要這兩條流水線(xiàn)一起動(dòng)，還需要依循指令配對(duì)規(guī)則，講白了就是「兩邊都要跑簡(jiǎn)單指令」，且涉及寄存器和存儲(chǔ)器兩邊數(shù)據(jù)互相搬移的指令也無(wú)能為力，就是要強(qiáng)迫其中一條流水線(xiàn)「發(fā)呆」兩個(gè)時(shí)鐘周期給你看。PowerPC 601「理所當(dāng)然」比較沒(méi)有這樣的煩惱。
80×87 浮點(diǎn)指令集更是x86 處理器追求高效能浮點(diǎn)運(yùn)算的罩門(mén)，因「英特爾內(nèi)部溝通不良」（英特爾美國(guó)加州總部和以色列海法之間實(shí)在太遠(yuǎn)了，1970 年代末期的聯(lián)絡(luò)手段又沒(méi)像今天這么方便）誕生的「極度愚蠢」堆疊式（Stack）寄存器架構(gòu)（附贈(zèng)讓人摸不著頭緒的80 位元延伸雙倍精確度浮點(diǎn)格式），強(qiáng)迫多數(shù)浮點(diǎn)指令的運(yùn)算元，其中一個(gè)非得指定放在堆疊寄存器的頂端不可。
英特爾在Pentium 加入FXCH 指令用來(lái)交換置頂寄存器，原本僅內(nèi)建一組浮點(diǎn)運(yùn)算單元，流水線(xiàn)不能同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算指令的Pentium，簡(jiǎn)單的浮點(diǎn)運(yùn)算指令可和FXCH 一同塞進(jìn)兩條指令流水線(xiàn)，但實(shí)際上也只有執(zhí)行一個(gè)有效浮點(diǎn)運(yùn)算，況且后頭接連著的整數(shù)指令，都會(huì)被延誤最少一個(gè)時(shí)鐘周期。
判斷分支條件需「借用」整數(shù)運(yùn)算通用寄存器與執(zhí)行單元，則是80×87 另一個(gè)弱點(diǎn)，從一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算設(shè)定條件碼、將浮點(diǎn)運(yùn)算的執(zhí)行資訊搬移至通用寄存器、傳送至條件碼寄存器，再依據(jù)其結(jié)果，啟動(dòng)正常的分支處理流程，Pentium 整整耗時(shí)9 個(gè)時(shí)鐘周期。當(dāng)然可透過(guò)「插入」其他整數(shù)指令來(lái)降低效能損失，但無(wú)法彌補(bǔ)當(dāng)執(zhí)行條件判斷密集的程序，整數(shù)浮點(diǎn)單元之間反覆「踢皮球」的傷害。
這些在今天只會(huì)讓人覺(jué)得很荒謬的往事，讓Pentium 的浮點(diǎn)性能仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及同時(shí)期的RISC 處理器，只能在x86 的世界當(dāng)大王，這宿疾到了新一代Pentium Pro 依舊無(wú)解，同期MIPS R10000 的SPECfp92 浮點(diǎn)效能還是Pentium Pro 的「3 倍」以上，還因?yàn)镻owerPC「外掛」AltiVec 而一度被拉開(kāi)差距到差點(diǎn)看不見(jiàn)車(chē)尾燈的程度。
直到Pentium III（Katmai）開(kāi)始擴(kuò)充SIMD（單一指令，多重?cái)?shù)據(jù)流）浮點(diǎn)指令集SSE、初代Pentium 4（Willamette）的SSE2 新增雙倍精確度浮點(diǎn)格式，一路到Sandy Bridge 的AVX，引入VEX （VectorExtension）標(biāo)頭，一口氣解放了過(guò)去x86 指令編碼帶來(lái)的重重枷鎖，才算功德圓滿(mǎn)。
但即使看似出師不利，x86 指令集的沉重包袱，并未讓英特爾就此停下腳步，依然持續(xù)精進(jìn)Pentium 處理器，就算沒(méi)有一鼓作氣打開(kāi)天堂大門(mén)，卻也讓緊閉已久的門(mén)縫滲出充滿(mǎn)希望的曙光。
