64位技術

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更新時間: 2013-07-13

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這裡的64位技術是相對於32位而言的,這個位數指的是CPU GPRs(General-Purpose Registers,通用寄存器)的數據寬度為64位,64位指令集就是運行64位數據的指令,也就是說處理器一次可以運行64bit數據。64bit處理器並非現在才有的。

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64位技術64位技術
這裡的64位技術是相對於32位而言的,這個位數指的是CPU GPRs(General-Purpose Registers,通用寄存器)的數據寬度為64位,64位指令集就是運行64位數據的指令,也就是說處理器一次可以運行64bit數據。64bit處理器並非現在才有的,在高端的RISC(Reduced Instruction Set Computing,精簡指令集計算機)很早就有64bit處理器了,比如SUN公司的UltraSparc Ⅲ、IBM公司的POWER5、HP公司的Alpha等。

1 64位技術 -概述

64bit計算主要有兩大優點:可以進行更大範圍的整數運算;可以支持更大的內存。不能因為數字上的變化,而簡單的認為64bit處理器的性能是32bit處理器性能的兩倍。實際上在32bit應用下,32bit處理器的性能甚至會更強,即使是64bit處理器,目前情況下也是在32bit應用下性能更強。所以要認清64bit處理器的優勢,但不可迷信64bit。

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要實現真正意義上的64位計算,光有64位的處理器是不行的,還必須得有64位的操作系統以及64位的應用軟體才行,三者缺一不可,缺少其中任何一種要素都是無法實現64位計算的。目前,在64位處理器方面,Intel和AMD兩大處理器廠商都發布了多個系列多種規格的64位處理器;而在操作系統和應用軟體方面,目前的情況不容樂觀。因為真正適合於個人使用的64位操作系統現在就只有Windows XP X64,而Windows XP X64本身也只是一個過渡性質的64位操作系統,在Windows Vista發布以後就將被淘汰,而且Windows XP X64本身也不太完善,易用性不高,一個明顯的例子就是各種硬體設備的驅動程序很不完善,而且現在64位的應用軟體還基本上沒有,確實硬體廠商和軟體廠商也不願意去為一個過渡性質的操作系統編寫驅動程序和應用軟體。所以要想實現真正的64位計算,恐怕還得等到Windows Vista普及一段時間之後才行。

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目前主流CPU使用的64位技術主要有AMD公司的AMD64位技術、Intel公司的EM64T技術、和Intel公司的IA-64技術。其中IA-64是Intel獨立開發,不兼容現在的傳統的32位計算機,僅用於Itanium(安騰)以及後續產品Itanium 2,一般用戶不會涉及到,因此這裡僅對AMD64位技術和Intel的EM64T技術做一下簡單介紹。

2 64位技術 -AMD64位技術X86-64

64位技術64位技術
AMD64的位技術是在原始32位X86指令集的基礎上加入了X86-64擴展64位X86指令集,使這款晶元在硬體上兼容原來的32位X86軟體,並同時支持X86-64的擴展64位計算,使得這款晶元成為真正的64位X86晶元。這是一個真正的64位的標準,X86-64具有64位的定址能力。

X86-64新增的幾組CPU寄存器將提供更快的執行效率。寄存器是CPU內部用來創建和儲存CPU運算結果和其它運算結果的地方。標準的32-bit x86架構包括8個通用寄存器(GPR),AMD在X86-64中又增加了8組(R8-R9),將寄存器的數目提高到了16組。X86-64寄存器默認位64-bit。還增加了8組128-bit XMM寄存器(也叫SSE寄存器,XMM8-XMM15),將能給單指令多數據流技術(SIMD)運算提供更多的空間,這些128位的寄存器將提供在矢量和標量計算模式下進行128位雙精度處理,為3D建模、矢量分析和虛擬現實的實現提供了硬體基礎。通過提供了更多的寄存器,按照X86-64標準生產的CPU可以更有效的處理數據,可以在一個時鐘周期中傳輸更多的信息。

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AMD64位移動版處理器

在AMD的計劃中,這款處理器的核心是「Lancaster」,採用了90納米SOI製程,內置1M全速L2和單通道內存控制器,採用與Socket 754 Athlon 64相同的封裝。和桌面版的Athlon 64相比,採用了低電壓設計,以實現35W以下的TDP。並且在Windows(R) XP Service Pack 2的系統環境下,能夠使用CPU防病毒功能。
   

