x86-instructieset

De x86-instructieset is een CISC-instructieset voor computers. Deze werd eind jaren zeventig door Intel ontwikkeld voor de 8086-processor. IBM besloot de processor van Intel in zijn IBM PC te gebruiken, en doordat de pc wijdverbreid raakte, werd de x86-instructieset met voorsprong de meest gebruikte instructieset.

Een "Northwood"-core-Pentium 4-processor

De x86-instructieset was oorspronkelijk een 16 bits-instructieset. In de loop der jaren is de x86-instructieset steeds uitgebreid om aan de wensen van de tijd te blijven voldoen. Belangrijke wijzigingen waren een 32 bits-modus, toevoeging van vectorregisters (MMX en SSE) en rond de eeuwwisseling de toevoeging van een 64 bits-modus: x86-64 (AMD64, EM64T).

Gegevens van de instructieset

Er zijn drie hoofdvarianten van de x86-instructieset, de 16 bits-variant, de 32 bits-variant en de 64 bits-variant. Afhankelijk van de modus waarin een x86-processor gezet wordt, gebruikt de processor een van de varianten.

16 bits

Type van architectuur:	Meerdere registers. Uitzondering is de FPU-stack, dit is een stackarchitectuur
Aantal registers:	Acht 16 bits-integerregisters (waarvan één gereserveerd is als stackpointer), vier segmentregisters (waarvan één gereserveerd voor de stack). De 8087-FPU heeft een stack waarin acht 80 bits-zwevendekommagetallen gezet kunnen worden.
Adresruimte:	220 bytes (1 MiB)
Geheugenbeheer:	Segmentregisters
Vlaggen	Nul, overdracht, negatief, overflow, pariteit
Adresseermodi	Onmiddellijk, geheugen. De geheugenadresmodus kan een combinatie zijn van een absoluut adres, een basisregister en een indexregister

32 bits

Type van architectuur:	Meerdere registers. Uitzondering is de FPU-stack, dit is een stackarchitectuur
Aantal registers:	Acht 32 bits-integerregisters (waarvan één gereserveerd is als stackpointer), zes segmentregisters (waarvan één gereserveerd voor de stack). De 80387-FPU heeft een stack waarin acht 80 bits-zwevendekommagetallen gezet kunnen worden. Deze kunnen ook werken als acht vectorregisters (MMX). Processoren met SSE hebben bovendien acht extra vectorregisters
Adresruimte:	232 bytes (4 GiB)
Geheugenbeheer:	Segmentregisters, geheugenpaginering
Vlaggen	Nul, overdracht, negatief, overflow, pariteit
Adresseermodi	Onmiddellijk, geheugen. De geheugenadresmodus kan een combinatie zijn van een absoluut adres, een basisregister en een indexregister met schaling

64 bits

Type van architectuur:	Meerdere registers. Uitzondering is de FPU-stack, dit is een stackarchitectuur
Aantal registers:	Zestien 64 bits-integerregisters (waarvan één gereserveerd is als stackpointer), zes segmentregisters (waarvan één gereserveerd voor de stack). De FPU heeft een stack waarin acht 80 bits-zwevendekommagetallen gezet kunnen worden. Deze kunnen ook werken als acht vectorregisters (MMX). Processoren met SSE hebben bovendien 16 extra vectorregisters
Adresruimte:	248 bytes (256 TiB)
Geheugenbeheer:	Segmentregisters, geheugenpaginering
Vlaggen	Nul, overdracht, negatief, overflow, pariteit
Adresseermodi	Onmiddellijk, geheugen. De geheugenadresmodus kan een combinatie zijn van een absoluut adres, een basisregister en een indexregister met schaling

Fabrikanten

Aanvankelijk werden x86-processoren alleen door Intel gefabriceerd, hoewel NEC wel de V20- en V30-processoren met 8088-compatibele instructieset leverde. In de tijd van de 80386-processor besloot Intel zijn ontwerp aan andere fabrikanten in licentie te geven. Deze fabrikanten, AMD en Cyrix, konden vervolgens zelfstandig hun eigen x86-processoren op de markt brengen.

Toen de 80486 enige tijd op de markt was, leek het er op dat Intel spijt kreeg van zijn besluit zijn processoren in licentie te geven. Nieuwe licenties werden stopgezet en er ontbrandde een jarenlange rechtsstrijd tegen AMD over de auteursrechten op delen van de processor. Deze rechtszaak werd uiteindelijk geschikt, waarbij AMD het recht kreeg x86-processoren te maken, maar zij deze vanaf dan zelf diende te ontwerpen. Sindsdien ontwerpen zowel Cyrix als AMD hun eigen processoren.

Last uit het verleden

De x86-architectuur gaat al lang mee. Sinds eind jaren 70 is er veel aan inzicht veranderd in hoe processoren het best gebouwd kunnen worden, en er zijn steeds meer instructies bij gekomen waarvan sommige oude overbodig maken, en andere omslachtig geïmplementeerd zijn omdat het anders onmogelijk was ze in de bestaande instructieset in te passen. Velen vinden de x86-instructieset daarom onelegant.