從企圖殺入很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)「可遠(yuǎn)觀不可褻玩焉」的服務(wù)器市場(chǎng)，預(yù)期Windows 95 激發(fā)個(gè)人電腦市場(chǎng)爆發(fā)性成長(zhǎng)時(shí)，補(bǔ)足高效能桌機(jī)和筆記型電腦需要的基本功能，到迎合「多媒體」的新潮技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)名詞，無(wú)不是英特爾1990 年代初期念茲在茲的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)。這些努力的痕跡，統(tǒng)統(tǒng)一字不漏深深刻在Pentium和整個(gè)計(jì)算機(jī)工業(yè)的歷史上。
原汁原味的多處理器支持性
「多處理器支持性」是進(jìn)入工作站與服務(wù)器市場(chǎng)的最低門(mén)檻入門(mén)票，而Pentium 則是x86 歷史上首度「原生支持（Glueless）多處理器」的先行者，但嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，這到了0.5 um 制程的第二代Pentium（P54C）才實(shí)現(xiàn)，而在此之前，也并不是沒(méi)有「多處理器x86」的存在，只是需要外掛特制的系統(tǒng)芯片組，或連操作系統(tǒng)都要特殊版本。
一個(gè)便于實(shí)作的「無(wú)需外掛額外芯片」（Glueless）的多處理器（或多核心）環(huán)境，需具以下條件：
3 項(xiàng)條件之一，最重要者莫過(guò)于第一項(xiàng)。1983 年，17 名因英特爾極具野心的「32 位元微電腦大型主機(jī)」iAPX432 計(jì)劃失敗而離職的員工，創(chuàng)立的Sequent ComputerSystems（1999 年被IBM 購(gòu)并，研發(fā)高階英特爾處理器的系統(tǒng)芯片組），就曾推出一系列采用80386 與80486 的多處理器產(chǎn)品線(xiàn)，但這些花費(fèi)不菲的專(zhuān)屬方案，仰賴(lài)特制系統(tǒng)芯片組與定制化過(guò)的操作系統(tǒng)，才能正確的將系統(tǒng)中斷（System Interupt）傳送到各處理器，多處理器x86 平臺(tái)仍缺標(biāo)準(zhǔn)化的中斷處理機(jī)制，并非可長(zhǎng)可久的解決之道。
1993 年10 月27 日，也是初代Pentium 發(fā)表后的半年，英特爾首度公開(kāi)第一版「多處理器規(guī)范」（MPS，Multi-Processor Specification）與最重要的「處理器本地端先進(jìn)可程序化中斷控制器」（Local APIC，Local Advanced ProgrammableInterrupt Controller）與I/O 專(zhuān)屬的I/OAPIC，取代老舊的8259 PIC。
每個(gè)Pentium 或80486 處理器起碼要有一個(gè)Local APIC，與系統(tǒng)I/O 芯片組的I/O APIC，透過(guò)獨(dú)立于系統(tǒng)總線(xiàn)的3 位元APIC Bus，I/OAPIC 將周邊裝置的中斷需求傳遞給處理器的Local APIC，以決定中斷服務(wù)需求該指派給那些處理器，踏出了低成本多x86 處理器系統(tǒng)的第一步。
英特爾的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手并非沒(méi)有替代方案，1996 年上市的Cyrix 6×86 依據(jù)OpenPIC規(guī)范，支持自家定義的SLiC，但也只有VIA 的Apollo 芯片組對(duì)應(yīng)此規(guī)格，基本上有跟沒(méi)有一樣，而AMD的x86 多處理器環(huán)境，更是要等到1999 年采用Alpha EV6 總線(xiàn)、理論上最多支持14 顆處理器的K7了。
