Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developers Manual Volume 1, Basic Architecture

Vol. 1 iii
CONTENTS
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CHAPTER 1
ABOUT THIS MANUAL
1.1 INTEL
®
64 AND IA-32 PROCESSORS COVERED IN THIS MANUAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-1
1.2 OVERVIEW OF VOLUME 1: BASIC ARCHITECTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-2
1.3 NOTATIONAL CONVENTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-4
1.3.1 Bit and Byte Order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-4
1.3.2 Reserved Bits and Software Compatibility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-5
1.3.2.1 Instruction Operands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-5
1.3.3 Hexadecimal and Binary Numbers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-6
1.3.4 Segmented Addressing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-6
1.3.5 A New Syntax for CPUID, CR, and MSR Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-7
1.3.6 Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-8
1.4 RELATED LITERATURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-8
CHAPTER 2
INTEL
®
64 AND IA-32 ARCHITECTURES
2.1 BRIEF HISTORY OF INTEL
®
64 AND IA-32 ARCHITECTURE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-1
2.1.1 16-bit Processors and Segmentation (1978) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-1
2.1.2 The Intel
®
286 Processor (1982) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-1
2.1.3 The Intel386
™
Processor (1985) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-2
2.1.4 The Intel486
™
Processor (1989) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-2
2.1.5 The Intel
®
Pentium
®
Processor (1993) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-2
2.1.6 The P6 Family of Processors (1995-1999) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-3
2.1.7 The Intel
®
Pentium
®
4 Processor Family (2000-2006) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-4
2.1.8 The Intel
®
Xeon
®
Processor (2001-2006). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-4
2.1.9 The Intel
®
Pentium
®
M Processor (2003-Current). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-5
2.1.10 The Intel
®
Pentium
®
Processor Extreme Edition (2005-Current). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-5
2.1.11 The Intel
®
Core
™
Duo and Intel
®
Core
™
Solo Processors (2006-Current). . . . . . . . . . . 2-6
2.1.12 The Intel
®
Xeon
®
Processor 5100 Series and Intel
®
Core
™
2 Processor
Family (2006-Current) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-6
2.2 MORE ON SPECIFIC ADVANCES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-6
2.2.1 P6 Family Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-7
2.2.2 Intel NetBurst
®
Microarchitecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-8
2.2.2.1 The Front End Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-10
2.2.2.2 Out-Of-Order Execution Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-11
2.2.2.3 Retirement Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-11
2.2.3 Intel
®
Core
™
Microarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-12
2.2.3.1 The Front End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-13
2.2.3.2 Execution Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-14
2.2.4 SIMD Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-14
2.2.5 Hyper-Threading Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-17
2.2.5.1 Some Implementation Notes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-18
2.2.6 Multi-Core Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-18
2.2.7 Intel
®
64 Architecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-19