x86-64 운영체제를 만들자 [-] x86 아키텍쳐의 변화: 16, 32 그리고 64

x86 아키텍쳐는 두 번 변화했습니다: 16->32 (1985, Intel 80386) 그리고 32->64 (2003, AMD Athlon64) 이렇게 말입니다.
QnA 형식으로 강좌를 써 보겠습니다. * 모든 "x86-64 운영체제를 만들자" 강좌는 CC 3.0 by-nc-sa 저작권입니다.
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/deed.ko

원래 엄청 길게 쓰고, 위키백과 x86 관련 글도 번역하고 했었는데 '포럼 주제 만들기'의 입력 형식 밑에
"포맷팅 옵션에 대한 추가 정보"를 누르는 순간 모든 내용이 날아갔습니다. 드루팔을 원망하겠습니다.

단순 궁금증

왜 이름이 x86일까?
8080 프로세서가 있었습니다. 동작을 위해 +5V, -5V, +12V 입력이 필요했습니다.
그 다음 인텔은 8085 프로세서를 내놓았습니다. 이제 +5V만 있으면 됩니다.
뭔가 감이 오시지 않습니까? +5V라서 8085입니다.
그 다음 인텔은 8085 8비트 프로세서를 16비트로 확장했습니다. 이름하여 8086.
그리고 그 '8086'이라는 이름 때문에 x86이라는 아키텍쳐명이 나왔습니다.
그러니까, 20년 동안 PC시장을 주도한 아키텍쳐 이름의 시작은 전압 숫자입니다. 허무하죠?

x86 아키텍쳐의 확장들

• 32비트화: 인텔 80386. 일명 "x86-32", "IA-32", "i386" 등의 이름으로 불려집니다.
• MMX: 인텔 펜티엄 MMX(1997). 단일 명령 다중 데이터(Single Instruction Multiple Data) 방식 인스트럭션과 MMX 레지스터 8개.
• 3DNow!: AMD(1997). 역시 SIMD 방식이며, MMX의 확장.
• SSE 시리즈: SSE, SSE2, SSE3, SSE4(예정). 128비트 레지스터 8개(SSE)/16개(AMD64) 제공.
• 가상화: x86 아키텍쳐는 일반적으로 Popek/Goldberg 조건을 만족하지 않아서 가상화가 힘들었다. 그러나...
• 64비트 롱 모드: AMD Athlon64(2003). 엄청나게 중요합니다. 이 강좌의 핵심이죠.
• 기타: 뭐 제가 모르는 것도 많이 있겠죠?

모드, 모드, 모드?!
다음은 레거시 모드(legacy mode)의 목록입니다:

• 실제 주소 모드(Real address mode, '리얼 모드') (16비트)
• 일명 'Unreal mode' (비실제 모드) 일종의 프로세서 버그. 90년대 초반 일부 도스 게임에 사용.
• 가상 8086 모드(Virtual 8086 mode, 'VM86') 보호 모드의 몇 가지 제한 사항이 완화된 모드.
• 보호 모드 (32비트)

• 64비트 모드 64-bit mode: 새로운 운영체제 및 어플리케이션 재빌드 필요.
• 호환성 모드 Compatibility mode: 새로운 64비트 운영체제만 있으면 됨.

본론: 32비트 보호 모드와 64비트 롱 모드의 차이

AMD64 Architecture Programmer’s Manual Volume 1: Application Programming(24592.pdf)의 3.1.2 부분을 보시면,

레지스터 관련

• 새로운 범용 레지스터 8개가 추가되었습니다 (R8-R15).
• 모든 16 GPR들이 64비트로 확장되었습니다 (RAX, RBX, RCX, RDX, RBP, RSI, RDI, RSP, R8-R15).
• 모든 GPR에 대한 고유 바이트 레지스터 어드레싱.
• 새로운 SSE 레지스터 8개가 추가되었습니다(XMM8-XMM15).
• 64비트 플래그 레지스터 RFLAGS (그러나 하위 32비트는 EFLAGS와 같고, 상위 32비트는 0).
• 64비트 모드에서는, 하드웨어에 의해 DS, ES, SS가 무시됩니다.
• 확장 레지스터를 위한 새로운 인스트럭션 접두사(REX).

• 16개의 8비트 하위-바이트 레지스터: AL, BL, CL, DL, SIL, DIL, BPL, SPL, R8B-R15B
• 4개의 8비트 상위-바이트 레지스터: AH, BH, CH, DH (REX 접두사 미사용시만 접근가능)
• 16개의 16비트 레지스터: AX, BX, CX, DX, DI, SI, BP, SP, R8W-R15W
• 16개의 32비트 레지스터: EAX, EBX, ECX, EDX, EDI, ESI, EBP, ESP, R8D-R15D
• 16개의 64비트 레지스터: RAX, RBX, RCX, RDX, RDI, RSI, RBP, RSP, R8-R15

• 레지스터 관련
• 새로운 범용 레지스터 8개가 추가되었습니다 (R8-R15).
• 모든 16 GPR들이 64비트로 확장되었습니다 (RAX, RBX, RCX, RDX, RBP, RSI, RDI, RSP, R8-R15).
• 모든 GPR에 대한 고유 바이트 레지스터 어드레싱.
• 새로운 SSE 레지스터 8개가 추가되었습니다(XMM8-XMM15).
• 64비트 플래그 레지스터 RFLAGS (그러나 하위 32비트는 EFLAGS와 같고, 상위 32비트는 0).
• 64비트 모드에서는, 하드웨어에 의해 DS, ES, SS가 무시됩니다.
• 확장 레지스터를 위한 새로운 인스트럭션 접두사(REX).

이 정도가 나와 있습니다.

지금 열심히 롱 모드 진입 코드 테스트하고 있습니다. 완료되면 다시 III부 쓰겠습니다.
In simplexitate est opportunitas. --cppig1995