不過(guò)初代Pentium 并未內(nèi)建Local APIC，同時(shí)期系統(tǒng)芯片組也沒(méi)有I/O APIC，要打造多顆Pentium 平臺(tái)，每一顆Pentium 需外掛一顆單價(jià)高達(dá)26 美元、兼具Local APIC 與I/OAPIC 兩者功能的82498DX，I/O 也需動(dòng)用一顆。換句話(huà)說(shuō)，雙處理器系統(tǒng)就需要用到3 顆，怎么看都不算便宜，還會(huì)占用不少主機(jī)板空間。
后來(lái)0.5um 制程的第二代Pentium（P54C）變成史上第一顆整合Local APIC 的x86 處理器，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)芯片組也陸續(xù)在南橋（South Bridge）內(nèi)建I/O APIC（未內(nèi)建者，可選配專(zhuān)用的82093AA I/O APIC），總算讓雙Pentium 搖身一變，成為「Glueless」的多處理器平臺(tái)。
受制于缺陷重重的系統(tǒng)架構(gòu)，如效率不足的系統(tǒng)總線(xiàn)、處理器缺乏非循序存儲(chǔ)器存取能力、處理器共享外部的第二級(jí)快取存儲(chǔ)器讓總線(xiàn)問(wèn)題更加雪上加霜等等，并未讓Pentium 在服務(wù)器市場(chǎng)取得重大突破，到了Pentium Pro 面世后才迎刃而解，開(kāi)啟Xeon 統(tǒng)治服務(wù)器市場(chǎng)之路，那又是另一段截然不同的故事了。
決定處理器核心/線(xiàn)程上限的Local APIC 與闖禍的操作系統(tǒng)支持性
處理器核心持續(xù)激增的今日，Local APIC 最重要的角色在于決定處理器的核心與線(xiàn)程上限。原先最早的APIC 上限是15，2000 年P(guān)entium 4 開(kāi)始出現(xiàn)的xAPIC（將APIC 的3 位元專(zhuān)屬總線(xiàn)直接「融入」系統(tǒng)總線(xiàn)的通訊協(xié)定，避免APIC 運(yùn)作時(shí)影響存儲(chǔ)器存取效能）增加到255，2008 年Nehalem 的x2APIC更多達(dá)4294967295，可視為「無(wú)限大」。
假如各位想多學(xué)些對(duì)親朋好友炫耀的「無(wú)用知識(shí)」，稍微花點(diǎn)腦筋，牢記一下這3 個(gè)數(shù)字的由來(lái)：
但帳面上的「理論值」讓人看得很爽是一回事，微軟這些操作系統(tǒng)廠(chǎng)商是否乖乖買(mǎi)單又是另一回事。很不幸的，AMD Zen2 世代EPYC 與Threadripper將單顆處理器的實(shí)體核心術(shù)／邏輯處理器，一舉推進(jìn)到64 核／128緒，就變成微軟Windows 的災(zāi)難了。
一臺(tái)2 顆EPYC 7742 或7702 的服務(wù)器，擁有128 個(gè)處理器核心和256 條線(xiàn)程，但是Windows Server 2016 和2012 R2 并不支持「AMD 新型平臺(tái)的x2APIC」，無(wú)法吃下這么多邏輯處理器。
事實(shí)上，根據(jù)微軟的EPYC 性能調(diào)校文件，Windows Server 2019 之前的舊版Windows Server，只能支持2 顆48 核心的EPYC 和192 個(gè)邏輯處理器。安裝2019 年9月前的Windows Server 2019，也需要事先在BIOS關(guān)閉x2APIC 和多線(xiàn)程，安裝完畢并裝完所有的系統(tǒng)更新檔，重新開(kāi)機(jī)進(jìn)BIOS 恢復(fù)功能，才能在工作管理員的效能選單看到全部CPU。