64位技術64位技術
AMD64位移動版處理器是基於AMD64位處理器開發出來的,是當今世上唯一的64位處理器,目前主要應用於AMD架構的筆記本電腦上。AMD Mobile Athlon 64處理器目前有五個版本,它們分別是:
Mobile Athlon 64 2700+ /核心電壓1.2V/最大功耗35W
Mobile Athlon 64 2800+ /核心電壓1.2V/最大功耗35W
Mobile Athlon 64 2800+ /核心電壓1.4V/最大功耗62W
Mobile Athlon 64 3000+ /核心電壓1.4V/最大功耗62W
Mobile Athlon 64 3200+ /核心電壓1.4V/最大功耗62W

Mobile AMD Athlon 64處理器性能強勁,跟桌面的Athlon 64處理器一樣,是基於Clawhammer核心、用0.13微米工藝製造的。該處理器整合了內存控制器,這就意味著內存控制器的運行速度能跟CPU一樣,同時,它跟CPU其他單元之間的通信也是以CPU速度進行的,這樣,在基於該處理器的操作系統環境下內存延遲低了很多,大大提升了電腦的運行速度。除此之外,它的二級緩存的容量更達1M,更高的緩存容量意味著處理器的回寫速度更快。
 
Mobile Athlon 64位處理器還採用了可以讓晶體管的頻率提升35%以上先進的SOI技術生產。它的晶體管數量達到了1億5百90萬個,核心面積也大大增加,為192平方毫米。在降低能耗方面,Mobile AMD Athlon 64處理器採用了AMD PowerNow!技術。利用這項技術,該移動處理器可以根據處理器的負載情況,來決定該處理器的性能,比如說運行單一的「記事本」程序,該處理器就會只調用很少的資源,此時,處理器的功率非常低,發熱量也很低;而當玩遊戲時,該處理器又會自動地將其性能發揮到極限,以便滿足高負荷的需求,當然,此時它無論在功率和發熱量方面都會比較大。通過這項技術,就可以讓該處理器在性能和功耗、發熱量、電池供電時間之間取得一個平衡。
   
Mobile AMD Athlon 64處理器雖然是一款64位的處理器,但它可以向下兼容目前大多數32位的軟體。由此看來,Mobile AMD Athlon 64處理器的性能確實不錯,不過,它也有不少令人遺憾之處。
    
首先,它的功率較大,以至發熱量也較大,耗電量也大。例如,Mobile Athlon 64 2700+的主頻為1.60G,雖然是低電壓版本,但其功率也在35W左右,其它以上版本的功率更是高達62W,而同為1.60G全美達90納米Efficeon處理器的功率只有7W,英特爾Dothan處理器1.70G的只有21W,相比之下,Mobile AMD Athlon 64處理器的功率過高。而功率高必然會帶來更高的發熱量,同時會縮短筆記本電池持續性使用時間。
     
其次,目前支持64位的軟體還很少,64位顯得華而不實。我們知道,64位的處理器需要用64位的軟體才能真正體現出64位的優勢,但現在絕大多數軟體都是32位的,微軟64位Windows操作系統卻遲遲不見推出,64位軟體何時出現乃至普及離現在還遙遙無期。
     
在32位操作系統下,與英特爾Dothan處理器相比,並不見得明顯勝出。英特爾Dothan處理器目前主頻可達2.0G,相當於P4 3.2G的性能,採用了0.09微米工藝製造,擁有高達2M的二級緩存;而Mobile AMD Athlon 64雖然標稱最高達3200+,但其主頻其實為2.80G,二級緩存為1M,採用的是0.13微米工藝製造,如果同在32位操作系統下運行,其性能並不見得會比英特爾Dothan處理器強。

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3 64位技術 -EM64T技術

64位技術64位技術
Intel的EM64T技術,EM64T技術官方全名是Extended Memory 64 Tenchnology 中文解釋就是擴展64bit內存技術。現在的32位奔騰 4 CPU都是採用IA-32指令集,EM64T其實就是在這個指令集的基礎上進行擴展,我們將它命名為IA32e。Intel這種實現64位的方法其實和AMD的x86-64技術有異曲同工之妙,都是通過64位擴展指令來實現兼容32位和64位的運算。另外不同的是Intel的EM64T技術設定了IA-32和IA-32e兩種模式的激活程序,就是說EM64T需要滿足特定條件才會激活。

