什么是64位技术?

Category : 技术文摘 / Tags : / Date : 2009.03.08 / /

  这里的64位技术是相对于32位而言的,这个位数指的是CPU GPRs(General-Purpose Registers,通用寄存器)的数据宽度为64位,64位指令集就是运行64位数据的指令,也就是说处理器一次可以运行64bit数据。64bit处理器并非现在才有的,在高端的RISC(Reduced Instruction Set Computing,精简指令集计算机)很早就有64bit处理器了,比如SUN公司的UltraSparc Ⅲ、IBM公司的POWER5、HP公司的Alpha等。
  
  64bit计算主要有两大优点:可以进行更大范围的整数运算;可以支持更大的内存。不能因为数字上的变化,而简单的认为64bit处理器的性能是32bit处理器性能的两倍。实际上在32bit应用下,32bit处理器的性能甚至会更强,即使是64bit处理器,目前情况下也是在32bit应用下性能更强。所以要认清64bit处理器的优势,但不可迷信64bit。

  要实现真正意义上的64位计算,光有64位的处理器是不行的,还必须得有64位的操作系统以及64位的应用软件才行,三者缺一不可,缺少其中任何一种要素都是无法实现64位计算的。目前,在64位处理器方面,Intel和AMD两大处理器厂商都发布了多个系列多种规格的64位处理器;而在操作系统和应用软件方面,目前的情况不容乐观。因为真正适合于个人使用的64位操作系统现在就只有Windows XP X64,而Windows XP X64本身也只是一个过渡性质的64位操作系统,在Windows Vista发布以后就将被淘汰,而且Windows XP X64本身也不太完善,易用性不高,一个明显的例子就是各种硬件设备的驱动程序很不完善,而且现在64位的应用软件还基本上没有,确实硬件厂商和软件厂商也不愿意去为一个过渡性质的操作系统编写驱动程序和应用软件。所以要想实现真正的64位计算,恐怕还得等到Windows Vista普及一段时间之后才行。

  目前主流CPU使用的64位技术主要有AMD公司的AMD64位技术、Intel公司的EM64T技术、和Intel公司的IA-64技术。其中IA-64是Intel独立开发,不兼容现在的传统的32位计算机,仅用于Itanium(安腾)以及后续产品Itanium 2,一般用户不会涉及到,因此这里仅对AMD64位技术和Intel的EM64T技术做一下简单介绍。

  AMD64位技术
   
  AMD64的位技术是在原始32位X86指令集的基础上加入了X86-64扩展64位X86指令集,使这款芯片在硬件上兼容原来的32位X86软件,并同时支持X86-64的扩展64位计算,使得这款芯片成为真正的64位X86芯片。这是一个真正的64位的标准,X86-64具有64位的寻址能力。

  X86-64新增的几组CPU寄存器将提供更快的执行效率。寄存器是CPU内部用来创建和储存CPU运算结果和其它运算结果的地方。标准的32-bit x86架构包括8个通用寄存器(GPR),AMD在X86-64中又增加了8组(R8-R9),将寄存器的数目提高到了16组。X86-64寄存器默认位64-bit。还增加了8组128-bit XMM寄存器(也叫SSE寄存器,XMM8-XMM15),将能给单指令多数据流技术(SIMD)运算提供更多的空间,这些128位的寄存器将提供在矢量和标量计算模式下进行128位双精度处理,为3D建模、矢量分析和虚拟现实的实现提供了硬件基础。通过提供了更多的寄存器,按照X86-64标准生产的CPU可以更有效的处理数据,可以在一个时钟周期中传输更多的信息。

  EM64T技术
   
  Intel官方是给EM64T这样定义的:EM64T全称Extended Memory 64 Technology,即扩展64bit内存技术。EM64T是Intel IA-32架构的扩展,即IA-32e(Intel Architectur-32 extension)。IA-32处理器通过附加EM64T技术,便可在兼容IA-32软件的情况下,允许软件利用更多的内存地址空间(通过增加CPU的运算位宽扩展增加CPU和内存之间的位宽,从而让系统支持更大容量的内存(32bit处理器最多只能支持内存容量只有4GB,而64bit的最高则达64GB)),并且允许软件进行32 bit线性地址写入。EM64T特别强调的是对32 bit和64 bit的兼容性,Intel在原来32bit处理器核心的基础上加入了8个64 bit GPRs(通用寄存器)和内存指针(memory pointers),从而实现了64 bit内存寻址。在理论上,虽然EM64T架构最高可以支持64 bit内存寻址,但由于设计和制造工艺等方面的因素,并非所有EM64T的处理器都能达到理论的上限,所以,在64 bit和32bit内存寻址之间提供一个48 bit的虚拟内存寻址,以增强两者间的兼容性。增加8个128bit SSE寄存器(XMM8-XMM15),是为了增强多媒体性能,包括对SSE、SSE2和SSE3的支持。

  Intel为支持EM64T技术的处理器设计了两大模式:传统IA-32模式(legacy IA-32 mode)和IA-32e扩展模式(IA-32e mode)。在支持EM64T技术的处理器内有一个称之为扩展功能激活寄存器(extended feature enable register,IA32_EFER)的部件,其中的Bit10控制着EM64T是否激活。Bit10被称作IA-32e模式有效(IA-32e mode active)或长模式有效(long mode active,LMA)。当LMA=0时,处理器便作为一颗标准的32 bit(IA32)处理器运行在传统IA-32模式;当LMA=1时,EM64T便被激活,处理器会运行在IA-32e扩展模式下。

  在IA-32e扩展模式下的兼容模式和64位模式,两者都需要64bit操作系统和64bit驱动程序的支持,但后者才是真正的64bit计算。在64bit模式下,必须要有64bit的操作系统、驱动程序和应用程序三者合作。此时,处理器内的新增的8个GPRs和8个SSE寄存器(XMM8-XMM15)才会被激活,原有的8个GPRS(RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RBP, RSP)的宽度也会同时扩展为64bit,并且启用64bit指令指针。此时,处理器才能利用64bit指令操作来支持64bit内存寻址,进行双精度(64bit)整数运算。

  而在另一种兼容模式下,计算机允许在64bit操作系统下不需要预编译就可以运行大多数传统16bit或32bit应用程序,这和传统IA-32模式下基本相同,只不过此时的操作系统和驱动程序都是64bit的。
 
  现在 EM64T 已经更名为 Intel64 Architecture



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