再次同場(chǎng)加映AMD。剛好前陣子Anandtech 有特別報(bào)導(dǎo)的EPYC 在Windows 10 發(fā)生的災(zāi)情（盡管這和APIC 沒(méi)有關(guān)系）。Windows 系統(tǒng)核心會(huì)預(yù)設(shè)64 個(gè)CPU組成一個(gè)「Windows Processor Group」，當(dāng)邏輯處理器超過(guò)64 個(gè)，會(huì)將多出余數(shù)包成另一群，像一顆64 核／128 緒的Threadripper，就會(huì)變成一顆實(shí)體CPU 有「兩包」64 個(gè)邏輯處理器。
但Windows 10 要企業(yè)版（Enterprise）才提供此功能，家用版（Home）和專(zhuān)業(yè)版（Professional）會(huì)將「滿(mǎn)出來(lái)的部分」，誤判為占用另一個(gè)處理器腳位的實(shí)體CPU，意思就是誤解成「兩顆」處理器的系統(tǒng)，將誤導(dǎo)操作系統(tǒng)的線(xiàn)程排程，降低系統(tǒng)效能，這時(shí)關(guān)掉多線(xiàn)程，很可能表現(xiàn)還比較好。
在計(jì)算機(jī)的世界，任何「看起來(lái)很棒」的技術(shù)和功能，無(wú)不是「軟硬兼?zhèn)洹沟某晒?dāng)入手頂規(guī)的硬件時(shí)，也請(qǐng)多多關(guān)心手上的軟件環(huán)境是否可發(fā)揮最高效益。筆者現(xiàn)在都可以猜到花大錢(qián)買(mǎi)TR 3990X 的「長(zhǎng)輩」急著升級(jí)Windows 10 企業(yè)版的畫(huà)面了。
「讓人比較有感」的指令集擴(kuò)展
如果能讓筆者選擇，其實(shí)x86 指令集擴(kuò)張史中最重要的一幕，絕對(duì)是邁向32 位元的80386、虛擬86 模式（Virtual 8086 Mode）與具備分頁(yè)表的虛擬存儲(chǔ)器。但事隔多年，印象最深刻的，依舊對(duì)個(gè)人電腦市場(chǎng)規(guī)模爆炸式成長(zhǎng)、使用者急速增加的1990 年代，英特爾在Pentium 家族干的一堆好事，包括極具歷史意義的第一次SIMD 擴(kuò)張：MMX。
相信各位不可能不知道CPUID 這經(jīng)常用來(lái)辨識(shí)處理器廠(chǎng)牌、功能、版本與規(guī)格的好工具，但你們知道背后作這件事的「CPUID」指令，就是從Pentium 開(kāi)始登場(chǎng)的嗎？眾多程序設(shè)計(jì)師計(jì)算指令執(zhí)行周期數(shù)的RDTSC（Read Time-Stamp Counter），也伴隨著Pentium 而生。用在操作系統(tǒng)避免不同線(xiàn)程同時(shí)對(duì)共用資源讀寫(xiě)「互斥鎖」的CMPXCHG8B（Compare and Exchange 8 Bytes），也是小有名氣，WindowsXP 就是因這個(gè)必備指令，無(wú)法執(zhí)行于Pentium 之前的所有x86處理器。
前面有提到MSR（Model-Specific Register），意指在x86 架構(gòu)處理器中，一系列用于控制處理器執(zhí)行、功能開(kāi)關(guān)、除錯(cuò)、追蹤程序執(zhí)行、監(jiān)測(cè)處理器效能等功能的寄存器。MSR 的雛形始于80386 和80486，到了Pentium，英特爾新增RDMSR（ReadMSR）和WRMSR（Write MSR）指令用于讀寫(xiě)MSR，使其真正的實(shí)用化。此外，軟件可透過(guò)前述的CPUID 指令，查詢(xún)處理器可支持的功能，并確認(rèn)這些功能對(duì)應(yīng)的MSR 是否存在。