intel的EM64T內存擴展技術

EM64T本質上和AMD64一樣都是IA-32的增強版本,Xeon藉助於EM64T可實現高達1TB(40bit)的物理內存定址和256TB(48bit)的虛擬內存定址,並且良好地支持現有32位x86代碼的執行,這一點跟AMD64無異,同時也是Intel開發EM64T的出發點—讓現有的x86指令集能夠執行64位代碼,而繼續保持對32位代碼的良好兼容。但由於多方面的限制,無論是EM64T還是AMD64均只能實現比32位指令集更大內存空間的定址,而無法真正做到純64位指令集的1PB(50bit)和16EB(64bit)的物理內存和虛擬內存定址(IA-64就能做到這一點),其關鍵在於EM64T和AMD64本質上仍是基於32位的x86指令集,只是Intel和AMD分別採用不同的技術手段對x86指令集進行擴展,從而實現對64位的支持。

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和AMD64一樣,EM64T由於要在同時運行32位和64位程序,因此會針對不同的需要運行於不同的操作模式,同時其引入的多種操作模式之間的切換較為成功地解決了32位程序在64位操作系統下的運行效率問題,當中包括了傳統模式、兼容模式和純64位模式。

傳統模式(Legacy Mode)

這種模式是為了令64位Xeon能沒有障礙地執行現有的32位和16位程序而設計的,實際上就是32位x86時代的IA-32模式,此時現有x86程序無需作任何的改變,和我們目前使用著的32位環境一模一樣。因為Nacona Xeon的核心仍然是沿著32位設計的,所以這個模式只是把所有為64位計算而新增的運算機制都屏蔽起來。

兼容模式(Compatibility Mode)

兼容模式允許64位操作系統(如Windows XP x64 Edition)良好地運行基於32位和16位代碼的程序,此時32位程序無需重編譯即可以保護模式運行,而16位程序則要依賴於操作系統和驅動程序是否支持保護模式,情況類似於32位環境下的IA-32虛擬實模式。和傳統模式相同,兼容模式允許程序利用物理內存擴展實現64GB的物理內存定址,但這並非純64位模式的准64位定址。

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純64位模式(Full 64bit Mode)

此模式是三種模式當中最為高效的,同時可充分發揮EM64T的威力,但這種模式需要純64位環境的支持,包括64位操作系統和64位應用程序。在64位操作系統和相應驅動程序的支持下,系統和應用程序能夠訪問EM64T所支持最大容量的擴展內存,這時Xeon平台的性能可得到最充分的發揮,當然運行於此模式下的程序需要修改其微代碼以便支持64位指令操作。

可以預見,在未來相當長的一段時間裡,在64位操作系統下我們最常用的是兼容模式,因為現存的大量32位應用程序不可能在短期內為x86-64指令集而重新開發,為了保證現有的32位程序能夠繼續在Xeon平台上順利執行,EM64T提供了一種出色的解決方案。而對於傳統的32位操作系統和應用程序,Xeon平台當然可以百分百地相容運行,本來EM64T就是擴展的32位x86指令集,兼容32位程序是件很自然的事。

EM64T在64位的實現方式上跟AMD64指令集有很多相似之處,但在關鍵的地方兩者還是有很大差別,而Intel追加的大多數64位指令與AMD64指令集相兼容,因此Microsoft就不用為兩家公司的64位處理器開發各自的64位操作系統。目前Microsoft推出的Windows XP x64 Edition操作系統(Beta)可同時支持EM64T和AMD64,能夠兼容幾乎所有的32位應用程序和大部分新增64位應用程序。

4 64位技術 -EM64T和AMD64的區別

AMD公司設計,可以在同一時間內處理64位的整數運算,併兼容於X86-32架構。其中支持64位邏輯定址,同時提供轉換為32位定址選項;但數據操作指令默認為32位和8位,提供轉換成64位和16位的選項;支持常規用途寄存器,如果是32位運算操作,就要將結果擴展成完整的64位。這樣,指令中有「直接執行」和「轉換執行」的區別,其指令欄位是8位或32位,可以避免欄位過長。

