老贼在干嘛？

早到的嚎头,64位中央处理器技术

关键词： 64位    CPU                                          

from:http://bbs.winzheng.com/viewthread.php?tid=1064275
Author:frog_zjut

64位技术在现在来说,已经耳熟能详了。甚至于目前市场的CPU，除了部分老旧的型号外，无一例外的全部是支持64位的中央处理器。
但是由于其他硬件发展的限制（目前32位软件可以直接对少于4G的内存寻址，貌似个人用户很少有4G以上的吧，板子四插槽，还有单根内存最大容量1G等等条件限制），以及Wintel联盟的关系（微软在AMD推出64位CPU之后将近两年之后才推出了XP－64bit版本，让AMD想借以64bit的卖点荡然无存，给Intel足够的时间赶上来，而XP－64bit可以说是一个鸡肋，非完整64版本，驱动兼容差，按照微软的说法，VISTA出来之后，XP－64bit强被抛弃，而且就算是VISTA也同时支持32/64BIT版本，64位应用可否VISTA上发展起来还需要打个问号）应用软件发展（软件运行在64位，确实可以提高速度和性能，应为部分指令和数据传输，32bit需要两次执行，64bit的一次就可以了，但由于时日过短，现在针对个人PC的64位应用软件少的可怜）导致目前64位应用对于个人PC用户而言还是一个遥远的梦想。
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。
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。
目前X86系列CPU使用的64位技术主要有AMD公司的X86－64位(可能是为了市场需要，在A64上市之后，已经被命名位AMD64了，不过我还是习惯叫X86－64)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。
x86-64是AMD为Hammer系列开发的64位架构，而它是利用现有的x86-32基础上改进的。也就是说，基于x86-64的处理器可以完全向下兼容现有的所有32位应用程序。要完成这些运算AMD为其引入了少量的新寄存器，作为现有寄存器的扩充：


图片附件: pic1.jpg (2006-7-18 01:17, 23.69 K)


现在新增加了R8-R15通用寄存器(general-purpose registers GPR)，这些寄存器都工作在64位模式下(这意味着在该模式下程序需要重新编译)，原来的寄存器诸如EAX、EBX也由32位扩张至64位。在SSE单元中新加入了8个新寄存器以提供对SSE2的支持。寄存器数量的增加将带来性能的提升，比如说科学计算(顺便说一句，这也是K8与K7间一个明显的不同点，什么时候可以写点K8相对于K7的改进)。
寄存器的扩展方式如下：


图片附件: pic2.jpg (2006-7-18 01:17, 6.4 K)


从EAX到RAX的扩展就同15年前，Intel发布i386处理器时，将AX扩展为EAX的做法一样。当时i386在应用程序方面比起它的前辈i286来说，表现相当优秀。现在Hammer也采用了相同的做法：该处理器可以很轻松的运行32位代码，在这种情况下CPU是没有满负荷运行的。
为了同时支持32和64位代码及寄存器，X86-64架构允许处理器工作在以下两种模式：Long Mode(长模式)和Legacy Mode(遗传模式)，Long模式有分为两种子模式(64bit模式和Compatibility mode兼容模式)。
64位模式所支持的新特性：
64位虚拟地址；
8个新增64位general-purpose registers通用寄存器；
64位通用寄存器扩展(包括老的EAX、EBX等等)；
64位指令指针；
N新的相对指令指针寻址；
为指令，数据和堆栈分配独立的连续地址空间
1、兼容模式 CPU在64位操作系统里提供对16/32位应用程序的兼容支持。对16/32位软件的支持主要是通过建立相对独立代码段的原理实现的。和64位模式不同，这里的代码段可以在保护模式下正常工作。从应用程序的角度看，在保护模式下其所使用的处理器也就是普通32位x86处理器。而从操作系统的角度来看，常规的地址变换，中断以及系统数据结构操作都是在64位Long模式下进行的。
2、除了Long模式之外，x86-64被认为还支持Legacy模式，因此具备了兼容16/32位操作系统的能力。换句话说在Legacy模式下，处理器的运行和一刻普通的32位x86CPU没有区别。屏蔽了执行64位指令集的功能。该模式与现有的x86架构完全兼容。其中包括了对诸如片断内存、32位通用寄存器和指令指针的支持。
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，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为新核心增加了8个64 bit GPRs（R8-R15），并且把原有GRPs全部扩展为64 bit，这样可以提高整数运算能力。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。（其实算是拷贝X86－64技术，目前的Intel CPU已经直接兼容X86－64技术了）。
单从技术上来说，貌似很不错。但实际上由于软件和系统的限制，目前的64BIT的CPU相比较32BIT的而言，毫无优势可言。准确的说，在32BIT环境应用下下，32位的处理器还要占优势（尤其是装64BIT的系统跑32BIT的软件）。
还有就是应为64BIT技术是添加额外的寄存器实现，也就是如果需要运行在64BIT模式的时候，将激活这些晶体管，于是就需要功率增加，发热增大（这个也就是以前为什么一些处理器在32BIT系统可以稳定的频率，到了64BIT系统里面需要加压后才可以稳定的原因）。
而且单从技术而言，X86－64/EM64T并没有实现完整的64BIT功能，就内存寻址方面而言，只支持40位物理内存寻址，48位虚拟内存寻址。

【作者: laozei】【访问统计:】【2006年09月14日 星期四 01:09】【 加入博采】【打印】