De reden dat men deze instructieset vandaag de dag nog steeds gebruikt, is dat er heel veel software voor de x86-instructieset geschreven is, zodat het ondoenlijk is geworden de hele wereld op een andere instructieset over te laten gaan.

Zoiets is in het verleden een aantal keren geprobeerd. De bekendste voorbeelden hiervan zijn de instructiesets van ARM, de PowerPC (RISC-architectuur) en de Itanium (VLIW-architectuur). De ontwikkeling had maar één enkel doel: een door moderne technieken ontwikkelde processor zou dusdanig veel krachtiger worden dan een willekeurige x86-processor dat deze het op den duur zou verliezen.

Dit is echter niet gebeurd. De achterliggende reden is dat ook de ideeën achter de PowerPC ietwat achterhaald raakten, en alhoewel de processor als minder "lelijk" beschouwd wordt dan de x86-processoren, dragen beide inmiddels een last uit het verleden mee. Een ietwat praktischere reden was dat de PowerPC nooit veel voordeel gaf om de x86-processoren te kunnen verdringen, en op bepaalde momenten zelfs iets achterliep.

Tabel van de instructieset

De instructieset is verre van eenvoudig. De operand van veel instructies wordt beschreven in een zogenoemde mod/rm-byte. De operand kan een register zijn maar ook een adres in het geheugen. De mod/rm-byte bevat:

• bits 7 6: mod
• bits 5 4 3: reg
• bits 2 1 0: r/m

In veel instructies wordt het deel reg, bits 5 4 3, gebruikt om de opcode uit te breiden.

In onderstaande tabellen leest u in de linkerkolom de bits 7-3 van de opcode, de eerste byte van de eerste instructie. Bovenaan staan de bits 2-0. Voor de instructies waarbij het deel reg van de mod/rm-byte wordt gebruikt om de opcode uit te breiden, vindt u deze waarde in de kolom reg.

Een speciaal geval is de instructie POP CS, met de opcode 0F. Deze instructie wordt als volkomen nutteloos beschouwd. In de latere versies van de processor werd deze instructie dan ook verwijderd en ging 0F dienen om een opcode van twee bytes aan te kondigen. De instructies die met 0F beginnen vindt u in de tweede tabel.

Legenda
ac	accumulator, AL, AX of EAX
r	register, zie volgende tabel
rm	register of adres in het geheugen, afhankelijk van de mod/rm-byte
seg	segmentregister: 00=ES, 01=CS, 10=SS, 11=DS, of 0=FS, 1=GS
im	immediate waarde

De operanden kunnen een lengte hebben van 8 of 16 bits, met ingang van de 80386 ook 32 bits. Bij veel instructies wordt de lengte van de operand bepaald door bit 0 van de opcode: is deze nul, dan heeft de operand 8 bits. Is deze niet nul, dan bepaalt de instelling van de processor wat de operandlengte is (16 of 32). Deze kan worden veranderd met het prefix 66.

Codering van registers					Codering van segmentregisters
code	8 bits	16 bits	32 bits		code	in 06-3F	in 65, 66, 0FA
000	AL	AX	EAX		00	ES
001	CL	CX	ECX		01	CS
010	DL	DX	EDX		10	SS
011	BL	BX	EBX		11	DS
100	AH	SP	ESP		0		FS
101	CH	BP	EBP		1		GS
110	DH	SI	ESI
111	BH	DI	EDI