同時(shí)英特爾在Pentium「復(fù)刻」筆電專(zhuān)用的80386SL 和80486SL 處理器，那獨(dú)立于真實(shí)模式和保護(hù)模式，干了哪些好事，連操作系統(tǒng)都不知情的系統(tǒng)管理模式（SMM，System Management Mode）。英特爾制定SMM 的初衷，在于讓筆電OEM 廠(chǎng)商自訂必備的電源管理與周邊裝置管理，如為了省電，動(dòng)態(tài)關(guān)閉用不到的周邊設(shè)備，需要時(shí)再重新啟動(dòng)等，將SMM 從「特殊武器」提拔成「制式裝備」，暗示英特爾認(rèn)定筆電即將普及化的未來(lái)。
順道一題，相對(duì)于x86 指令集在節(jié)區(qū)定址定義4 層權(quán)限的Ring 0 到Ring 3（數(shù)字越小權(quán)力越大），SMM 的權(quán)限經(jīng)常戲稱(chēng)為Ring -2，那Ring -1 跑到哪去了？答案是x86 硬件虛擬化技術(shù)用來(lái)攔截「在使用者模式仍會(huì)更動(dòng)系統(tǒng)底層的危險(xiǎn)指令」的Hypervisor 權(quán)限。
這些指令集擴(kuò)張看似微不足道，遠(yuǎn)不如那票SIMD（MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSE4、AVX、AVX-512）「華麗壯大」，卻也是不可或缺的基本功，同為「高效能處理器不可被分割的一部分」。但Pentium 史上最知名的指令集MMX，就是一場(chǎng)歡樂(lè)異常的連續(xù)劇了。
為了MMX 讓Pentium 被迫大興土木、脫胎換骨
Windows 95 帶動(dòng)個(gè)人電腦的多媒體需求，英特爾自然不能免俗，勢(shì)必要讓處理器跟「多媒體」沾上邊，試圖推動(dòng)主機(jī)板加掛一顆來(lái)自第三方的數(shù)位訊號(hào)處理器（DSP），專(zhuān)門(mén)處理即時(shí)性影音應(yīng)用程序。但因?yàn)镹SP 的運(yùn)作模式是獨(dú)立于操作系統(tǒng)的化外之民，等于需要操作系統(tǒng)開(kāi)后門(mén)，微軟為此拒絕買(mǎi)單，因此胎死腹中，才出現(xiàn)了MMX。
打從英特爾在1996 年，拋出MMX 這從未講清楚說(shuō)明白的「無(wú)意義技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)商標(biāo)」，全名一直眾說(shuō)紛紜、莫衷一是，還先后出現(xiàn)3 個(gè)版本：
名稱(chēng)怎樣不重要，各位只要記得一件事：為了操作系統(tǒng)兼容性，MMX指令集借用x87 浮點(diǎn)運(yùn)算寄存器（80 位元中的64 位元）的SIMD「整數(shù)」運(yùn)算，這樣就夠了。英特爾定義全新SIMD 寄存器，從Pentium III「Kaimai」的SSE（KNI，Katmai New Instructions）才開(kāi)始。
指令集的編碼空間畢竟有限，英特爾要從哪里擠出這57 個(gè)指令的位置？英特爾將腦袋動(dòng)到「0Fh」開(kāi)頭的運(yùn)算碼（Opcode），這卻造成前所未見(jiàn)的麻煩：過(guò)去0Fh 的主要用途「當(dāng)處理器的解碼器收到時(shí)，自動(dòng)將該指令執(zhí)行流程跳到外掛的輔助處理器」，當(dāng)初英特爾就靠這招來(lái)處理8087 浮點(diǎn)輔助處理器，0Fh 開(kāi)頭的x86指令都不是什么「需要追求效率」者，也因此，Pentium 的指令解碼器也沒(méi)有特別「關(guān)照」它們，意味著難以迅速完成解碼MMX 指令的重責(zé)大任。