x86-64(AMD64)的產生也並非空穴來風,x86處理器的32bit定址空間限制在4GB內存,而IA-64的處理器又不能兼容x86。 AMD充分考慮顧客的需求,加強x86指令集的功能,使這套指令集可同時支持64位的運算模式,因此AMD把它們的結構稱之為x86-64。在技術上 AMD在x86-64架構中為了進行64位運算,AMD為其引入了新增了R8-R15通用寄存器作為原有X86處理器寄存器的擴充,但在而在32位環境下並不完全使用到這些寄存器。原來的寄存器諸如EAX、EBX也由32位擴張至64位。在SSE單元中新加入了8個新寄存器以提供對SSE2的支持。寄存器數量的增加將帶來性能的提升。與此同時,為了同時支持32和64位代碼及寄存器,x86-64架構允許處理器工作在以下兩種模式:Long Mode(長模式)和Legacy Mode(遺傳模式),Long模式又分為兩種子模式(64bit模式和Compatibility mode兼容模式)。該標準已經被引進在AMD伺服器處理器中的Opteron處理器。

而今年也推出了支持64位的EM64T技術,再還沒被正式命為EM64T之前是IA32E,這是英特爾64位擴展技術的名字,用來區別X86指令集。Intel的EM64T支持64位sub-mode,和AMD的X86-64技術類似,採用64位的線性平面定址,加入8個新的通用寄存器(GPRs),還增加8個寄存器支持SSE指令。與AMD相類似,Intel的64位技術將兼容IA32和IA32E,只有在運行64位操作系統下的時候,才將會採用IA32E。IA32E將由2個sub-mode組成:64位sub-mode和32位sub-mode,同AMD64一樣是向下兼容的。 Intel的EM64T將完全兼容AMD的X86-64技術。現在Nocona處理器已經加入了一些64位技術,Intel的Pentium 4E處理器也支持64位技術。

應該說,這兩者都是兼容x86指令集的64位微處理器架構,但EM64T與AMD64還是有一些不一樣的地方,AMD64處理器中的NX位在Intel的處理器中將沒有提供。

5 64位技術 -名詞解釋

什麼是64位計算?

在計算機發展史上,人類歷經了從8位計算到16位計算、從16位計算到32位計算兩次飛躍,32位計算是目前伺服器市場的主流。64位計算是相對於32位計算的新一代高性能計算標準,就象高速公路與山間小路的區別,相比於32位計算,64位提供更大的計算帶寬,從而帶來更高的性能,使很多過去根本無法實現的設想變成現實。目前,全球最重要的處理器供應商包括:AMD、HP、IBM、Intel、Motorola、Sun無一例外的都在推動64位計算。

什麼是64位處理器?

8位處理器、16位處理器、32位處理器和64位處理器,其計數都是8的倍數。它表示一個時鐘周期里,處理器處理的二進位代碼數。「0」和「1」就是二進位代碼,線路上有電信號,則計做1,沒有電信號則為0。8位機有8條線路,每個時鐘周期有8個電信號,組成一個位元組。所以,隨8位處理器上升至64位處理器,每個時鐘周期傳送1個位元組到8個位元組,關聯到時鐘速度提高到若干個千兆赫之後,處理器處理信息的能力越來越大

為什麼需要64位數據運算?

目前X86結構在32位定址時最大空間只能是4GB,在很多大型資料庫、數字內容的創建、視頻內容的創建還有如CAD/CAM等需要將現實世界建模運算的軟體都需要大量的內存容量,此外還有安全加密的需要則使得處理的數據成倍增長。在石油勘探、天氣預測等需要大量數據運算的應用環境中,更是需要平台為運算提供更為充裕的內存容量。64位平台的定址能力達到了180億GB,這在未來很長一段時間內都可以解決高端應用中存儲器定址的瓶頸

為什麼64位計算沒有普及?

市場上現有的64位解決方案都是面向高端領域,且不與32位架構兼容的昂貴的方案。這種方案通常會要求包括冷卻設備、電源、機箱等在內的全新的基礎架構,還需要獨立軟體開發商(ISV)重新編譯應用在64位計算平台下的軟體,在這種方式下如果需要進行32位X86應用時,要麼不能兼容,要麼就必須在模擬方式下運行,而模擬方式又不能提供全面的計算性能,這就造成了性能的下降;此外,最終用戶和技術支持人員還需要專門學習64位系統的應用,人們可能會因為無法忍受多餘而繁瑣的工作以及高額的支出而放棄;對獨立軟體開發商來說,為了建立獨立的體系,還必須在研發方面投入大量的人力和財力。

6 64位技術 -參考資料

1、http://publish.it168.com/cword/3015.shtml
2、http://www.91bi.com/html/comm/64weijishu_101001.htm

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