De volledige instructieset staat in de tabellen hieronder

bits 7-3	reg	0	1	2	3	4	5	6	7
00		ADD rm,rm				ADD ac,im		PUSH seg	POP seg (0F is POP CS in 8086, daarna prefix, zie volgende tabel)
08		OR rm,rm				OR ac,im
10		ADC rm,rm				ADC ac,im
18		SBB rm,rm				SBB ac,im
20		AND rm,rm				AND ac,im		(segment override prefix)	DAA
28		SUB rm,rm				SUB ac,im			DAS
30		XOR rm,rm				XOR ac,im			AAA
38		CMP rm,rm				CMP ac,im			AAS
40		INC r
48		DEC r
50		PUSH r
58		POP r
60		PUSHA	POPA	BOUND (vanaf 80186)	ARPL	(segment override prefix)		Operand size (prefix)	Address size (prefix)
68		PUSH im	IMUL rm,r	PUSH im	IMUL rm,r	INS		OUTS
70		JO near	JNO near	JB near	JNB near	JE near	JNE near	JBE near	JNBE near
78		JS near	JNS near	JP near	JP near	JL near	JNL near	JLE near	JNLE near
80	0	ADD rm,im				TEST rm,r		XCHG rm,r
	1	OR rm,rm
	2	ADC rm,im
	3	SBB rm,im
	4	AND rm,im
	5	SUB rm,im
	6	XOR rm,im
	7	CMP rm,im
88	0	MOV rm,r		MOV r,rm		MOV rm,seg	LEA	MOV seg,rm	POP rm
	1
	2
	3
	4
	5
	6
	7
90		NOP	XCHG ac,r
98		CBW	CWD	CALL far	WAIT	PUSHF	POPF	SAHF	LAHF
A0		MOV ac,m		MOV m,ac		MOVS		CMPS
A8		TEST ac,im		STOS		LODS		SCAS
B0		MOV r,im
B8
C0	0	ROL rm,im		RET near	RET near	LES	LDS	MOV rm,im
	1	ROR rm,im
	2	RCL rm,im
	3	RCR rm,im
	4	SHL / SAL rm,im
	5	SHR rm,im
	6	gelijk aan SHL / SAL
	7	SAR rm,im
C8		ENTER	LEAVE	RET far	RET far	INT 3	INT type	INTO	IRET
D0	0	ROL rm,1		ROL rm,CL		AAM	AAD	SETALC	XLAT
	1	ROR rm,1		ROR rm,CL
	2	RCL rm,1		RCL rm,CL
	3	RCR rm,1		RCR rm,CL
	4	SHL/SAL rm,1		SHL/SAL rm,CL
	5	SHR rm,1		SHR rm,CL
	6	gelijk aan SHL / SAL		gelijk aan SHL / SAL
	7	SAR rm,1		SAR rm,CL
D8		Processor extension
E0		LOOPNZ short	LOOPZ short	LOOP short	JCXZ short	IN port		OUT port
E8		CALL near	JMP near	JMP far	JMP short	IN		OUT
F0	0	LOCK (prefix)	ICEBP (vanaf 80386) SMI (sommige chips van AMD)	REPNE (prefix)	REPE (prefix)	HLT	CMC	TEST rm,im
	1
	2							NOT rm
	3							NEG
	4							MUL ac,rm
	5							IMUL ac,rm
	6							DIV ac,rm
	7							IDIV ac,rm
F8	0	CLC	STC	CLI	STI	CLD	STD	INC rm
	1							DEC rm
	2							CALL near ind
	3							CALL far ind
	4							JMP near ind
	5							JMP far ind
	6							PUSH rm
	7
Instructies met voorvoegsel 0F
bits 15-3	reg	0	1	2	3	4	5	6	7
0F00	0	SLDT	SGDT	LAR	LSL		LOADALL (alleen 80286)	CLTS	LOADALL (alleen 80386) RES3 (AMD 386) RES4 (AMD 486) ICERET (vanaf 486)
	1	STR	SIDT
	2	LLDT	LGDT
	3	LTR	LIDT
	4	VERR	SMSW
	5	VERW
	6		LMSW
	7		INVLPG (vanaf 486)
0F08		INVD (vanaf 486)	WBINVD (vanaf 486)
0F10		UMOV (386, 486)
0F18
0F20		MOV van of naar control- of testregister
0F28
0F30		WRMSR (vanaf 80386)	RDTSC (vanaf Pentium)	RDMSR (vanaf 80386)
0F38
0F40
0F48
0F50
0F58
0F60
0F68
0F70
0F78		SVDC (Cyrix 486)	RSDC (Cyrix 486)	SVLDT (Cyrix 486)	RSLDT (Cyrix 486)	SVTS (Cyrix 486)	RSTS (Cyrix 486)	SMINT (Cyrix 486)
0F80		JO far	JNO far	JB far	JNB far	JE far	JNE far	JBE far	JNBE far
0F88		JS far	JNS far	JP far	JP far	JL far	JNL far	JLE far	JNLE far
0F90		SETO rm	SETNO rm	SETB rm	SETNB rm	SETE rm	SETNE rm	SETBE rm	SETNBE rm
0F98		SETS rm	SETNS rm	SETP rm	SETP rm	SETL rm	SETNL rm	SETLE rm	SETNLE rm
0FA0		PUSH seg	POP seg	CPUID (vanaf 486)	BT rm,r	SHLD, rm,im	SHLD rm,CL	XBTS (80386) CMPXCHG (vanaf Pentium)	IBTS (oorspr. 80386) CMPXCHG (vanaf Pentium)
0FA8				RSM (vanaf 80386)	BTS rm,r	SHRD, rm,im	SHRD rm,CL		IMUL r,rm
0FB0		CMPXCHG (vanaf Pentium)		LSS	BTR rm,r	LFS	LGS	MOVZX rm,r
0FB8	4			BT rm,im	BTC rm,r	BSF		MOVSX rm,r
	5			BTS rm,im
	6			BTR rm,im
	7			BTC rm,im
0FC0	0	XADD
	1								CMPXCHG8B (vanaf Pentium)
	2
	3
	4
	5
	6
	7
0FC8		BSWAP (vanaf 486)
0FD0
0FD8
0FE0
0FE8
0FF0
0FF8

Zie ook

• FLAGS register

Externe links

• AMD's handleiding van de x86-architectuur [ Deel 1 | Deel 2 | Deel 3 | Deel 4 | Deel 5 ]

Microprocessoren

Bronnen, noten en/of referenties