主導(dǎo)Pentium MMX（P55C）研發(fā)的以色列海法團(tuán)隊(duì)，不得不大興土木，將指令流水線(xiàn)深度從五階延長(zhǎng)到六階，爭(zhēng)取足夠的指令解碼時(shí)間。多這一階并非有害無(wú)益，因?yàn)閳?zhí)行單元將有更充裕的時(shí)間存取數(shù)據(jù)快取，并縮短電路的關(guān)鍵路徑，利于提高時(shí)鐘頻率，讓Pentium MMX 最終可到達(dá)300MHz，比前代P54C 多出整整50%。
但延長(zhǎng)指令流水線(xiàn)也帶來(lái)更嚴(yán)重的分支預(yù)測(cè)錯(cuò)誤代價(jià)，英特爾索性將「流水線(xiàn)深度長(zhǎng)達(dá)12 階」的第六世代Pentium Pro 搭載的雙層動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)與副程序返回位址緩沖區(qū)等先進(jìn)技術(shù)，原封不動(dòng)的逆向移植到Pentium MMX，亦倍增快取存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)寫(xiě)回緩沖區(qū)，轉(zhuǎn)換虛擬和實(shí)體存儲(chǔ)器位址的TLB，也強(qiáng)化為可同時(shí)處理兩種不同分頁(yè)大小的版本，種種改進(jìn)項(xiàng)目仿佛威而剛，讓吃下藍(lán)色小藥丸的Pentium MMX 搖身一變成「5.5 代」x86 處理器。
為了減少耗電與發(fā)熱，英特爾將MMX 執(zhí)行單元與實(shí)體寄存器獨(dú)立于x87 浮點(diǎn)運(yùn)算器，執(zhí)行MMX 指令時(shí)，因指令集定義「邏輯上MMX 和x87 浮點(diǎn)無(wú)法同時(shí)執(zhí)行」，可關(guān)閉「吃電如喝水」般的浮點(diǎn)單元以節(jié)約電力，可是結(jié)合加倍的快取存儲(chǔ)器和種種增強(qiáng)方案，P55C 晶體管數(shù)從P54C 的330 萬(wàn)激增到450 萬(wàn)，制程從「不計(jì)多出10%芯片面積以追求最高時(shí)鐘頻率」的350 納米BiCMOS 改進(jìn)為「自此英特爾轉(zhuǎn)向追求更低成本并降低耗電」的280 納米CMOS，芯片面積和制造成本仍足足比P54C 多50%。
Pentium MMX 在1997 年1 月上市沒(méi)多久，同年5 月同樣支持MMX的Pentium II 就以「塑膠大彈夾」外觀，現(xiàn)身于各地電腦賣(mài)場(chǎng)的玻璃柜，無(wú)論怎么看，Pentium MMX 都是過(guò)渡期強(qiáng)烈的尷尬產(chǎn)物。
（Source：Flickr/AndyRogers CC BY 2.0）
但Pentium MMX 對(duì)英特爾在以色列海法的研發(fā)團(tuán)隊(duì)而言，卻是極為重要的歷史里程碑，建立起「擅長(zhǎng)精煉現(xiàn)有架構(gòu)壓榨更多價(jià)值」的名號(hào)，接連重塑P6 微架構(gòu)成為Centrino 心臟的PentiumM （Banias, Dothan）、當(dāng)英特爾在Pentium4（NetBurst）慘遭滑鐵盧的危急存亡之秋端出Core 2（Merom, Conroe, Woodcrest）救駕成功、融合P6 與NetBurst 之長(zhǎng)的Sandy Bridge 終結(jié)AMD K8 的輝煌歲月、直到「奮六世之余烈」集大成的「終極x86 微架構(gòu)」Skylake，清一色都是出自以色列海法團(tuán)隊(duì)的不朽杰作。
x86 指令集長(zhǎng)期欠缺標(biāo)準(zhǔn)造成競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手與軟件開(kāi)發(fā)商的困擾
Pentium 的「歷史地位」倒是值得另外添一筆：x86 指令集欠缺公開(kāi)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，搞死不少人的陳年舊帳，終于正式浮上臺(tái)面。
Pentium Pro 總工程師之一的Robert Colwell 回憶錄《The Pentium Chronicles》說(shuō)過(guò)，開(kāi)發(fā)一顆x86 處理器，最艱巨的挑戰(zhàn)在于「如何保證可兼容所有舊程序」。特別早期x86 處理器，很多未定義的運(yùn)算碼（Opcode）并沒(méi)有遮掉，被人發(fā)現(xiàn)又拿來(lái)用了，以后的處理器開(kāi)發(fā)人員就只能乖乖想辦法「塞」進(jìn)去，前提是你也要知道這些陷阱到底藏在哪里。
各位是否天真的以為所有x86 處理器廠(chǎng)商的產(chǎn)品，都保證彼此兼容，可執(zhí)行一模一樣的軟件？很遺憾的，這種好事從來(lái)就不存在英特爾統(tǒng)治的x86 世界（最起碼，前陣子讓Linus Torvalds 大暴走的AVX-512，AMD 現(xiàn)有產(chǎn)品也是付之闕如），英特爾在Pentium 時(shí)代的所作所為就是最好例證，讓初版使用者手冊(cè)描述新增指令的「附錄H」故意保持完全空白，英特爾的競(jìng)爭(zhēng)者與軟件開(kāi)發(fā)商紛紛變成倒霉的苦主。
英特爾并不像那票會(huì)定期推出版本演進(jìn)與相關(guān)規(guī)范的RISC 指令集（有關(guān)心ARM 的讀者應(yīng)該很清楚）、積極推廣自家指令集給其他潛在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，而是完全不管其他人死活。想研發(fā)x86 兼容處理器的有志之士，假若沒(méi)有跟英特爾簽訂互相授權(quán)協(xié)議，只有兩條路可選：乖乖用電子顯微鏡默默研究英特爾處理器的晶粒，嘗試逆向工程，要不然就干脆不支持不顧兼容性，碰到就視為非法指令，剩下的爛攤子就丟給操作系統(tǒng)廠(chǎng)商傷透腦筋了。
像Cyrix 在被National Semiconductor 購(gòu)并前，壓根沒(méi)有英特爾技術(shù)授權(quán)，只能悶著頭逆向工程慢慢搞，自然也無(wú)法100% 兼容，讓號(hào)稱(chēng)「第六世代」的6×86，連CPUID 和RDTSC都?xì)埲辈蝗噶罴嫒菟疁?zhǔn)只有80486 等級(jí)，甚至還得逼迫軟件廠(chǎng)商撰寫(xiě)修正程序。同時(shí)期的AMD 則是不計(jì)代價(jià)拼死拼活，都要藉由逆向工程擠出100% 兼容性，下場(chǎng)就是產(chǎn)品上市延誤，錯(cuò)失商機(jī)，還虧當(dāng)初Compaq 傻傻不肯推出Pentium 個(gè)人電腦，寧愿癡癡等待AMD K5，更慘的是，撐到最后還是等不到。
英特爾競(jìng)爭(zhēng)者也都不是省油的燈，不遑多讓搶著跳出來(lái)扮演「麻煩制造者」，自行定義「兄弟獨(dú)有之創(chuàng)見(jiàn)」的自家指令，不僅企圖爭(zhēng)奪x86 指令集的主導(dǎo)權(quán)，并強(qiáng)化產(chǎn)品效能及營(yíng)銷(xiāo)籌碼，像AMD K6 的3DNow!、AMD K8 的x86-64，Cyrix 6x86MX 的EMMI 與CyrixIII 的MMX-FP，Centaur 一度想不開(kāi)的57 個(gè)SIMD 浮點(diǎn)指令和22 個(gè)自定義浮點(diǎn)寄存器，都是斑斑可考的歷史陳?ài)E。
AMD 還一度想不開(kāi)，搶先注冊(cè)「SSE5」，擺明跟英特爾AVX 打?qū)ε_(tái)，還好在2009 年5 月6 日緊急采煞車(chē)，宣布「皈依」AVX，但還是忍不住撈過(guò)界「補(bǔ)完」被英特爾廢除的四運(yùn)算元指令格式（xmm1＝xmm2×xmm3＋m32）。AMD 要開(kāi)始支持亂成一團(tuán)的AVX-512并完全兼容，大概也是很久以后的未來(lái)了。
回顧這些年來(lái)的x86 指令集擴(kuò)充戰(zhàn)爭(zhēng)，唯一從英特爾手上搶下先機(jī)的，也只有AMD x86-64 那次，還是微軟私下威脅「不打算支持兩種不同的64 位元x86」（英特爾本來(lái)有自己的Yamhill，但為了保護(hù)IA-64 遲遲不肯拿出來(lái)）強(qiáng)迫英特爾接受的結(jié)果。
最初英特爾多心不甘情不愿、打死都不承認(rèn) 64 位元 x86 存在的「IA-32e」和 AMD x86-64 也并非一模一樣，英特爾獨(dú)占 CMPXCHG16B（Pentium 那個(gè) CMPXCHG8B 的進(jìn)階版）和 SSE3，AMD 多出分頁(yè)表 NX（No Execute）保護(hù)位元和 3DNow!。談到 x86 處理器廠(chǎng)商要彼此 100% 水乳交融，說(shuō)有多麻煩就有多麻煩，說(shuō)微軟有多火大就有多火大。
不過(guò)亂象還是持續(xù)延燒，還燒到虛擬化領(lǐng)域，近十多年來(lái)虛擬化應(yīng)用快速普及，然后 2005 年英特爾 VT-x（Vanderpool）和 2006 年 AMD AMD-V（Pacifica），雙方根本就是各搞各的，老死不相往來(lái)，讓 VMware vMotion 此類(lèi)不停機(jī)的虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)，遲遲跨越不了不同 x86處理器廠(chǎng)商的邊界，無(wú)形中也侷限了 x86 處理器「向上發(fā)展」的潛力，目睹此景，IBM 應(yīng)該會(huì)繼續(xù)開(kāi)心下去。
重塑x86 處理器世界觀的歷史認(rèn)知
行文至此，想必各位看官臉上已掛著顫抖的嘴角與充滿(mǎn)劫后馀生的表情，或多或少逐步解構(gòu)并重組過(guò)往對(duì)個(gè)人電腦市場(chǎng)與 x86 處理器演進(jìn)史的認(rèn)知，有可能瞬間茅塞頓開(kāi)，也有可能繼續(xù)滿(mǎn)頭問(wèn)號(hào)。
本文并非教科書(shū)，而是經(jīng)由複習(xí)坊間甚少重視的歷史背景與不容易注意到的細(xì)節(jié)，體認(rèn)到平日陪伺在旁、習(xí)以為常的 x86 處理器，能走到今天是多麼不容易的一件事。羅馬不是一天造成，英特爾的霸權(quán)也不是平白從天上掉下來(lái)，這些年來(lái)我們一同擠過(guò)這麼多條牙膏，更不是毫無(wú)苦衷。
身為英特爾 1990 年代「Landmark」芯片與無(wú)數(shù)潛藏已久歷史暗流的縮影，Pentium 帶來(lái) x86 世界太多「第一次」，承先啟后，奠定 25 年技術(shù)演進(jìn)與市場(chǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)邏輯。畢竟電腦是人類(lèi)創(chuàng)造的東西，背后的人性和思維遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越技術(shù)。英特爾可靠開(kāi)創(chuàng)新局的 Pentium 與繼往開(kāi)來(lái)的 Pentium Pro，在眾多敵人環(huán)伺下殺出一條通往全新市場(chǎng)血路過(guò)程中「產(chǎn)生的價(jià)值」，如「技術(shù)領(lǐng)先無(wú)法保證商業(yè)勝利」和「成功的產(chǎn)品往往是折衷妥協(xié)后的產(chǎn)物」，統(tǒng)統(tǒng)很有意思，更值得各位細(xì)細(xì)品味。
關(guān)于Pentium，似乎筆者不小心遺漏了什麼，聽(tīng)說(shuō)跟浮點(diǎn)除法（FDIV）有關(guān)？算了，就當(dāng)作提醒世人吧。
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